Les mares de fonte sont des dépressions peu profondes et remplies d'eau retrouvées en zone de pergélisol. En zones arctiques, là où le sol est gelé en permanence, tel qu'en Sibérie, en Alaska et dans le nord canadien, les mares se forment sur un terrain caractérisé par des polygones en coin de glace générés suite au processus de gel et de dégel saisonnier d'un sol organique. La couche supérieure du pergélisol, appelée mollisol, fond l'été, formant de petites dépressions. Ces dépressions se remplissent d'eau provenant de la fonte des neiges et des précipitations estivales et sont alors désignées sous le nom de mares de fonte. Elles sont de forme arrondie lorsqu'elles se logent au creux des polygones, ou allongée lorsqu'elles se forment en périphérie de ceux-ci. Ce processus de fonte différentielle et d'érosion du sol est naturel mais se trouve accentué dans plusieurs régions du globe depuis quelques décennies.

Cette augmentation du nombre de mares est plutôt alarmante. Les milieux d'eaux douces et les zones humides représentent une source de carbone pour l'atmosphère, les zones humides étant reconnues comme la source naturelle la plus importante de méthane (CH₄), un gaz à effet de serre (GES) plus puissant que le dioxyde de carbone (CO₂).

La toundra recèle une grande quantité de carbone emprisonné dans le sol gelé. Ce carbone s'est accumulé dans les tourbières il y a des millénaires, alors que le climat était plus favorable. Puis, lorsque le climat s'est refroidi, cette réserve de carbone a été isolée du cycle actif d'échange entre l'atmosphère et la biosphère. Avec le réchauffement climatique rapide dont nous sommes témoins aujourd'hui, ce carbone est remis en circulation. Une partie est transférée vers les milieux aquatiques d'eau douce puis marins côtiers; une fraction de celle-ci est émise vers l'atmosphère sous forme de gaz à effet de serre et le reste sédimente au fond des lacs et des océans. La formation de mares durant la fonte du pergélisol peut favoriser la libération de ce carbone vers l'atmosphère par l'entremise de l'activité microbienne, qui est particulièrement active dans ces milieux relativement riches en nutriments. Lorsqu'il y a peu ou pas d'oxygène, le carbone est surtout libéré sous forme de CH₄, un gaz à effet de serre 27 fois plus puissant que le CO₂.

Une grande libération de gaz à effet de serre par les mares peut accentuer le réchauffement climatique, et conséquemment, favoriser la création de nouvelles mares de fonte et la libération du carbone vers l'atmosphère. Les chercheurs avancent que ce phénomène pourrait représenter une contribution significative aux émissions de CO₂ et de CH₄ sur la planète; il pourrait également expliquer l'accélération du réchauffement, plus rapide que celle prévue par les modèles climatiques globaux. Ces modèles ne tiennent pas encore compte de ces sources de gaz à effet de serre.

Cette relation de cause à effet qui s'enchaîne peut être schématisée de la façon suivante:

Cette boucle de rétroaction positive sur le climat peut toutefois s'arrêter (ou possiblement être modifiée) suivant l'assèchement des mares. Cet assèchement peut être temporaire (causé par une réduction des précipitations) ou permanent (lorsque le pergélisol fond davantage et n'offre plus une barrière physique au drainage de l'eau par le dessous, tout dépendant de la géomorphologie sous-jacente). Dans tous les cas, si la recolonisation végétale survient et l'état de mare régresse, les échanges de CO₂ peuvent s'inverser grâce à l'activité photosynthétique des plantes, et le milieu peut devenir un puits de carbone. Le carbone est alors retenu dans le sol, au lieu de s'échapper vers l'atmosphère. Pour bien évaluer le bilan de carbone, il faut toutefois pouvoir tenir compte des échanges de CH₄ en plus du CO₂. Les mesures de CH4 sont plus difficiles à faire que celles du CO₂, car le CH₄ s'échappe parfois surtout sous forme de bulles, un phénomène très variable spatio-temporellement.