Aktuelle Ergebnisse

Mehrfache Thermokarstsee-Generationen in 11.800 Jahre altem Permafrostkern der nördlichen Seward-Halbinsel, Alaska

Spot-Satellitenbild (©SpotImage) der Untersuchungsregion (B) Querschnitt des Mama Rhonda-Seebeckens und des benachbarten Grandma Rhonda-Seebeckens und Rhonda Sees.
Spot-Satellitenbild (©SpotImage) der Untersuchungsregion (B) Querschnitt des Mama Rhonda-Seebeckens und des benachbarten Grandma Rhonda-Seebeckens und Rhonda Sees. (Foto: Josefine Lenz)

Josefine Lenz, Sebastian Wetterich, Benjamin M. Jones, Hanno Meyer, Anatoly Bobrov & Guido Grosse


Boreas (DOI: 10.1111/bor.12186)


Kurzfassung: Permafrost-Degradation beeinflusst Morphologie, biogeochemische Kreisläufe und Hydrologie Arktischer Landschaften über verschiedene Zeitskalen. Ein 350 cm langer Permafrostkern eines drainierten Seebeckens auf der nördlichen Seward-Halbinsel (Alaska) wurde mit verschiedenen Methoden der Mikropaleontologie, Sedimentologie, Geochemie, stabile Isotopengeochemie und Radiokarbondatierung analysiert, um Früh- bis Spät-Holozäne Permafrost- und Thermokarstdynamik zu untersuchen.
Erstmals wurden sich einander abgrenzende Seephasen an Hand von Seesedimenten rekonstruiert. Diese umfassen eine durch die Devil Mountain Maar-Tephra charakterisierte vor-Seephase (22.8 ± 0.3 cal ka BP), welche vertikal durch die Entstehung eines ersten Thermokarstsees um 11.8 cal ka BP (Grandma Rhonda) verlagert wurde. Dieses stabile Seesystem wandelte sich etwa 9.0 cal ka BP zu einem dynamischen Seesystem mit schwankenden Seespiegeln (Mama Rhonda). Nach der Drainage etwa 1.1 cal ka BP, ist das Rückfrieren des Taliks und das allmähliche Aufwachsen von terrestrischem Torf zu beobachten.
Diese Kern-basierte Studie verbessert unser Verständnis für biogeochemische Kreisläufe in durch Thermokarst beeinflusste Regionen der Arktis.

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Flussufererosion von Yedoma Permafrost in Nord-Alaska

Felssturz an dem 35 Meter hohen Flussuferkliff am Itkillik Fluss, 16. August 2007 (Foto: Mikhail Kanevskiy)

Mikhail Kanevskiy, Yuri Shur, Jens Strauss, Torre Jorgenson, Daniel Fortier, Eva Stephani, Alexander Vasiliev

Geomorphology, doi:10.1016/j.geomorph.2015.10.023

Zusammenfassung: Durch einen hohen Anteil von Eis im Sediment ist Yedomapermafrost sehr anfällig für thermische Degradation und Erosion. Degradationsprozesse zeigen sich im Yedomagebiet deutlich durch Oberflächenabsenkung sowie Erosion von Meeres- und Flussufern. Dies hat deutliche Auswirkungen auf die Landschaftsentwicklung, aber auch auf die anthropogene Infrastruktur sowie die Wasserqualität.

In dieser Studie nutzen wir Fernerkundungsdaten für eine Quantifizierung eines 35 Meter hohen Yedomakliffs am Itkillik Fluss in Nord-Alaska. Flussufererosion an diesem Kliff ist im Zeitraum 1995 - 2010 an verschiedenen Segmenten zwischen 180 und 280 Meter. Die mittlere jährliche Erosionsrate am aktivsten Teil ist fast 19 Meter pro Jahr. Somit zeigt diese Studie die höchsten Erosionsraten an Flussufern in der gesamten Permafrostregion, welche Eurasien und Nordamerika umfasst.

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Tundra-Feuer destabilisieren Permafrost

Vergleichsdaten von zwei Flugzeuggestützten LiDAR-Vermessungen zeigen die deutliche Absenkung durch Permarosttauen entlang des Eiskeilnetzwerkes innerhalb weniger Jahre nach dem arktischen Tundra-Feuer (Foto: B. Jones, USGS)

Benjamin M. Jones, Guido Grosse, Christopher D. Arp, Eric Miller, Lin Liu, Daniel J. Hayes & Christopher F. Larsen

Nature, Scientific Reports 5, Article number: 15865 (2015) doi:10.1038/srep15865

Kurzfassung: Tundrafeuer in Arktis können einen destabilisierenden Effekt auf eisreichen Permafrost haben. Die neue Studie zeigt mit Hilfe von hochauflösenden Höhenmodellen die mit luftgestützen Laserscanner-Messungen gewonnen wurden, dass mehrere Jahre nach einem 1000 km2 großen Tundrafeuer in 2007 im Norden Alaskas eine deutliche Absenkung der Landoberfläche eingesetzt hat, die mit dem Schmelzen von Grundeis in Zusammenhang gebracht wird. Dies ist eine langfristige Auswirkung von intensiven Tundra-Feuern, welche die Vegetation und Torflagen des oberen Bodens zerstören und damit die Isolierung des unterliegenden Permafrost vor der sich erwärmenden Atmosphäre beeinträchtigen. Die   Fernerkundungsdaten zeigen nur wenige Jahre nach dem Feuer, dass sich bis zu 34% der Oberfläche stark abgesenkt hat (bis zu über 1 Meter) und damit das polygonale Mikrorelief betont wurde was zu vielseitigen Rückkopplungen mit Schneeverteilung, Hydrologie, und Vegetationmustern und damit der verstärkten Thermokarstentstehung führt.

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Vereinfachter, datenbasierter Ansatz zur Abschätzung der Permafrost-Kohlenstoff-Rückkopplung

Karte der Kohlenstofffreisetzung im Zeitraum 2010–2100, berechnet mit dem PInc-PanTher Ansatz. Die Abbildung zeigt vier unterschiedliche Tiefen simuliert mit zwei verschiedenen Erwärmungsszenarien. (Foto: Alfred Wegener Institut)

D. Koven, E. A. G. Schuur, C. Schädel, T. J. Bohn, E. J. Burke, G. Chen, X. Chen, P. Ciais, G. Grosse, J. W. Harden, D. J. Hayes, G. Hugelius, E. E. Jafarov, G. Krinner, P. Kuhry, D. M. Lawrence, A. H. MacDougall, S. S. Marchenko, A. D. McGuire, S. M. Natali, D. J. Nicolsky, D. Olefeldt, S. Peng, V. E. Romanovsky, K. M. Schaefer, J. Strauss, C. C. Treat and M. Turetsky

Philosophical Transactions of the Royal Society A, doi:10.1098/rsta.2014.0423

Kurzfassung: Permafrostablagerungen tauen in Folge der Klimaerwärmung. Dies bedingt eine erhöhte Bodentemperatur, was wiederum zu erhöhten mikrobiellen Zersetzungsraten von organischem Kohlenstoff führt, welcher vorher durch dauerhafte Gefrornis nicht dafür verfügbar war.

In dieser Studie entwickeln wir eine Modelsimulation von Permafrost-Kohlenstoff, der aus Permafrostablagerungen freigesetzt werden kann. Dazu nutzen wir Schätzungen zur Permafrostdynamik im thermischen Kontext, zum Permafrost-Kohlenstoffspeicher und sowie Ergebnisse von Permafrost-Erwärmungsexperimenten.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Größenordnung von freigesetztem Kohlenstoff der positiven Rückkopplung, ausgelöst durch Permafrosttauen, einer substanziellen Menge der Gesamtkohlenstofffreisetzung entspricht. Somit nimmt die Permafrost-Kohlenstoffrückkopplung eine wichtige Rolle ein um die Klimaerwärmung abzuschätzen, zusätzlich zu dem Anteil bedingt durch die anthropogene Freisetzung fossiler Brennstoffe.

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Klimawandel und Rückkopplung mit Permafrostkohlenstoff

E. A. G. Schuur, A. D. McGuire, C. Schädel, G. Grosse, J. W. Harden, D. J. Hayes, G. Hugelius, C. D. Koven, P. Kuhry, D. M. Lawrence, S. M. Natali, D. Olefeldt, V. E. Romanovsky, K. Schaefer, M. R. Turetsky, C. C. Treat & J. E. Vonk

Nature, 520, 171-179. doi:10.1038/nature14338

Kurzfassung: Permafrostböden und –ablagerungen in der Arktis und Subarktis speichern große Mengen von organischem Kohlenstoff. Die Klimaerwärmung kann Umweltveränderungen verursachen, die die mikrobielle Zersetzung dieses organischen Kohlenstoffs beschleunigt und zum Freisetzen der Treibhausgase Kohlendioxid und Methan führt. Dieser Rückkopplungsmechanismus kann zu einer Beschleunigung des Klimawandels beitragen, allerdings sind bisherige Abschätzungen der Größenordnung und des zeitlichen Ablaufs von Treibhausgasemissionen aus diesen Regionen mit großen Unsicherheiten behaftet. In dieser Studie fassen wir aktuelle wissenschaftliche Beweise zusammen, die einen graduellen aber anhaltenden Beitrag von Treibhausgasen durch Permafrosttauen in einem sich erwärmenden Klima nahelegen. Darüberhinaus präsentieren wir eine Forschungsstrategie, mit der die bisher noch mit Unsicherheiten behafteten Aspekte der Permafrostkohlenstoffdynamik besser verstanden werden können.

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Qualität des organischen Kohlenstoffs in eisreichen Permafrostablagerungen

Konzeptuelles Schema ausgewählter Zersetzungsanzeiger der organischen Substanz (Foto: Jens Strauss)

J. Strauss, L. Schirrmeister, K. Mangelsdorf, L. Eichhorn, S. Wetterich, and U. Herzschuh

Biogeosciences, 12, 2227-2245. doi:10.5194/bg-12-2227-2015

Kurzfassung: Die Klimaerwärmung wirkt sich erheblich auf die Permafrostgebiete aus, wodurch eine Zersetzung des bisherig eingefrorenen organischen Materials möglich wird. Derzeit liegen nur vereinzelt Studien und quantitative Daten zur Qualität der organischen Substanz in Permafrostablagerungen vor. In dieser Studie untersuchen wir die organische Substanz in spätpleistozänen (Yedoma) und holozänen (Thermokarst) Permafrostablagerungen. Eine fehlende Veränderung der Qualität mit der Tiefe zeigt, dass Permafrost wie ein Gefrierschrank funktioniert und die Qualität zum Einfrierzeitpunkt konserviert. Bei fortschreitender Erwärmung wird der untersuchte organische Kohlenstoffspeicher anfällig für mikrobiellen Abbau, verbunden mit der Freisetzung von Treibhausgasen

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Beobachtungen zum allmählichen Verschwinden der ostsibirischen Arktisinsel Muostakh

saisonale Thermoerosion (Foto: Frank Günther)

F. Günther, P. P. Overduin, I. A. Yakshina, T. Opel, A. V. Baranskaya, and M. N. Grigoriev

The Cryosphere, 9, 151-178, 2015. doi:10.5194/tc-9-151-2015

Kurzfassung: Auswertungen von Fernerkundungszeitreihen zeigen, dass sich die Küstenerosionsraten auf der Insel Muostakh (Sibirische Arktis) gegenwärtig verdoppelt haben. Im Vergleich mit einem Langzeitszenario unter unveränderten Meereisbedingungen und Sommertemperaturen wird die Insel wohl vorzeitig verschwinden. Basierend auf Analysen der saisonalen Variabilität von Permafrosttauen entlang von Küstenkliffs, nimmt die Thermoerosionsaktivität dort pro 1°C wärmerer Lufttemperatur im Sommer um 1,2 m pro Jahr zu. Ein Vergleich von Geländehöhenveränderungen über die letzten 60 Jahre mit der Mächtigkeit der saisonalen Auftauschicht zeigte, dass die Landoberfläche durch schnelles Permafrosttauen gegenwärtig bis zu 11 cm pro Jahr absackt.

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Beobachtungs-gestützte Modellierung von Permafrost-Kohlenstoffflüssen

T. Schneider von Deimling, G. Grosse, J. Strauss, L. Schirrmeister, A. Morgenstern, S. Schaphoff, M. Meinshausen, and J. Boike

Biogeosciences, 12, 3469-3488, doi:10.5194/bg-12-3469-2015

Kurzfassung: Permafrostböden speichern riesige Mengen an organischem Kohlenstoff, der tiefgefroren im Untergrund lagert. In unserer Modellierungs-Studie berechnen wir die Stärke und den zeitlichen Verlauf der Kohlenstoffflüsse, welche durch die mikrobische Zersetzung von frisch aufgetautem organischen Material in Folge zukünftiger Permafrostdegradation entstehen. Schließlich berechnen wir die zusätzliche globale Erwärmung, welche aus der Permafrost-Kohlenstoff-Rückkopplung entsteht.

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Mittel-Wisconsin bis Holozäne Permafrost- und Landschaftdynamik auf der nördlichen Seward-Halbinsel, Nordwest-Alaska

J. Lenz, G. Grosse, B.M. Jones, K.M. Walter Anthony, A. Bobrov, S. Wulf, S. Wetterich

Permafrost and Periglacial Processes, DOI: 10.1002/ppp.1848

Kurzfassung: Das Verständnis vergangener Permafrostdynamik ist fundamental, um zukünfige Veränderungen vor dem Hintergrund des Klimwandels einordnen zu können. In dieser Fallstudie ein drainiertes Seebecken auf der Seward Halbinsel (Alaska/USA) an Hand eines Permafrostkerns mit Hilfe verschiedenster Labormethoden die Landschaftsdynamik von mehr als 44.000 Jahren rekonstruiert. Während im Früh- bis Mittel-Wisconsin eine Yedoma-Landschaft vorherrschte, gab es auch in den kalten und rauen Klimabedingungen Zentral-Beringias die Entwicklung von Feuchtgebieten. Die Entwicklung wurde im Untersuchungsgebiet allerdings durch lokale Vulkaneruptionen mit mächtigen Tephraablagerungen vor etwa 42.000 Jahren gestoppt. Intensive Permafrostdegradation und Entwicklung von Thermokartseen folgten bis ins Spät-Holozän. Das heute die Morphologie bestimmende Seebecken wurde vor etwa 300 Jahren gebildet und ist schließlich im Frühling 2005 ausgelaufen.

Das Zusammenspiel von globaler Klimaveränderungen und regionaler bzw. lokaler Umweltdynamik sind in dem untersuchten Bohrkern archiviert.

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Eiskeilvolumen in Ablagerungen des Yedoma und von Thermokarst-Senken

M. Ulrich, G. Grosse, J. Strauss, and L. Schirrmeister

Permafrost and Periglacial Processes, 25(3), 151-161. doi:10.1002/ppp.1810

Kurzfassung: Das Volumen von Eiskeilen ist ein wichtiger Faktor um die Veränderungen von eisreichen Permafrostlandschaften durch Tauen abzuschätzen als auch die Menge von im tiefen Permafrost gespeicherten organischen Kohlenstoff genauer zu bestimmen. Hier präsentieren wir eine Methode mit der das Eikeilvolumen in Ablagerungen des Yedoma als auch von Thermokarstsenken in verschiedenen Untersuchungsgebieten in Sibirien und Alaska bestimmt werden kann. Dazu wurden Eiskeilpolygone und Thermokarsthügel mit hochauflösenden Satellitenbildern (0.5 m/pixel)  kartiert. In einem weiteren Schritt wurden in einem Geographischen Informations-System (GIS) aus diesen Daten automatische Thiessen-Polygone erstellt, um die vollständigen Eiskeilnetzwerke zu rekonstruieren. Diese wurden im Anschluss mit Felddaten verknüpft, um drei-dimensionale Eiskeilmodelle in den Ablagerungen zu erstellen. Unsere Ergebnisse weisen auf deutliche Variationen im Eiskeilvolumen zwischen den Untersuchungsgebieten und zwischen einzelen Geländeienheiten hin.  Unseren Berchnungen zufolge liegen maximale Eiskeilvolumen für Yedoma zwischen 31.4 bis 63.2 Volumen-% und zwischen 6.6 bis 13.2 Volumen-% für Thermokarst Ablagerungen.

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Der zirkumpolare Permafrost-Kohlenstoffspeicher

Karte des berechneten Kohlenstoffreservoirs von 0 bis 3m Tiefe

G. Hugelius, J. Strauss, S. Zubrzycki, J. W. Harden, E. A. G. Schuur, C.-L. Ping, L. Schirrmeister, G. Grosse, G. J. Michaelson, C. D. Koven, J. A. O’Donnell, B. Elberling, U. Mishra, P. Camill, Z. Yu, J. Palmtag, and P. Kuhry

Biogeosciences, 11, 6573-6593. doi:10.5194/bg-11-6573-2014

Kurzfassung: Diese Studie zeigt eine aktualisierte Schätzung des organischen Kohlenstoffs, welcher in Böden (0 bis 3 m Tiefe) und tieferen Ablagerungen der Flussdelta und Yedomaablagerungen der nördlichen Permafrostregion gespeichert ist. Es wurde gezeigt, dass die Datenverfügbarkeit für einige dieser Regionen sehr begrenzt ist. Die Gesamtkalkulation ergibt, dass in der nördlichen Permafrostregion ~1300 Pg organischer Kohlenstoff gespeichert ist, mit einem Unsicherheitsbereich von 1100 bis 1500 Pg. Rund 800 Pg organischer Kohlenstoff sind im Dauerfrost eingeschlossen, was der Konzentration an Kohlenstoff der heutigen Erdatmosphäre entspricht.

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Alle Publikationen (ePIC)

Alle Publikationen und Konferenzbeiträge aus dem Jahr 2015 sind hier zu finden.

Alle Publikationen und Konferenzbeiträge von PETA-CARB-Mitgliedern aus dem Jahr 2014 sind hier zu finden.

 

 

 

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