Permafrost - Eine Einführung

Seit Jahrzehnten erwärmen sich in den hohen Breiten große Areale mit gefrorenem Boden– dem so genannten Permafrost. Taut dieser Permafrost, der auch als Dauerfrost bezeichnet wird, könnten große Mengen Treibhausgas in die Atmosphäre gelangen und die globale Erwärmung verstärken. Tauender Dauerfrostboden hat somit nicht nur lokale Auswirkungen, sondern betrifft das Klima und so auch Menschen weltweit. Zahlreiche Wechselwirkungen des Permafrostbodens mit der Umgebung erschweren allerdings die wissenschaftliche Aufgabe, die Gefahr realistisch einzuschätzen. Darum führen Wissenschaftler am Alfred-Wegener-Institut jedes Jahr Expeditionen in die Polarregionen durch, um die vielseitigen Prozesse im Permafrost zu verstehen und den zukünftigen Zerfall einschätzen zu können.

Typische Permafrost-Landschaft (Foto: Anna Konopczak)

Was ist Permafrost?

Von Permafrost oder Dauerfrostboden sprechen Forscher, sobald die Temperatur des Bodens in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Jahren unter null Grad Celsius liegt. Der Untergrund kann dabei aus Gestein, Sedimenten oder Erde bestehen und unterschiedlich große Eismengen enthalten. In der Arktis gibt es Gebiete, in denen 70 Prozent des Untergrundes aus Eis bestehen – beispielsweise im nordöstlichen Sibirien. Dort gab es während der Eiszeit vor 100.000 bis 10.000 Jahren besonders kalte und lange Winter. Gleichzeitig wurde der Boden dort nicht von einem Eisschild geschützt, so dass kalte Luft tief in den Boden eindringen konnte. Bis circa 1,6 Kilometer reicht der Dauerfrost in dieser Region heute ins Erdinnere.

Die meisten Permafrost-Landschaften sind an der typischen Musterung ihrer Oberfläche zu erkennen, zum Beispiel durch so genannte polygonale Netzstrukturen, die sich durch wiederholtes Gefrieren im Winter bilden. Die extrem kalten Wintertemperaturen der Arktis führen dazu, dass sich der gefrorene Boden über die Landschaftsoberfläche hinweg zusammenzieht. Hierdurch entsteht ein regelmäßiges Muster von Rissen, ganz ähnlich wie Bodenrisse nach einer Dürre. Während der Schneeschmelze im Frühjahr werden diese zentimeterweiten und metertiefen Risse mit Wasser gefüllt. Aufgrund der Kälte des Bodens gefriert dieses Wasser gleich wieder, wodurch sich vertikale Eisvenen bilden, die über Jahrzehnte und Jahrtausende zu Eiskeilen heranwachsen und an der Oberfläche die typischen Polygonmuster entstehen lassen.

Permafroststrukturen in der kanadischen Arktis
An Abbruchkanten liegen die Schichten des Permafrosts blank. (Foto: Michael Fritz)

Wie ist ein Permafrostboden aufgebaut?

Ein typischer Boden in einer Permafrostregion besteht aus zwei Schichten: einer so genannten aktiven und einer gefrorenen Schicht. Die aktive obere Schicht taut jeden Sommer um circa 15 bis 100 Zentimeter auf. In dieser dünnen Schicht spielt sich der Großteil der biologischen und biochemischen Aktivität in arktischen Böden ab. Wissenschaftler messen regelmäßig die Temperatur dieser aktiven Schicht sowie der darunterliegenden gefrorenen Bodenschicht, um die Grenze – die Auftautiefe – zwischen den beiden Schichten zu bestimmen. Ihre Messergebnisse veröffentlichen sie in einer globalen Datenbank, dem Global Terrestrial Network for Permafrost (www.gtnp.org). Während die Auftautiefe Aufschluss über kurzfristige Klimaschwankungen gibt, zeigen die Permafrost-Temperaturen der unteren Schichten längerfristige Klimaveränderungen. So lässt sich die Auswirkung der globalen Klimaerwärmung auf die Polargebiete und Bergregionen messen.

Karte über die Permafrostgebiete auf der Nordhalbkugel
Karte über die Permafrostgebiete auf der Nordhalbkugel (Foto: GTN-P)

Wo gibt es Permafrostböden?

Permafrost tritt viel häufiger auf, als allgemein vermutet wird – circa ein Viertel der Landfläche auf der Nordhalbkugel sind Permafrostböden. Der Großteil dieser Böden findet sich in den Polarregionen, aber auch in hohen Gebirgen. So gibt es sogar in Deutschland alpinen Permafrost, nämlich auf der Zugspitze. Dabei unterscheiden Wissenschaftler – je nach Flächenausdehnung – zwischen kontinuierlichem Permafrost in kalten Gebieten, in denen mindestens 90 Prozent einer Region Permafrostböden sind und diskontinuierlichem und sporadischem Permafrost in wärmeren Gebieten, in denen zwischen zehn und 90 Prozent des Bodens dauerhaft gefroren sind.

Tauender Permafrost
Tauender Permafrost (Foto: Britta Oppermann)

Was passiert, wenn Permafrost taut?

Wie in einer gigantischen Tiefkühltruhe sind im Permafrost riesige Mengen abgestorbener Pflanzenreste gespeichert. Im Gegensatz zu tropischen oder gemäßigten Klimazonen kann diese organische Materie im gefrorenen Boden nicht durch Mikroben abgebaut werden, da Bakterien erst aktiv werden, wenn der Permafrost taut. Doch wenn sich das Klima weiter erwärmt – die Tür zur Tiefkühltruhe sozusagen aufgestoßen wird –, beginnt das Zersetzen des organischen Materials. Dadurch gelangt der Kohlenstoff, der in den Pflanzenresten gespeichert war, als Treibhausgas in die Atmosphäre. Das führt zur weiteren Erwärmung des Klimas. Diese Rückkopplung würde sich folglich auf das gesamte globale Klimasystem auswirken.

Darüberhinaus kann das Tauen von Bodeneis in Regionen mit eisreichem Permafrost  drastische Konsequenzen für arktische Landschaften und besiedelte Gebiete haben, weil das Schmelzen des unregelmäßig verteilten Eises zu ungleichmäßigem Absinken der Landoberfläche führt. Die Folge: Straßen, Eisenbahnschienen, Landebahnen, Gebäude und Öl- und Gas-Pipelines können beschädigt werden.

Die physische und biochemische Entwicklung des Permafrosts zu prognostizieren gilt allerdings als eine äußerst komplexe Aufgabe. Viele Oberflächeneigenschaften ändern sich gleichzeitig, wie zum Beispiel die Schneedecke und die Vegetation. Dadurch kommt es zu vielfältigen und oft gegenläufigen Effekten. Außerdem greift der Mensch zunehmend in die Landschaftsentwicklung ein. Vorhersagen sind darum immer noch mit großen Unsicherheiten behaftet. Studien zu vergangenen Klimaveränderungen wie zu jener Wärmeperiode, die unmittelbar nach der letzten Eiszeit folgte und in welcher die Arktis sich sehr schnell erwärmte, haben jedoch gezeigt, dass Permafrost dramatisch von steigenden Temperaturen beeinflusst wird. Schlussendlich könnte der Dauerfrostboden unter Umständen gar nicht so dauerhaft sein.

Erdrutsch an einer Permafrostküste
Erdrutsch an einer Permafrostküste (Foto: Britta Oppermann)

Wie empfindlich ist der Permafrost?

In den letzten Jahrzehnten hat sich nicht nur die Atmosphäre erwärmt. Auch die Temperatur der oberen Schichten des Permafrosts ist in einigen Gebieten um etwa zwei Grad Celsius gestiegen. Die Grenze des kontinuierlichen Permafrostes verläuft so weiter nördlich. Dass der Permafrost vielerorts taut und zerfällt, belegen unter anderen Messungen in Bohrlöchern, die in der globalen Permafrost-Datenbank GTN-P veröffentlicht werden (gtnp.org)..

Wie lang der Permafrost noch stabil bleibt, hängt außerdem von der Bodentemperatur ab. Weitere Einflussfaktoren sind die Energiebilanz an der Oberfläche, die Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Bodens, die Vegetation, die Schneebedeckung und die Anwesenheit von Seen und Flüssen sowie das Grundwasser in der Umgebung.

Sibirien beheimatet heute den Permafrost mit der größten Ausdehnung, Dicke und durchschnittlichen Kälte – mit einer Jahresmitteltemperatur von rund minus zehn Grad Celsius. Der kälteste Boden befindet sich allerdings im nördlichsten Kanada. Dort liegt die Jahresmitteltemperatur bei minus 15 Grad Celsius. Vergleichsweise warm ist der Permafrost auf Spitzbergen mit einer Durchschnittstemperatur von minus zwei Grad Celsius. Die Mitteltemperaturen werden in einer Tiefe bestimmt, in der die jahreszeitlichen Schwankungen nicht mehr spürbar sind.

(Boris Biskaborn)