Permafrost ist ein wichtiges Puzzleteil im komplexen Ökosystem der Arktis: Er speichert große Mengen Kohlenstoff über lange Zeiträume und bietet festen, stabilen Grund. Schmilzt das Eis, sackt der Boden ab und es entsteht eine Senke, in der sich das Schmelzwasser sammeln und über viele Jahre zu einem See anwachsen kann. Diese Thermokarstseen beschleunigen den Abbau von Permafrost, sind aber gleichzeitig eine wichtige Lebensgrundlage für die Menschen vor Ort. Forschende des Alfred-Wegener-Instituts haben mit technischer Unterstützung nordamerikanischer Partner die Datenbank „Lost Lakes“ aufgebaut, die wichtige Informationen über den Zustand von Thermokarstseen der Arktis in Echtzeit sowie über längere Zeiträume hinweg bereitstellt. Das ermöglicht es, Veränderungen in den Permafrostlandschaften zu erkennen, sobald sie passieren, und unterstützt die Gemeinden vor Ort dabei, frühzeitig darauf zu reagieren.
Thermokarstseen sind typische, äußerst dynamische Elemente in den eher flachen arktischen und subarktischen Permafrostgebieten: Sie entstehen, wenn eisreicher Permafrost taut, treiben selbst dann das weitere Auftauen voran und machen dadurch den einst im Permafrost gefrorenen Kohlenstoff für Mikroben zugänglich, die ihn in Treibhausgase wie CO2 und Methan umwandeln. Die stärker werdende globale Erwärmung taut aber auch den Permafrost immer tiefer auf, sodass ganze Seen plötzlich innerhalb weniger Stunden verschwinden können, wenn der Boden unter ihnen oder das Ufer instabil wird und das Wasser sich seinen Weg bahnt. Von ihrem Entstehen über ihr weiteres Wachstum bis zu ihrem Verschwinden verändern sie sich über Zeiträume von Jahrzehnten bis Jahrtausenden.
In der Arktis gibt es Millionen solcher Thermokarstseen. „Für die lokalen Gemeinden sind sie von großer Bedeutung, denn oft sind sie die einzige Quelle für Trinkwasser“, sagt Dr. Ingmar Nitze vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Potsdam. Der Permafrostforscher hat mit technischer Unterstützung der Projektpartner die Plattform „Lost Lakes“ entwickelt, die mithilfe von Kartenansichten, Zeitreihendiagrammen und Satellitenvorschauen den Wasserstand von etwa 4 Millionen arktischen Seen in Echtzeit aufzeigt – und damit die Seen erkennt, die gerade verschwinden. Dies ist nicht nur wissenschaftlich von Interesse. Denn wenn Seen ganz plötzlich auslaufen, gefährdet das die Trinkwasserversorgung arktischer Gemeinden, die in Permafrostgebieten ohnehin schon angespannt ist: Der teils mehrere hundert Meter dick gefrorene Boden verhindert, dass Grundwasser einfach verfügbar ist, und zusätzlich können Oberflächengewässer durch Schadstoffe, Bakterien und Industriealtlasten schwer belastet sein.
„Die Menschen vor Ort, die viel Zeit in dieser Landschaft verbringen, nehmen deren ständigen Wandel meist zuerst wahr“, so Ingmar Nitze. Mit Lost Lakes stehen ihnen nun auch wissenschaftliche Echtzeit-Daten zur Verfügung, die diese persönlichen Wahrnehmungen unterstützen, helfen die weitere Umgebung zu beobachten und eventuell auch nötige Handlungsoptionen besser planen zu können. „Um den Zugang zu erleichtern, haben wir ein interaktives Dashboard aufgebaut. Mit dieser digitalen Übersicht können Nutzerinnen und Nutzer räumliche Muster, langfristige Trends und aktuelle Satellitenbilder für die Seen in ihrer Region oder anderen Gebieten untersuchen.“
Lost Lakes zeigt, wie sich Seen in der Arktis seit 2016 deutlich verändert haben
Die Plattform zeigt Daten von rund 4 Millionen Seen in nahezu Echtzeit aber auch, wie sie sich seit 2016 entwickelt haben. Seit 2016 haben knapp 10.000 Seen eine beträchtliche Fläche verloren oder sind ganz verschwunden. Dabei gibt es starke Schwankungen zwischen den Jahreszeiten. Die meisten entleeren sich plötzlich kurz nach der Schneeschmelze und bis zum Hochsommer zwischen Juni und Anfang August. Vor allem warme Temperaturen und schneereiche Winter machen den Permafrostboden instabil und durch das überschüssige Schmelzwasser können an den Seeufern seitliche Durchbrüche entstehen, durch die das gesamte Wasser plötzlich abläuft und ein vielleicht seit Jahrhunderten existierender See verschwindet. Vor allem in den Sommern 2018, 2020 und 2022 sind außergewöhnlich viele Seen verschwunden sind. Die wurde teils durch extrem warme und schneereiche Winter davor begünstigt, welche den Boden für ein tieferes sommerliches Auftauen und dann seitliches Auslaufen von Seen später im Sommer vorbereiten.
Auch regional gibt es teilweise sehr große Unterschiede, weil die Seendynamik sehr stark von Faktoren wie Klima, Untergrund oder die Beschaffenheit des Permafrostes abhängt. „Wir haben ein Untersuchungsgebiet in West-Alaska, die Seward Halbinsel, das sehr stark betroffen ist und in dem in den letzten knapp 20 Jahren viele der größten Seen verschwunden sind,“ sagt Ingmar Nitze. So sind beispielsweise im Winter 2017/2018 insgesamt 192 Seen vollständig oder teilweise ausgelaufen – fast doppelt so viele wie in den bisherigen Rekordjahren 2005 und 2006. „Der Nordwesten Alaskas ist stark von sich verändernden Klimamustern betroffen, wobei in den letzten Jahren neue Höchstwerte bei Temperaturen und Niederschlägen verzeichnet wurden. Auch in diesem Jahr haben wir schon ein paar auffällige Seen beobachtet, die gerade dabei sind zu verschwinden.“
Um zuverlässige Aussagen anhand von Satellitenbildern machen zu können, ob ein Thermokarstsee wirklich ausläuft, haben die AWI-Forschenden einen aus Satellitendaten berechneten Werte-Index erstellt, mit dem sie Beobachtungen entsprechend einordnen können. So ist es zum Beispiel sehr wahrscheinlich, dass ein See Wasser verliert, wenn er auf den Satellitenbildern deutlich kleiner ist als erwartet, oder wenn seine Ausdehnung unter das absolute Minimum seit 2017 fällt. „Zusätzlich zur Wasserfläche haben wir die multispektralen Satellitenbilder auch so ausgewertet, dass wir Aussagen zum Oberflächenwasser, zur Schnee- und Eisbedeckung, zu unbedeckten Böden und zur Vegetation machen können“, erklärt Ingmar Nitze. „Mit LostLakes können wir für jeden See in der arktischen Permafrostregion automatisiert und in nahezu Echtzeit erkennen, ob plötzliche oder graduell anhaltende Wasserverluste nur temporäre Anomalien sind oder tatsächlich das dauerhafte Ende eines Sees eingeleitet wurde.“
Permafrost Discovery Gateway und PeTCaT
Die Entwicklung von „Lost Lakes“ ist Teil des „Permafrost Discovery Gateway“ und die laufenden sowie zukünftigen Analysen werden als Teil des Projekts „PeTCaT“ weitergeführt.
Das „Permafrost Discovery Gateway“ (PDG) ist eine frei zugängliche Online-Plattform, die Informationen über die Permafrostbedingungen in der gesamten Arktis zur Verfügung stellt. Sie stellt große räumliche Datensätze und Arbeitswerkzeuge zur Verfügung, die die Menschen vor Ort, Forschende und die breite Öffentlichkeit frei und in einfacher Weise nutzen können. Seit 2023 arbeitet eine internationale Gruppe von Expertinnen und Experten unter Beteiligung des AWI daran, ein KI-System für das PDG zu entwickeln, mit dem das Auftauen des arktischen Permafrosts noch schneller und effektiver untersucht werden kann. „Lost Lakes“ ist Teil dieses Projekts, das von Google.org mit 5 Millionen US-Dollar gefördert wird.
Das AWI leitet mit seiner Expertise in der Permafrostforschung in das Projekt „Rapid Permafrost Thaw Carbon Trajectories“ (PeTCaT) ein. Ziel ist, die Wissenslücken um schnelle Tauprozesse zu schließen und einen neuartigen Datensatz als Grundlage für Projektionen aufzubauen, um möglichen Entwicklungen und Einflüsse von Treibhausgasen aus tauendem Permafrost zu zeigen. Das AWI arbeitet hierfür mit Forschenden aus Deutschland, den USA, Kanada, den Niederlanden und Schweden zusammen. Gefördert wird das Projekt mit 10 Millionen US-Dollar von der gemeinnützigen Organisation Schmidt Sciences.
Weitere Informationen
Plattform „LostLakes“
https://lostlakes.arcticdata.io/
Permafrost Discovery Gateway
https://arcticdata.io/catalog/portals/permafrost/Imagery-Viewer
Rapid Permafrost Thaw Carbon Trajectories (PeTCaT)
https://www.petcat.earth/
Artikel zur Plattform in „The Conversation“ (auf Englisch)
https://theconversation.com/disappearing-lakes-and-ai-are-helping-scientists-map-arctic-permafrost-thaw-in-near-real-time-290238
