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Warum die Erde nicht auftauen darf

von Nadja Kuhl

Aktuell studiere ich Geoökologie im Master an der Universität Potsdam. In meiner Masterarbeit, die ich am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Potsdam schreibe, beschäftige ich mich, ganz grob gesagt, mit Permafrostböden. Unter anderem deswegen folgt nun: Warum die Erde nicht auftauen darf.

In meinem Blogartikel möchte ich euch auf die große Bedeutung von Permafrostböden aufmerksam machen, gerade auch im Kontext der globalen Erwärmung. Häufig werden das Abschmelzen der Gletscher und der resultierende Meeresspiegelanstieg in den Vordergrund gestellt, sobald es um den Klimawandel geht. Aber auch Permafrostböden spielen eine große Rolle im Erderwärmungsprozess. Warum der dauerhaft gefrorene Boden im Kontext der globalen Erwärmung bedeutend ist, möchte ich euch im Folgenden zeigen.

Was ist eigentlich Permafrost?

Verbreitung von Permafrost auf der Nordhalbkugel (Quelle: Brown, J., O.J. Ferrians, Jr., J.A. Heginbottom, and E.S. Melnikov. 1998, revised February 2001. Circum-arctic map of permafrost and ground ice conditions. Boulder, CO: National Snow and Ice Data Center/World Data Center for Glaciology - Bild: gemeinfrei)

Verbreitung von Permafrost auf der Nordhalbkugel (Quelle: Brown, J., O.J. Ferrians, Jr., J.A. Heginbottom, and E.S. Melnikov. 1998, revised February 2001. Circum-arctic map of permafrost and ground ice conditions. Boulder, CO: National Snow and Ice Data Center/World Data Center for Glaciology – Bild: gemeinfrei)

Als Permafrostboden wird ein Boden bezeichnet, wenn seine Temperatur für mindestens zwei aufeinanderfolgende Jahre 0 °C oder kleiner beträgt. 24 % der Fläche der Nordhalbkugel sind von Permafrost bedeckt (siehe dazu auch die Abbildung 1). Dem Großteil von Sibirien und weite Teile von Kanada unterliegt Permafrost, er ist allerdings auch in Hochgebirgsregionen zu finden (z. B. in den Alpen und im Himalaya-Gebirge).
Mit Beginn des Sommers, wenn die Oberflächentemperatur ansteigt, taut die oberste Schicht des Permafrosts an. Diese Auftauschicht (auch active layer oder Mollisol genannt) kann je nach Temperaturen unterschiedliche Mächtigkeiten aufweisen und erfordert in besiedelten Gebieten besondere Anpassung. Aber das ist eine andere Geschichte. Mit Einsetzen kälterer Temperaturen gefriert der Boden dann wieder.
In Sibirien kann die Mächtigkeit des dauerhaft gefrorenen Bodens mehrere hundert Meter betragen, es wurden allerdings auch schon Tiefen von 1500 Metern gemessen. Man kann sich vorstellen, dass es Jahrtausende dauert, bis ein Permafrostboden so eine enorme Mächtigkeit erlangt; und es braucht ebenso Jahrtausende, bis er unter Erwärmung wieder auftaut. Da stellt sich die Frage: Warum ist das Auftauen des Permafrosts eigentlich so schlimm?

Warum ist Permafrost relevant?

Aufgrund der polaren Verstärkung (engl. Polar Amplification) erfolgt die Erwärmung an den Polen deutlich schneller als auf globaler Skala (Hauptgrund dafür sind verändertes Strahlungsverhalten und höhere Albedo). Dadurch taut der Boden in den Sommermonaten deutlich tiefer auf. Permafrostböden sind enorme Kohlenstoffspeicher, die größten Mengen befinden sich in der Auftauschicht der Böden. Aktuell wird angenommen, dass sich im Permafrost 1300 bis 1600 Gigatonnen Kohlenstoff befinden (als Vergleich: die gesamte Erdatmosphäre enthält circa 800 Gigatonnen an Kohlenstoff). Dieser stammt von Pflanzen- und Tierresten, die über Jahrtausende abgelagert wurden. Durch die globale Erwärmung tauen die Permafrostböden auf und Mikroorganismen und Bakterien werden aktiv. Die Zersetzung der eingelagerten Tier- und Pflanzenreste hat eine Freisetzung von Kohlenstoffdioxid und Methan zur Folge – bekanntlich zwei der wichtigsten Treibhausgase. Diese fördern nun die weitere Erhöhung der Temperaturen und tragen somit zum weiteren Auftauen des Permafrost bei. Diesen Kreislauf nennt man einen sich selbst verstärkenden Effekt oder auch Permafrost-Kohlenstoff-Rückkopplung:

Rückkopplungseffekt von Kohlenstoff im Permafrost (eigene Darstellung, https://www.awi.de/forschung/nachwuchsgruppen/peta-carb/kohlenstoff.htmlnach Strauss, J. 2015)

Rückkopplungseffekt von Kohlenstoff im Permafrost (eigene Darstellung, nach Strauss, J. 2015)

Und genau dieser Effekt kann enorme Auswirkungen auf die Erwärmung weltweit haben. Modellierungen haben ergeben, dass das Auftauen von Permafrost unter anhaltender Erwärmung einen Temperaturanstieg von 0,29 °C bis zum Jahr 2100 zur Folge hat (bis 2300 von 0,4 °C). Aktuell wird davon ausgegangen, dass es sich global bis zum Ende des Jahrhunderts um 1,8 (± 1,1-2,9) bis 4,0 (± 2,4-6,4) °C erwärmt. Bei diesen Werten klingt der Beitrag zum Temperaturanstieg durch Permafrost nicht viel, aber das Zusammenspiel der einzelnen Erwärmungsfaktoren kann Auswirkungen haben, die heute noch nicht bekannt sind. Auch der eben beschriebene Rückkopplungseffekt kann dafür sorgen, dass der Einfluss vom tauenden Permafrost größer ist, als es bisher angenommen wird.
Was wir bei all dem nicht vergessen dürfen ist, dass es sich hierbei nur um Modellierungen handelt! Diese können vielen Unsicherheiten unterliegen und häufig nicht alle Faktoren berücksichtigen, die zur Änderung beitragen.

Permafrost ist nur ein einziger Faktor, der zum globalen Temperaturanstieg beiträgt. Der dauerhaft gefrorene Boden ist ein riesiges Forschungsfeld, ich habe hier lediglich einen winzig kleinen Teil abdecken können. Wer weiteres Interesse daran hat, dem empfehle ich wärmstens, sich auf dieser Internetseite mal umzuschauen.

genutzte Quellen:

Alfred-Wegener-Institut (2015): Kohlenstoff im Permafrost. (URL: https://www.awi.de/forschung/nachwuchsgruppen/peta-carb/kohlenstoff.html)

Alfred-Wegener-Institut (2017): Permafrost. (URL: https://www.awi.de/im-fokus/permafrost.html)

Ehlers, J. (2011): Das Eiszeitalter. 1. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag. Heidelberg.

IPCC (2007): Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assess-ment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. IPCC. Genf.

Umweltbundesamt (2013): Zu erwartende Klimaänderungen bis 2100. (URL: https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/klimawandel/zu-erwartende-klimaaenderungen-bis-2100)

Vaughan, D.G., J.C. Comiso, I. Allison, J. Carrasco, G. Kaser, R. Kwok, P. Mote, T. Murray, F. Paul, J. Ren, E. Rignot, O. Solomina, K. Steffen and T. Zhang (2013): Observations: Cryosphere. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

Kommentare (23)

  1. […] am 11.09.2017: Link zum Artikel […]

  2. #2 schlappohr
    11. September 2017

    Interessanter Artikel. Da wird einem Angst und Bange.

    Eine Frage: Warum enthält der Permafrostboden so viele organische Verbindungen, bzw. warum wurden sie nicht schon vor der Entstehung des Permafrosts abgebaut? Wenn das Durchfrieren des Bodens Jahrtausende dauert, dann war doch viel Zeit, um das organische Material zu zersetzen. Oder kam der Kälteeinbruch so plötzlich und heftig? Oder ist das organische Material dort abgelagert worden, während der Permaforst schon existierte? Aber wenn dort in der Kälte Pflanzen/Tiere wachsen und absterben, warum werden dann die Reste nicht auch von Bakterien zersetzt?

  3. #3 Wizzy
    11. September 2017

    Danke für den sehr schönen Überblick über das Thema Permafrost!

    Derzeit neigt die Forschung dazu, das Auftauen von gefrorenen Kohlenstoffreserven als eher geringes Risiko einzuschätzen (wie Du ja auch darstellst). Es stellt aber einen guten Grund dar, die globale Temperatur möglichst wenig steigen zu lassen (2°C). Wobei ich zur Einordnung noch erwähnen möchte, dass die Methan-Clathrat- (auch genannt Hydrat)-Vorkommen noch einmal so hoch, mit größerer Unsicherheit in der Menge, eingeschätzt werden wie die Permafrost-Vorkommen. In beiden Fällen wird es eine sehr große Rolle spielen, wieviel davon als Methan und wieviel biologisch prozessiert als CO2 in die Atmosphäre gelangen wird.

    Kurzer Einschub zu “höhere Albedo”: Das ist missverständlich, das Tauen sorgt für eine niedrigere Albedo im Vergleich zu vorher. Natürlich funktioniert das nur in Regionen mit zuvor zeitlich gemittelt hoher Albedo. Dieser Zusammenhang geht aus Deinem Text aber nicht ganz eindeutig hervor.

    Das soll aber mein gutes Artikel-Gesamtbild in keiner Weise trüben. : )

  4. #4 jeetboy
    11. September 2017

    Sehr interessant, gerne hätte es ein längerer Artikel werden können.

    Besonders toll finde ich die detaillierte Quellenangabe.

  5. #5 RPGNo1
    11. September 2017

    Kurz und knapp und informativ. EIn guter Start zum Beginn des Wettbewerbs.

  6. #6 Crazee
    11. September 2017

    Wirklich ein guter Start.

    Zu diesem Thema gibt es auch eine gute Resonator-Podcast-Folge von Holgi und Herrn Grosse vom AWI in Potsdam 😉

  7. #7 Stephan
    11. September 2017

    ehämm…. die Erwärmung erfolgt an den Polen schneller, weil diese eine erhöhte Albedo haben ? Wie ist hier die Kausalkette ?
    Wie und wann gelangte das organische Material in den Permafrostboden ? Wie sind die entsprechenden Schichtdicken und wo, in welcher Tiefe, befinden sie sich ? Wie groß ist die Geschwindigkeiten in Abhängigkeit von der globalen Durchschnittstemperatur, mit der das gespeicherte organische Material verwittert und als CH4 (oder CO2 ?) in die Atmosphäre gelangt (gelangen wird?) ?

  8. #8 tomtoo
    11. September 2017

    Ist wie so ein lecker Häppchen. Sieht gut aus. Riecht gut. Schmeckt lecker. Aber willst einfach mehr. ; )

  9. #9 Tina_HH
    11. September 2017

    Ich schließe mich an: Ein schöner Artikel zu einem interessanten Thema, der aber gerne noch etwas ausführlicher hätte sein dürfen.
    Z.B. wäre es schön gewesen, kurz zu erklären, warum genau sich die Pole schneller erwärmen.
    Und warum so gigantisch viel Kohlenstoff dort eingefroren ist, würde mich auch noch interessieren.

  10. #10 Alderamin
    11. September 2017

    @Stephan

    Nadja erwähnt die polare Verstärkung. Hab’ mal die deutsche und englische Wikipedia zu dem Begriff konsultiert und habe folgendes verstanden:

    – Zum Einen reflektieren Schnee und Eis bekanntlich mehr Licht zurück in den Weltraum, das den Boden gar nicht erst erwärmen kann, als nackter Fels oder die Meeresoberfläche; geht das Eis zurück, dann erwärmt sich die Erdoberfläche stärker, es wird lokal wärmer.

    – zZum Zweiten ist die Atmosphäre an den Polen weniger stark; die Grenzschicht zur Stratosphäre, die Tropopause, oberhalb der die Temperatur durch die Wärmeabsorption von Ozon wieder mit der Höhe steigt, liegt am Äquator bei 17-18 km, an den Polen nur 8 km hoch.

    – Zum Dritten sorgt das Stefan-Boltzmann-Strahlungsgesetz dafür, dass bei höherer Temperatur überschüssige Wärme effektiver abgestrahlt wird (die Abstrahlung steigt mit der vierten Potenz der Temperatur); wenn durch den Treibhauseffekt also die Isolation der Atmosphäre steigt, reicht am Äquator ein viel kleinerer Temperaturanstieg, um die zusätzlich aufgestaute Wärmemenge abzustrahlen, als an den Polen; am Ende muss ja wieder eingestrahlte Energie = abgestrahlte Energie gelten und wenn die Atmosphäre die Abstrahlung behindert, wird es so lange wärmer, bis das Gleichgewicht wieder hergestellt ist (ähnlich, als wenn man Kleidung trägt, unter der es so lange wärmer wird, bis der Wärmeverlust durch die Kleidung der Wärmerzeugung durch den Körper entspricht). Es braucht also am Äquator viel weniger wärmer zu werden, um die gleiche zusätzliche Wärmemenge los zu werden, als an den Polen, wo es kälter ist.

    Die Autorin mag mich korrigieren, wenn ich das nicht richtig oder unvollständig erklärt habe.

    Kurz zum Artikel: nett geschrieben, hätte durchaus länger sein dürfen und ein paar weiterführende Links (wie z.B. zur polaren Verstärkung) enthalten dürfen, aber ansonsten solide Arbeit, acuh in Bezug auf die Referenzen. Viel Erfolg bei der Masterarbeit!

  11. #11 Dampier
    11. September 2017

    Spannendes Thema. Den Artikel finde ich etwas trocken referiert, da hätte etwas mehr “Erzählen” gutgetan. Aber auf jeden Fall lesenswert :]

    In Sibirien kann die Mächtigkeit des dauerhaft gefrorenen Bodens mehrere hundert Meter betragen, es wurden allerdings auch schon Tiefen von 1500 Metern gemessen.

    So tief?! Klingt, als ob zumindest die Außenbereiche der Hölle durchaus zufrieren könnten …
    Auf dem Weg in die Tiefe muss das Eis ja auch noch gegen die steigende Temperatur ankommen (Ca. 3° pro 100m => 45°/1500m, kommt das hin?). Hätte nicht gedacht, dass das permanent(!) in solchen Tiefen gefrieren könnte. Ist das durch die Eiszeiten entstanden?

    Bei diesen Werten klingt der Beitrag zum Temperaturanstieg durch Permafrost nicht viel,

    Stimmt, hat mich auch gewundert. Das meiste, was man zu dem Thema liest, klingt viel apokalyptischer. Danke für diese unaufgeregte Einschätzung. Dafür lese ich Wissenschaftsblogs!

  12. #12 Dampier
    11. September 2017

    Wie genau ist “Boden” hier eigentlich definiert? Gilt das auch für Fels? (zB. Himalaya)

  13. #13 Stephan
    11. September 2017

    #11 Dampier
    bei mir ergibt sich nach Lesen dieses Beitrages der Effekt, daß ich schwer überlege, in Zukunft alle Nachrichten/Artikel usw. zum Permafrost zu ignorieren. Das würde Zeit, Kraft und Nerven sparen.

  14. #14 Saarländer
    Saarbrücken
    12. September 2017

    Der verfasste Artikel ist in seiner Information bindent und kurz gehalte.Was mir selbst sehr gut gefällt.

  15. #15 Cornelia S. Gliem
    12. September 2017

    Kurz knapp und klar, dabei auch noch erwähnt, wer und was man ist und mit dem Text vorhat. So soll Wissenschaft im Blog sein. Allerdings hoffe ich noch auf antworten auf einige der fragen hier im KommentarBereich, dann wirds exzellent.

  16. #16 Franz
    12. September 2017

    Nur stellt sich die Frage, ob dann nicht anstatt kahler Permafrostböden eine stärkere Vegetation auftritt, die dann wieder CO2 bindet.

  17. #17 Franz
    12. September 2017

    By the way, gut geschriebener Einstieg in die Thematik und ein extra Pluspunkt für die Quellen.

  18. #18 Nadja
    12. September 2017

    Vielen Dank erstmal für eure vielen Kommentare, Anregungen und euer Feedback! Die (kurze und knappe) wissenschaftliche Schreibweise ergibt sich einfach daraus, dass es für mich der erste Artikel dieser Art war. Ich hoffe, das könnt ihr mir verzeihen! :) Ich versuche jetzt mal, eure Fragen zu beantworten.

    @Alderamin vielen Dank für diese Erklärung, anders hätte ich es auch nicht dargestellt.

    @schlappohr, @Tina_HH
    In den Permafrostregionen ist es auch in den Sommermonaten relativ kalt (je nach Breitengrad natürlich). Es herrscht eine nasskalte Umgebung, die die biologische Abbaurate reduziert und somit wird in der Auftauphase mehr Humus gebildet als aufgebaut.Dadurch entstehen sehr mächtige Humusschichten, die den Kohlenstoff binden. Mit Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur “wandert” die Permafrostgrenze weiter nach Norden und dadurch wird, durch das Auftauen des Bodens, der ganze Kohlenstoff südlich dieser Grenze freigesetzt.
    Die ganze Organik ist innerhalb langer Zeit abgelagert worden. In Permafrostregionen taut der Boden häufig nur drei Monate im Jahr an, d.h. Vegetation wächst schnell, stirbt aber auch schnell wieder ab und wird im Boden abgelagert. Der Boden gefriert von oben nach unten, demnach wird die abgestorbene Vegetation quasi eingeschlossen (so stelle ich mir das vor). Ob es schon Ablagerungen gab, bevor sich der Permafrost gebildet hat, weiß ich leider auch nicht.

    @Dampier
    Mit der unteren Begrenzung des Permafrosts bin ich ehrlich gesagt auch noch etwas überfragt. Der von dir angesprochene geothermische Gradient kann von Region zu Region extrem schwanken. Ich nehme an, dass ein geringer Wärmefluss von unten für die große Mächtigkeit in Sibirien verantwortlich ist.
    Permafrost umfasst sowohl Mineralboden als auch Gestein.

    @Franz
    Grundsätzlich eine gute Überlegung. Für die erste Auftauphase stimmt das sogar, irgendwann übersteigt der Ausstoß der Treibhausgase die Fähigkeiten der Pflanzen, CO2 aufzunehmen.

    Ich hoffe, dass ich soweit erstmal alles beantworten konnte. Für weitere Fragen stehe ich euch natürlich auch weiterhin zur Verfügung!

  19. #19 UMa
    12. September 2017

    @Dampier: Der Permafrost in Tiefen von 1500 m wird eine Folge des Eiszeitalters sein. Es muss über hunderttausende von Jahren an der Oberfläche im Mittel sehr kalt gewesen sein, damit der Frost in solche Tiefen dringt.

  20. #20 Withold Ch.
    13. September 2017

    Hochaktuelles Thema, knapp zusammengefasst, gut geschrieben.

    Vor allem dieser Rückkopppelungseffekt, der mir so nicht bewusst war, hat es in sich.

    Da ich oft in den Schweizer Alpen unterwegs bin, hätte ich es natürlich besonders interessant gefunden, wenn die Autorin vertiefter auf die sich im Hochgebirge aktuell verändernden Verhältnisse und die daraus sich ergebenden Gefahren und Konsequenzen für Natur, Tier und Mensch eingegangen wäre (—> alpiner Permafrost).

    Hoffen wir dennoch, dass die Wissenschaftler/innen hier nicht bloss zu Protokollanten/innen einer auf lange Sicht unumkehrbaren Entwicklung werden, sondern auch gehört werden.

    Und, macht viel Sinn, dass der Wettbewerb mit diesem Beitrag eröffnet worden ist!

  21. #21 Jens Strauss
    14. September 2017

    Als Permafrostforscher freue mich sehr über das Interesse zum Thema.

    Neben der allgemeinverständlichen Animation zum Permafrost (verfügbar unter: https://www.youtube.com/watch?v=ND7TrKFm-eo&feature=youtu.be) haben wir für Interessierte weitere deutschsprachige Texten (mit wissenschaftlichem Fokus) veröffentlicht, was die vorhergehend aufgeworfenen Fragen beantworten könnte:

    Polarforschung 81 (1), 2011 (erschienen 2012)
    1. Permafrost – ein Vorwort (Permafrost – a preamble): Hubberten, H.-W., Schirrmeister, L., frei verfügbar unter: http://epic.awi.de/30342/1/Polarforschung_81-1_1-2.pdf

    2. Permafrost ein sensibles Klimaphänomen – Begriffe, Klassifikationen und Zusammenhänge (Permafrost a sensible climate phenomenon – terms, classifications, and relationships), von Schirrmeister, L., Siegert, C., Strauß, J. frei verfügbar unter: http://epic.awi.de/30343/1/Polarforschung_81-1_3-10.pdf

    3. Arktische Permafrostküsten und submariner Permafrost im Wandel (Arctic permafrost coasts and changing subsea permafrost), von Wetterich, S., Overduin, P., Lantuit, H., frei verfügbar unter: http://epic.awi.de/30344/1/Polarforschung_81-1_11-22.pdf

    4. Permafrost in den arktischen und subarktischen Tiefländern (Permafrost in arctic and subarctic lowlands), von Sachs, T., Langer, M., Schirrmeister, L., Thannheiser, D., frei verfügbar unter: http://epic.awi.de/30345/1/Polarforschung_81-1_23-32.pdf

    5. Böden im Permafrost der Arktis als Kohlenstoffsenke und Kohlenstoffquelle (Arctic permafrost soils as carbon sink and source), von Zubrzycki, S., Kutzbach, L., Pfeiffer, E.-M., frei verfügbar unter: http://epic.awi.de/30346/1/Polarforschung_81-1_33-46.pdf

    6. Eigenschaften des antarktischen Permafrostes (Characteristic of antarctic permafrost), von Schwamborn, G., Hauck, C., Zubrzycki, S., frei verfügbar unter: http://epic.awi.de/30347/1/Polarforschung_81-1_47-55.pdf

    7. Neue Forschungsansätze zur räumlichen und zeitlichen Dynamik des Gebirgspermafrostes und dessen Naturgefahrenpotentials (New approaches to study the spatial and tempral dynamics of mountain permafrost and its geohazard potential), von Krautblatter, M., Hauck, C., frei verfügbar unter: http://epic.awi.de/30348/1/Polarforschung_81-1_57-68.pdf

    8. Permafrost und Mensch (Permafrost and man), von Lantuit, H., Schirrmeister, L., frei verfügbar unter: http://epic.awi.de/30349/1/Polarforschung_81-1_69-75.pdf

  22. #22 Hoffmann
    15. September 2017

    Das Thema ist spannend und der Artikel ist flüssig geschrieben. Allerdings erscheint er mir etwas zu kurz geraten, so als würde ihm auf den letzten Zügen die Luft ausgehen. Irgendwie fehlt da noch die Pointe, um den Text abzurunden. Eigentlich schade, da der Auftakt sehr gut gelungen war.

  23. #23 Laie
    16. September 2017

    @Hoffmann
    Die Pointe ist der Titel:”Warum die Erde nicht auftauen darf”.

    Da sie auftauen wird, ist ja klar, wohin die Reise geht. Die Zeit so lange Leben noch einigermassen geht, und der Zeitpunkt, ab dem es ungemütlich wird. Dies wäre woran man gerne anknüpfen könnte. Es gibt hier kein Happy-End.