Exklusiv: Teile des arktischen Bodens gefrieren selbst im Winter nicht mehr

Neue Messdaten aus zwei Kontinenten ergaben, dass die oberen Bodenschichten stellenweise nicht mehr gefrieren. Dienstag, 21. August 2018

Von Craig Welch
Bilder Von Katie Orlinsky
In Duvanny Yar in Nordsibirien ist der Permafrostboden abgesackt. Neue Messdaten lassen vermuten, dass die obere Bodenschicht in manchen Teilen Russland und Alaskas das ganze Jahr über nicht mehr gefriert. Dieser Erdrutsch, der sich durch Erosion und die steigenden Temperaturen ständig weiterbewegt, ist eine wichtige Forschungsstätte für Wissenschaftler. Sie benutzen ihn exemplarisch, um die Vorgänge in CO2-haltigen Böden zu beobachten, die Jahrhundertelang gefroren waren und nun zu tauen beginnen.
In Duvanny Yar in Nordsibirien ist der Permafrostboden abgesackt. Neue Messdaten lassen vermuten, dass die obere Bodenschicht in manchen Teilen Russland und Alaskas das ganze Jahr über nicht mehr gefriert. Dieser Erdrutsch, der sich durch Erosion und die steigenden Temperaturen ständig weiterbewegt, ist eine wichtige Forschungsstätte für Wissenschaftler. Sie benutzen ihn exemplarisch, um die Vorgänge in CO2-haltigen Böden zu beobachten, die Jahrhundertelang gefroren waren und nun zu tauen beginnen.
bild Katie Orlinsky, National Geographic

Tscherski, Russland – Nikita Zimov brachte Studenten im Norden Sibiriens gerade die ökologische Feldforschung näher, als er über einen besorgniserregenden Hinweis darauf stolperte, dass der gefrorene Boden viel schneller als gedacht taut.

Genau wie sein Vater Sergey Zimov hat auch Nikita Zimov jahrelang eine Forschungsstation geleitet, die das sich rapide erwärmende Klima in Russlands Osten überwacht. Als die Studenten inmitten der moosbewachsenen Hügel und Lärchenwälder etwa 320 Kilometer nördlich der Polarkreisgrenze Bodenproben nahmen, ahnte Zimov, dass etwas nicht stimmte.

Sergey Zimov und seine Enkelinnen nehmen Permafrostmessungen in der Northeast Science Station am Kolyma vor. Zimov hat die Station im russischen Tscherski gegründet. Nur etwa eine Stunde entfernt befindet sich Zimovs Pleistozän-Park, ein ökologisches Experiment, das er zusammen mit seinem Sohn Nikita Zimov betreibt. Die beiden Wissenschaftler glauben, dass sie den Tauprozess des Permafrostbodens verlangsamen können, wenn sie das Ökosystem des Pleistozäns mit seinen weiten Grasflächen und großen Säugetieren nachstellen.
Sergey Zimov und seine Enkelinnen nehmen Permafrostmessungen in der Northeast Science Station am Kolyma vor. Zimov hat die Station im russischen Tscherski gegründet. Nur etwa eine Stunde entfernt befindet sich Zimovs Pleistozän-Park, ein ökologisches Experiment, das er zusammen mit seinem Sohn Nikita Zimov betreibt. Die beiden Wissenschaftler glauben, dass sie den Tauprozess des Permafrostbodens verlangsamen können, wenn sie das Ökosystem des Pleistozäns mit seinen weiten Grasflächen und großen Säugetieren nachstellen.
bild Katie Orlinsky, National Geographic

Im April entsandte er ein Team aus Arbeitern mit großen Bohrern, um sicherzugehen. Sie bohrten einige Meter tief in den Boden hinein und stießen auf dicken, halbgefrorenen Schlamm. Zimov glaubte eigentlich, dass das gar nicht möglich sei. Seine 3.000 Einwohner starke Heimatstadt Tscherski am Fluss Kolyma ist einer der kältesten Orte der Erde. Selbst im Spätfrühling hätte der Boden unterhalb der Oberfläche noch gefroren sein sollen.

In diesem Jahr war dem aber nicht so.

In der gesamten Arktis gefrieren in jedem Winter die oberen Zentimeter an Boden und pflanzlicher Materie, bevor sie im Frühling wieder tauen. Jenseits dieser aktiven Bodenschicht erstreckt sich stellenweise bis zu 1.500 Meter tief der Permafrostboden, der seit Tausenden von Jahren durchweg gefroren ist.

Aber in einer Region, in der die Temperaturen auf -40 °C sinken können, hat der starke Schneefall den Zimovs zufolge in diesem Jahr wie eine Decke gewirkt, welche die Wärme im Boden hielt. In bis zu 75 Zentimetern Tiefe fanden sie Bereiche des Bodens, die den ganzen Winter über feucht und matschig geblieben waren, obwohl sie für gewöhnlich schon vor Weihnachten gefrieren. Zum ersten Mal seit Menschengedenken gefror der Boden, der den tiefen arktischen Permafrost isoliert, im Winter einfach nicht.

Durch den jährlichen Zyklus des Gefrierens und Tauens entstanden direkt unter der Oberfläche Polygone, die von oben sichtbar sind. Die Aufnahme wurde in der Nähe der Northeast Science Station in Tscherski gemacht.
Durch den jährlichen Zyklus des Gefrierens und Tauens entstanden direkt unter der Oberfläche Polygone, die von oben sichtbar sind. Die Aufnahme wurde in der Nähe der Northeast Science Station in Tscherski gemacht.
bild Katie Orlinsky, National Geographic

„Das ist wirklich verblüffend“, sagt Max Holmes, ein Wissenschaftler des Woods Hole Research Center in Massachusetts.

Die Entdeckung wurde bisher noch nicht von anderen Fachleuten geprüft oder veröffentlicht und basiert nur auf sehr begrenzten Daten von einem einzigen Ort in einem Jahr. Aber Messungen eines anderen Wissenschaftlers ganz in der Nähe und eines weiteren auf der anderen Seite des Ozeans scheinen die Befunde der Zimovs zu bestätigen. Einige Arktisforscher beschäftigen sich daher mit einer besorgniserregenden Frage: Könnte das Tauen des Permafrostbodens in einigen der kältesten und CO2-reichsten Regionen der Arktis schon Jahrzehnte früher beginnen als erwartet und damit Treibhausgase freisetzen, die den menschengemachten Klimawandel beschleunigen?

Nikita Zimov erzeugt Methanblasen in einem See, von dem vermutet wird, dass er sich aufgrund des tauenden Bodens ausdehnt.
Nikita Zimov erzeugt Methanblasen in einem See, von dem vermutet wird, dass er sich aufgrund des tauenden Bodens ausdehnt.
bild Katie Orlinsky, National Geographic

Schon drei der letzten vier Jahre haben den Rekord für das heißeste Jahr seit Beginn der Aufzeichnungen gebrochen – und 2018 befindet sich auf dem besten Weg, in ihre Fußstapfen zu treten. Auch die Pole erwärmen sich deutlich schneller: Manche Gebiete, die etwa 480 Kilometer nördlich des Polarkreises in Norwegen liegen, verzeichneten im Juli schon 32 °C. Sollten beträchtliche Mengen des Permafrostbodens frühzeitig tauen, würde das die Situation nur noch verschlimmern.

„Das ist eine große Sache“, sagt Ted Schuur, ein Permafrostexperte der Northern Arizona University. „In der Welt des Permafrosts ist das ein bedeutender Meilenstein und ein beunruhigender Trend – wie damals, als das Kohlendioxid in der Atmosphäre 400 ppm erreichte.“

Riesen-Steppenkerzen, Weidenröschen und Wollgräser sind im russischen Tscherski im Sommer allgegenwärtig. Die ganze Stadt wurde auf Permafrostboden erbaut. Die Gebäude wurden auf Betonpfeilern errichtet und ihre Rohre verlaufen überirdisch, um Veränderungen in der Landschaft durch den tauenden Permafrostboden standzuhalten.
Riesen-Steppenkerzen, Weidenröschen und Wollgräser sind im russischen Tscherski im Sommer allgegenwärtig. Die ganze Stadt wurde auf Permafrostboden erbaut. Die Gebäude wurden auf Betonpfeilern errichtet und ihre Rohre verlaufen überirdisch, um Veränderungen in der Landschaft durch den tauenden Permafrostboden standzuhalten.
bild Katie Orlinsky, National Geographic

ÜBERQUERUNG DER SCHWELLE

In fast einem Viertel der Landmasse in der nördlichen Hemisphäre findet sich Permafrostboden. In diesem gefrorenen Bereich ist mehr als doppelt so viel CO2 eingeschlossen wie sich derzeit in der Atmosphäre befindet.

Durch die Nutzung fossiler Brennstoffe erwärmt sich die Erde und der Boden taut, sodass Mikroben die darin enthaltene organische Materie zersetzen können. Dadurch werden Kohlendioxid und Methan freigesetzt – letzteres ist als Treibhausgas 25-mal wirksamer als CO2.

Schon mindestens seit den Siebzigern steigen die Temperaturen des Permafrostbodens in der gesamten Arktis so stark an, dass vielerorts kleine Bereiche bereits tauen. Der Großteil des ewig gefrorenen Bodens wird derzeit aber noch durch eine aktive Schicht isoliert, die weiterhin abwechselnd gefriert und taut.

Tau von Schmelzrückständen auf dem Tundragras nahe der Flussmündung des Kolyma in den Arktischen Ozean.
Tau von Schmelzrückständen auf dem Tundragras nahe der Flussmündung des Kolyma in den Arktischen Ozean.
bild Katie Orlinsky, National Geographic

Mittlerweile lassen sich aber Anzeichen dafür erkennen, dass der jährliche Zyklus des Überfrierens sich sehr schnell ändern kann.

Etwa 18 Kilometer flussabwärts von jenem Ort, an dem die Zimovs mit den Bohrungen begannen, verbringt Mathias Goeckede vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie jeden Sommer einige Wochen damit, auf maroden Bretterwegen den morastigen sibirischen Boden zu überqueren. Er misst den CO2-Austausch zwischen dem Boden und der Atmosphäre.

Seine Messungen zeigen, dass sich die Schneetiefe in den letzten fünf Jahren dort ungefähr verdoppelt hat. Wenn große Mengen Schnee auf dem Boden liegen, kann die Wärme unter der Oberfläche im Winter mitunter nicht entweichen. Die Messdaten aus einem vom Goeckedes Bohrlöchern scheinen dieses Phänomen zu bestätigen: In den letzten fünf Jahren sind die Temperaturen etwa 30 Zentimeter unterhalb der Oberfläche um mehrere Grad angestiegen.

Der Batagaika Megaslump in der Nähe der russischen Stadt Batagai wird manchmal auch als „Tor zur Unterwelt“ bezeichnet. Die etwa 100 Meter tiefe und 800 Meter lange Vertiefung zählt weltweit zu den größten ihrer Art. Wissenschaftler glauben, dass sie in den Sechzigern entstand, als die Wälder im Umkreis gerodet wurden und daraufhin der Permafrostboden taute.
Der Batagaika Megaslump in der Nähe der russischen Stadt Batagai wird manchmal auch als „Tor zur Unterwelt“ bezeichnet. Die etwa 100 Meter tiefe und 800 Meter lange Vertiefung zählt weltweit zu den größten ihrer Art. Wissenschaftler glauben, dass sie in den Sechzigern entstand, als die Wälder im Umkreis gerodet wurden und daraufhin der Permafrostboden taute.
bild Katie Orlinsky, National Geographic

„Das ist nur ein Ort und es sind nur fünf Jahre, daher sollte man das tatsächlich nur als Fallstudie betrachten“, sagt Goeckede. „Aber wenn man annimmt, dass es sich um einen Trend handelt oder so weitergehen könnte, dann ist das alarmierend.“

Tausende Kilometer entfernt beobachtete Vladimir Romanovsky etwas ähnliches. Romanovsky ist ein Permafrostexperte an der University of Alaska in Fairbanks und betreibt einige der wichtigsten Permafrost-Messstationen in Nordamerika. Deren ausführliche Aufzeichnungen reichen 25 Jahre zurück, in einigen Fällen sogar noch weiter.

„In allen Jahren vor 2014 fror die gesamte aktive Schicht etwa Mitte Januar zu“, sagt er. „Seit 2014 hat dich dieser Zeitpunkt jedoch auf Ende Februar oder gar in den März verschoben.“

Im vergangenen Winter fiel auch in Fairbanks extrem viel Schnee. Zum ersten Mal seit Beginn der Aufzeichnungen gefror die aktive Schicht an zwei von Romanovskys Messstationen daraufhin nicht.

„Das ist wirklich ein sehr wichtiger Schwellenwert.“

Am Rand des Batagaika Megaslump kann man einen Querschnitt des Permafrostbodens sehen.
Am Rand des Batagaika Megaslump kann man einen Querschnitt des Permafrostbodens sehen.
bild Katie Orlinsky, National Geographic

SEKPSIS ANGEBRACHT

Natürlich ist das Wetter der Arktis auch bekannt für seine Unbeständigkeit. Auf ein paar Jahre des heftigen Schneefalls in einigen Regionen könnten durchaus eine Reihe kalter, trockener Jahre folgen.

Einige Wissenschaftler betrachten die Arbeit der Zimovs auch eher mit gemischten Gefühlen, da sie nicht mit der Gründlichkeit durchgeführt wurde, an die viele westliche Forscher gewöhnt sind. Es gibt keine Temperaturdaten zu den Befunden, ebenso wenig wie Langzeitaufzeichnungen. Viele der untersuchten Stätten wurden außerdem durch menschliche Aktivität oder nicht heimische Tiere beeinflusst, was die Erwärmung des Bodens begünstigt.

„An ein paar Orten eine Handvoll Löcher zu graben, lässt sich kaum als gründliche Wissenschaft bezeichnen“, findet Matt Sturm, ein Wissenschaftler an der University of Alaska in Fairbanks, der sich auf Schnee spezialisiert hat.

Auch Charles Koven, ein Permafrostexperte am Lawrence Berkeley National Laboratory, sieht Grund zur Skepsis und wünscht sich weitere Forschung. „Ich weiß nicht, was ich darüber denken soll, wenn ich nicht mehr über die Geschichte dieser Orte erfahre“, sagt er. „Andererseits wollen wir natürlich auch keine Warnzeichen ignorieren, wenn es sie gibt.“

Der Wissenschaftler Sergey Zimov blickt bei seiner Forschungsstation nördlich von Tscherski auf den Akrtischen Ozean. Zimov nutzt die Metallstange in seiner Hand für einen Schnelltest der Gefriertiefe des Bodens.
Der Wissenschaftler Sergey Zimov blickt bei seiner Forschungsstation nördlich von Tscherski auf den Akrtischen Ozean. Zimov nutzt die Metallstange in seiner Hand für einen Schnelltest der Gefriertiefe des Bodens.
bild Katie Orlinsky, National Geographic

Hinzu kommt, dass Sergey Zimov im Vergleich zu Romanovsky und Goeckede – beides bedächtige und methodische Forscher – eine Art Katastrophenphilosoph ist, der zu pessimistischen Voraussagen und großen Gesten neigt. Er und sein Sohn sind das Team hinter dem Pleistozän-Park, einer Region in ihrem heimatlichen Teil Sibiriens, in welchem große importierte Säugetiere wie Bisons, Yaks und Pferde umherstreifen. Der Park ist Teil eines ökologischen Experiments, bei welchen das Ökosystem der Mammutsteppe imitiert werden soll, das dort vor 12.000 Jahren existierte. Das erklärte Ziel ist es, den Einfluss einer solchen Steppe auf den Permafrost zu ergründen.

Sergey Zimov war allerdings auch einer der ersten Wissenschaftler überhaupt, die zeigten, dass es in Sibirien enorme Mengen an besonders CO2-haltigem Permafrostboden gibt. Er arbeitet schon seit über 40 Jahren in Tscherski und viele Wissenschaftler haben große Hochachtung vor ihm.

„Er kennt die Landschaft dort so gut, dass er sehr selten falsch liegt“, sagt Katey Walter Anthony, eine Professoren der University of Alaska in Fairbanks, die sich mit dem Methan in arktischen Seen beschäftigt.

Frost an den Wänden eines Eiskellers im russischen Tscherski. Seit Tausenden von Jahren graben die Bewohner der Region Eiskeller in den Boden. In letzter Zeit haben einige Menschen davon berichtet, dass ihre Keller aufgrund des tauenden Permafrosts überschwemmt wurden.
Frost an den Wänden eines Eiskellers im russischen Tscherski. Seit Tausenden von Jahren graben die Bewohner der Region Eiskeller in den Boden. In letzter Zeit haben einige Menschen davon berichtet, dass ihre Keller aufgrund des tauenden Permafrosts überschwemmt wurden.
bild Katie Orlinsky, National Geographic

Romaovsky kennt die Zimvos ebenfalls. Obwohl er sich wünschen würde, ihre Arbeit würde Temperaturdaten enthalten, ist die Messung der Gefriertiefe des Bodens für ihn ein sinnvoller Ansatz. „Das ist immer noch eine überzeugende Methode“, sagt Romanovsky. „Für mich heißt das einfach nur, dass es eben nicht 100 Prozent sind.“

Außerdem ist nicht klar, wie repräsentativ die Befunde von Romanovsky und den Zimovs sind. Es handelt sich nur um eine kleine Probengröße.

Romanovsky zumindest sagt, dass er seine Orte ausgewählt hat, weil sie Zentralalaska recht gut repräsentieren.

„Daher vermuten wir, dass es in diesem Winter in großen Bereichen das Alaskan Interior keinen Dauerfrost gab“, sagt er.

Selbst jene Wissenschaftler, die sich mit der begrenzten Datenmenge nicht ganz wohl fühlen, sagen, dass eine so schnelle Veränderung eines so grundlegenden Faktors ihnen zu denken gibt.

„Das ist besorgniserregend“, sagt Sue Natali, eine Permafrostforscherin des Woods Hole Research Center. Vor Kurzem sah sie auf einer Reise in die Yukon-Region Alaskas ebenfalls eine aktive Bodenschicht, die nicht gefror. „Wir sehen, wie Dinge geschehen, die im ganzen Leben jener Wissenschaftler, die diese Dinge untersuchen, noch nie passiert sind. Das sollte uns zu denken geben.“

Der Großteil des Permafrostbodens bleibt weiterhin gefroren. In einigen Teilen Nordsibiriens und andernorts in der Arktis scheint der Boden aber deutlich schneller als erwartet zu tauen und große Mengen CO2 und Methan freizusetzen.
Der Großteil des Permafrostbodens bleibt weiterhin gefroren. In einigen Teilen Nordsibiriens und andernorts in der Arktis scheint der Boden aber deutlich schneller als erwartet zu tauen und große Mengen CO2 und Methan freizusetzen.
bild Katie Orlinsky, National Geographic

BEDROHLICHER TEUFELSKREIS

Es steht viel auf dem Spiel. Wenn die aktive Bodenschicht der Region nicht mehr regelmäßig gefriert, können die Konsequenzen rasant eintreten. Sobald der Boden erst mal getaut ist, können die Mikroben in der obersten Schicht das organische Material zersetzen und das ganze Jahr über Treibhausgase freisetzen, nicht nur im Sommer. Der darunterliegende Permafrostboden wird zusätzlicher Wärme ausgesetzt, sodass auch diese Schicht zu tauen beginnen kann, wodurch noch mehr Gase freigesetzt werden.

In besonders eishaltigen Böden wie in Sibirien könnte der Boden absinken. Dadurch können Straßen und Gebäude beschädigt werden und Eiskeller können einstürzen. Solche Senken können die Landschaft verändern. Zudem sammelt sich in ihnen der Schnee, wodurch der Boden im Winter noch besser isoliert ist. Wenn die Temperaturen steigen, sammeln sich außerdem der geschmolzene Schnee und Regenwasser in den Vertiefungen, sodass neue Feuchtgebiete oder Tundraseen entstehen, die große Mengen Methan abgeben.

Die Bewegung all dieser Wassermengen über und unter der Oberfläche kann zudem große Mengen Wärme transportieren, die den Tauprozess beschleunigt. Damit kann das Tauen des Permafrostbodens temporär zu einem sich selbst erhaltenden Kreislauf werden, der immer mehr Treibhausgase freisetzt und die Erwärmung immer weiter beschleunigt.

Der Batagaika Megaslump ist einer der wenigen Orte, an denen man eine Permafrostwand von Nahem sehen kann. Wissenschaftler untersuchen diesen Bereich nach Hinweisen auf den Klimawandel in der Arktis – und wie er sich auf den Rest des Planeten auswirken könnte.
Der Batagaika Megaslump ist einer der wenigen Orte, an denen man eine Permafrostwand von Nahem sehen kann. Wissenschaftler untersuchen diesen Bereich nach Hinweisen auf den Klimawandel in der Arktis – und wie er sich auf den Rest des Planeten auswirken könnte.
bild Katie Orlinsky, National Geographic

Niemand geht davon aus, dass der Permafrostboden jemals seine gesamten CO2-Vorräte freisetzen wird. Die meisten Modelle rechnen mit maximal 10 bis 20 Prozent, selbst in Szenarien mit einem hohen Maß an von Menschen verursachten Emissionen.

Mehr als ein Dutzend von National Geographic kontaktierter Wissenschaftler, die sich mit dem Klima der Arktis beschäftigen, stimmen darin überein, dass die diesjährigen Daten aus der aktiven Schicht die Grenzen der globalen Klimamodelle aufzeigen. Die ausgefeilten Computerprogramme, welche Klimaprognosen erstellen und oft von Entscheidungsträgern der Weltregierungen zu Rate gezogen werden, können die großflächigen Veränderungen im Permafrostboden einfach nicht mit einberechnen.

„Wenn wir diese Sachen simulieren, gibt es eine Reihe von Prozessen, die in den Modellen nicht enthalten sind – Prozesse, die den Wärmetransfer vervielfachen“, sagt Daniel Fortier, ein Professor für Geografie an der University of Montreal. „Ich denke schon, man kann mit Sicherheit sagen, dass die Dinge schneller geschehen als erwartet.“

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Wissenschaftler wissen beispielsweise schon seit Langem, dass der Verlust des Meereises und die steigenden Temperaturen in der Arktis im Laufe der Zeit zu vermehrtem Schneefall führen würden. Diesen Faktor konnten die Modelle mit einberechnen. Dieselben Simulationen sind aber deutlich unzuverlässiger, wenn sie versuchen, Kaskadeneffekte in verschiedenen Bodenarten, Vegetationsdecken, schmelzendem Eis und den Wasserbewegungen zu berechnen, die sich allesamt massiv auf den Tauprozess des Permafrostbodens auswirken können. 

„Die Modelle sind solchen Veränderungen, die ganze Landschaften betreffen, nicht gewachsen – all diese Prozesse, die rapide Veränderungen nach sich ziehen können“, erklärt David Lawrence. Der Wissenschaftler National Center for Atmospheric Research in Boulder erstellt Permafrostmodelle. „Und es wird noch lange Zeit dauern, bis sie das können.“

Bis man einige der Veränderungen bemerkt, könnten bereits beträchtliche Umbrüche im Gang sein, wie er sagt. Das bedeutet auch, dass sowohl die Öffentlichkeit als auch die politischen Entscheidungsträger kein umfassendes Verständnis der tatsächlichen Risiken haben könnten.

„Die meisten Modelle rechnen nicht vor dem Jahr 2100 mit der Freisetzung großer CO2-Mengen“, sagt Walter Anthony. Das könnte stimmen. Aber es sei ihr zufolge auch möglich, dass es dazu „noch zu Lebzeiten meiner Kinder kommen könnte – oder zu meinen eigenen Lebzeiten.“

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.

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