Permafrost

Die Klimaänderung ist kein neues Phänomen. Erwärmungen und Absenkungen der Temperaturen gab es schon immer. Jedoch geschahen diese Veränderungen langsam, sodass die Natur die Chance hatte, sich vorzubereiten und anzupassen. Neu ist, dass die Klimaveränderungen durch das Wirken des Menschen entstehen.

Auch wenn der Klimawandel gleichzeitig Erwärmung und Abkühlung der Erde meint, ist die Besonderheit, dass sich alle Bestandteile des Klimasystems, nämlich Ozean, Land, Atmosphäre, Biosphäre und Eismassen, fast gleichzeitig und überall auf der Erde erwärmt haben.

Wie weit der Klimawandel voranschreitet, beobachten Forschende vor allem in den polaren Regionen der Erde anhand des Permafrostes. Aber was ist Permafrost? Wie ist der Permafrost aufgebaut? Wo findet man ihn und welche Folgen gibt es?

Permafrost – Definition

Der Begriff Permafrost ist ein zusammengesetztes Wort. Es besteht aus dem Wort permanent (dauerhaft) und Frost – also dauerhaft gefroren. Der Gefrierpunkt von Wasser liegt bei 0 Grad Celsius. In der Geografie beziehungsweise Geowissenschaft ergibt sich demnach folgende Definition:

Der Permafrost in Permafrostböden kann bis zu mehreren Hundert Meter tief liegen und viele Tausende Jahre alt sein. Bei dem Untergrund kann es sich um Erde, Sediment oder Felsgestein handeln. Der Permafrost besteht ganzjährig und taut im Sommer nicht auf.

Permafrost – Verbreitung

Hier auf Abbildung 1 kannst Du erkennen, in welchen Gebieten der Erde Permafrost vorkommt. Die dunkelblau markierten Stellen weisen dabei kontinuierlich Permafrost auf, die etwas helleren Stellen haben diskontinuierlichen Permafrost und die hellblau markierten Gebiete haben sporadischen Permafrost. Was genau diese Begriffe bedeuten, erfährst Du im Abschnitt zu "Arten von Permafrostböden"

Abbildung 1: Die Verbreitung von Permafrost auf der Nordhalbkugel

Permafrost bildet sich dort, wo die Jahresdurchschnittstemperatur −1 °C und der Jahresniederschlag 1000 Millimeter nicht übersteigen. Die großen Permafrostgebiete der Erde liegen daher in den polaren Regionen der Erde, mit den arktischen und antarktischen Tundren, in Teilen der borealen Nadelwaldgebiete, aber auch in anderen Gebieten.

Die wichtigsten Verbreitungsgebiete von Permafrost liegen in Sibirien, Nordsibirien, Nordkanada, der Arktis und Antarktis. In der Abbildung 1 erkennst Du die nördlichen Permafrostbodengebiete. In den Alpen findet man ab 2.500 Meter Höhe Permafrost. Insgesamt ist ein Viertel der Nordhalbkugel mit Permafrostböden bedeckt. Auf der Südhalbkugel tritt Permafrost nur in den Anden und auf der gletscherfreien Landfläche der Antarktis auf.

In Ostsibirien erreicht der Permafrost Tiefen von bis zu 1.500 Kilometer. In Skandinavien hingegen nur bis zu 20 Metern. Die Tiefe des gefrorenen Bodens hängt von den vorherrschenden Umgebungstemperaturen ab. In der Arktis gibt es sogar Permafrost im Meeresboden (submariner Permafrost). Das liegt daran, dass der Meeresboden früher zur Landmasse gehörte und nicht von Wasser bedeckt wurde. Das heute darüber liegende Wasser ist noch zu kalt, um den Permafrost aufzutauen.

Permafrost in Sibirien (Russland)

Als Sibirien wird die gesamte nordasiatische Region bezeichnet, die weite Teile Russlands einnimmt. Im Westen wird Sibirien vom Uralgebirge und im Osten vom Pazifischen Ozean begrenzt. Im Norden grenzt der arktische Ozean und im Süden China, die Mongolei und Kasachstan an. Weite Teile Sibiriens werden von Permafrostböden eingenommen, die in der warmen Jahreszeit nur oberflächlich antauen.

Durch den Klimawandel ist ein Anstieg der Durchschnittstemperaturen in Sibirien beobachtbar. Die Folgen sind zunehmende Waldbrände und Überschwemmungen. Auch der Permafrost ist davon betroffen. Wenn die Umgebungstemperaturen weiter steigen, erwärmt sich auch der Boden zunehmend und die Permafrostschicht nimmt weiter ab.

Für die Klimaforschung ist Sibirien bedeutungsvoll. Mehrere Länder untersuchen auf Forschungsstationen die Beschaffenheit der Permafrostböden, denn die hier liegenden Permafrostgebiete geben Aufschluss über das Voranschreiten der Erderwärmung.

Arten von Permafrostböden

Es gibt verschiedene Arten von Permafrostböden. Man unterscheidet in kontinuierlichen Permafrost, diskontinuierlichen und sporadischen Permafrostboden. Wie in der Abbildung 1 gut dargestellt wird, geht der kontinuierliche Permafrost in Richtung des Äquators zu diskontinuierlichen Permafrost und schließlich zum sporadischen Permafrost über.

Von kontinuierlichem Permafrostboden spricht man, wenn der Untergrund mit einem Flächenanteil von 100 % mit Permafrost durchzogen ist – der Boden ist demnach lückenlos gefroren. Er tritt bei Jahrestemperaturen zwischen circa -6 °C und -8 °C auf. Zu finden ist der kontinuierliche Permafrostboden in Teilen Sibiriens. Er kann eine Tiefe von mehreren Hundert Metern erreichen.

Der diskontinuierliche Permafrost ist lückenhaft verteilt. Die Flächenbedeckung liegt hier bei 50 % bis 99 %. Er reicht stellenweise nur wenige Meter in die Tiefe. Der Temperaturdurchschnitt liegt hier bei 0 bis -1 °C.

Sporadischer Permafrost ist eher Inselhaft verteilt und bedeckt einen Flächenanteil bis zu 50 %. Dieser kann auch bei positiven Jahrestemperaturen auftreten. Hier handelt es sich um Überbleibsel von Permafrost aus der letzten Eiszeit. Er liegt am nächsten zum Äquator.

Permafrost – Entstehung

Permafrost entsteht durch das Gefrieren von Wasser im Boden. Die Zeit der Entstehung variiert deutlich, denn mancher Permafrostboden ist seit hunderttausend Jahren gefroren, anderer nur hunderte Jahre. Unterschieden wird in eisreichen Permafrost und trockenen Permafrost, bei dem weder Eis noch freies Wasser vorhanden ist.

Permafrost – Aufbau

Der Aufbau von Permafrost wird in unterschiedliche Bereiche eingeteilt. In der Abbildung 2 werden die Schichten des Permafrostbodens genauer veranschaulicht:

Abbildung 2: Permafrost Schichten

Die obere Schicht des Permafrostbodens wird Auftaubereich oder active layer genannt. Im Sommer steigt die Temperatur in Plusgradbereich und lässt die oberste Schicht tauen. Im Winter gefriert sie wieder. Die Mächtigkeit dieser Schicht liegt bei drei Metern. Forschende können in der Arktis anhand des Auftaubereiches kurzfristige Klimaveränderungen messen und so Auswirkungen des Klimawandels analysieren.

Die Permafrosttafel trennt den Auftaubereich vom dauerhaft gefrorenen Untergrund. Die thermische Nullamplitude gibt die Tiefe an, ab der keine jahreszeitlichen Temperaturschwankungen mehr nachzuweisen sind. Den Bereich unter der Nullamplitude wird isothermer Permafrost genannt. In diesem Bereich gibt es keine jahreszeitlichen Temperaturschwankungen mehr – die Temperatur bleibt gleich.

Dieser isotherme Bereich ist nach unten begrenzt, da mit zunehmender Tiefe die Temperatur steigt. Das liegt vor allem an der Annäherung zum heißen Erdkern. Unterhalb der Untergrenze des Permafrostbodens befindet sich der Niefrostbereich – wie in der Abbildung dargestellt wird. Dieser nicht gefrorene Bereich wird auch als Taliks bezeichnet.

Permafrost – Klimawandel

Aufgrund des Klimawandels und der globalen Erderwärmung beginnt auch der Permafrost immer weiter zu schmelzen. Die Temperatur der oberen Schichten ist in einigen Gebieten um 2 °C gestiegen. So wandelt der kontinuierliche Permafrost immer weiter nach Norden. Sporadischer Permafrost taut in manchen Gebieten sogar komplett ab.

Wie lange der Permafrost noch stabil bleibt, hängt von den Bodentemperaturen ab. Weitere Indikatoren sind die Energiebilanz an der Oberfläche, die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Bodens sowie der Grundwasserspiegel, die Schneebedeckung, die Vegetation und die Anwesenheit von Seen und Flüssen.

Die Temperaturen in Permafrostböden sind ein sensibler Indikator für Klimaschwankungen und das Voranschreiten des Klimawandels. Durch Bohrungen an der Arktis und anderen Permafrostbereichen können Wissenschaftler den Stand des Klimawandels feststellen.

Noch können Forscher nicht alle Folgen des schmelzenden Permafrostes abschätzen. Die Forschungen am Zusammenhang von Permafrost und Klimawandel stehen noch am Anfang.

Permafrost als Kohlenstoffspeicher

Permafrostböden beinhalten riesige gespeicherte Mengen an Kohlenstoff. Teilweise wird dort noch Material aus der letzten Eiszeit gespeichert. Der Weltklimarat IPCC schätzt, dass Permafrost mindestens doppelt so viel Kohlenstoff enthält, wie derzeit in Form von Kohlenstoffdioxid (CO₂) in der Atmosphäre vorhanden ist – fast 1600 Milliarden Tonnen.

Wenn im Sommer der Boden taut, zersetzen Mikroorganismen den Kohlenstoff in die Treibhausgase CO₂ oder Methan. Die Gase werden so in Flüsse und Umgebung abgegeben. Durch die Erwärmung der Erde kommt es zu längeren Wärmeperioden, weshalb über den Sommer mehr Permafrostboden auftaut und somit mehr CO₂ oder Methan in die Atmosphäre gelangt. Folglich wird die Ozonschicht weiter beschädigt, der Treibhauseffekt verstärkt und die Erderwärmung vorangetrieben. Wissenschaftler sprechen dann von einem "positiven Rückkopplungseffekt".

Jedoch verstärken nicht alle Veränderungen des Permafrostes den Treibhauseffekt. Durch die Erwärmung der zuvor eisigen vegetationsarmen Gebiete können sich nun Pflanzen ausbreiten und verdichten, welche wiederum das Treibhausgas CO₂ in lebensnotwendigen Sauerstoff (O₂) umwandeln können. Allerdings wird durch die neuen Waldgebiete der Reflexionsgrad der Erde verringert, was den Klimawandel wieder beschleunigt.

Permafrost Sibirien – Zerstörung der Infrastruktur

Schmelzen das Eis und der Permafrost im Boden, steigt der Meeresspiegel. Untersuchungen zeigten, dass seit 1980 die Temperaturen im Permafrost in Alaska um 3 °C gestiegen sind. Das hat zur Folge, dass der Permafrost schmilzt und die Infrastruktur in den Regionen zerstört wird.

Es kann zu Bodenabsenkungen (Thermokarst) kommen und das Ökosystem massiv beeinflussen. Landstriche versinken im Boden und Straßen, Gebäude, Eisenbahnschienen, Stromleitungen oder auch Gaspipelines, die auf Permafrost gebaut wurden, werden zerstört. Besonders bebaut sind Permafrostböden in Alaska, Sibirien und Nordkanada. Schätzungen zufolge werden bis 2050 über eine Million Menschen in Hochrisikogebieten leben, rund 36000 Gebäude, 100 Flughäfen und Tausende Kilometer Straße zerstört werden.

Besonders verehrend wären die Beschädigungen von Gas- und Ölpipelines. Erdöl und Gas würden austreten und somit die Umwelt verschmutzen. Zudem wären Länder und Menschen von der Versorgung abgeschnitten. 45 % der Öl- und Gasfelder in Permafrostgebieten der russischen Arktis werden bis 2050 wahrscheinlich Hochrisikogebieten sein. Aus der Yamal-Nenets-Region in Westsibirien bezieht auch die EU ein Drittel ihrer Pipeline-Importe.

Speicher für uralte Bakterien

Im ewigen Eis der Permafrostböden befinden sich jahrtausendealte Viren und Bakterien. Manche von ihnen gelten als ausgestorben. Wenn der Permafrost durch die globale Erwärmung weiter taut, könnten solche Viren und Bakterien wieder freigesetzt werden. Die Folge wären neue Pandemien, die sich über den gesamten Globus ausbreiten könnten.