Die Spuren des Wandels:
AWI-Forscher haben erstmals großflächig kartiert, wo welche Prozesse im Dauerfrostboden der Arktis im Gange sind

Die Landkarte war noch voller weißer Flecken. Zwar wissen Polarforscher schon länger, dass die steigenden Temperaturen in der Arktis den Boden auftauen lassen und ganze Landschaften verändern können. Unklar war allerdings, wo und in welchem Umfang solche Effekte bereits auftreten. Mithilfe von hochaufgelösten Satellitenbildern hat sich ein Team um Dr. Ingmar Nitze vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Potsdam nun einen genauen Überblick über solche Veränderungen verschafft. In riesigen Gebieten Sibiriens und Nordamerikas sind die Spuren des Wandels demnach nicht mehr zu übersehen, berichten die Forscher im Fachjournal Nature Communications.
Herschel Island 2014 (Alfred-Wegener-Institut/Jaroslav Obu)
Feldstation am Ice Creek. Entnommener Bohrkern aus dem Permafrostboden, Yukon, Kanada
Foto: Alfred-Wegener-Institut/Jaroslav Obu

Was richtet der Klimawandel in den Böden der Arktis an? Diese Frage treibt Klimaforscher schon seit Jahren um. Denn im hohen Norden gibt es riesige Flächen, in denen im Sommer bisher nur die obersten Zentimeter des Erdreiches auftauen. Darunter bleibt es bis in mehrere hundert Meter Tiefe das ganze Jahr hindurch gefroren. Diese sogenannten Permafrost-Regionen erstrecken sich auf der Nordhalbkugel heute über fast ein Viertel der gesamten Landoberfläche.

Doch dabei dürfte es nicht bleiben. Modellrechnungen zufolge könnten durch die steigenden Temperaturen bis zum Jahr 2100 zwischen 50 und 90 Prozent des oberflächennahen Permafrostes verloren gehen. Experten befürchten, dass dadurch nicht nur ganze Landschaften ihr Gesicht verändern werden. In einer wärmeren Umgebung dürften Mikroorganismen auch große Mengen der Treibhausgase Kohlendioxid und Methan aus dem Boden freisetzen, die dann den Klimawandel weiter ankurbeln.

Tatsächlich gibt es heute schon Indizien dafür, dass der Permafrost zu degenerieren beginnt. Verdächtig ist es zum Beispiel, wenn Hänge ins Rutschen geraten oder Seen ihre Größe stark verändern. „Aus einigen gut untersuchten Regionen wie dem Lena-Delta oder dem Norden Alaskas wissen wir, dass es solche Effekte gibt“, sagt Ingmar Nitze. Was fehlte, war aber ein großflächiger Überblick darüber, wo solche Prozesse im Gange sind.

Den haben Ingmar Nitze und seine Kollegen aus Potsdam und Alaska nun mithilfe von Daten der US-amerikanischen Landsat-Satelliten erstellt. In vier ausgewählten Streifen mit insgesamt 2,3 Millionen Quadratkilometern Fläche in Alaska, Kanada und Sibirien haben sie auf 30 Meter genau kartiert, wo zwischen 1999 und 2015 Degenerationserscheinungen aufgetreten sind.

In einer Region im Osten Sibiriens zum Beispiel hat die Fläche der Seen im untersuchten Zeitraum um 50 Prozent zugenommen. Hat sich ein solches Gewässer in einem warmen Sommer erst einmal gebildet, speichert es weitere Wärme und vergrößert sich dadurch. Wachsende Seen können also ein Zeichen für degenerierenden Permafrost sein. Allerdings gibt es auch den umgekehrten Effekt: Wenn der See durch einen Fluss angeschnitten wird oder sich durch den gefrorenen Boden hindurch getaut hat, läuft er aus. In diesem Fall verrät also ein schrumpfendes Gewässer den tauenden Untergrund. Diesen Effekt sehen die Forscher besonders stark am Rand der Permafrost-Regionen in Alaska. Insgesamt ist die Fläche der mehr als einen Hektar großen Seen in den untersuchten Gebieten der Arktis und Subarktis um 1,45 Prozent (1737 km²) geschrumpft.

„Solche Erkenntnisse sind zum Beispiel wichtig, wenn man die Treibhausgas-Emissionen der Böden abschätzen will“, erklärt Ingmar Nitze. So kurbeln wachsende Seen den Ausstoß von Kohlendioxid und Methan an. Ist ein Gewässer dagegen ausgelaufen, so kann sich dort neuer Torf bilden, Kohlenstoff wird dadurch wieder gespeichert und im Boden eingefroren.

Allerdings haben die Forscher auf den Satellitenbildern nicht nur die Entwicklung der Seen verfolgt. Auch die Spuren größerer Waldbrände können einiges über den Zustand des Permafrostes verraten. Denn bei solchen Feuern wird die dicke, isolierende Schicht aus Moos und anderer Vegetation vernichtet, die den eisigen Untergrund normalerweise vor zu hohen Sommertemperaturen schützt. „Das kann noch Jahre nach dem Brand zu massiven Auftauprozessen führen“, sagt Ingmar Nitze. Bisher finden die Forscher die verkohlten Flächen zwar vor allem in Taiga-Regionen, in der baumlosen Tundra dagegen sind Feuer noch die Ausnahme. Das aber könnte sich in Zukunft ändern, wenn der Klimawandel den Tundren wärmere Sommer mit einer höheren Gewitterneigung beschert.

Das dritte Degradierungs-Indiz, das die Forscher untersucht haben, sind Hangrutschungen. „Die treten vor allem in hügeligen Regionen mit Gletschereis im Boden auf“, sagt Ingmar Nitze. Tauen dort die noch von der letzten Eiszeit übriggebliebenen Eisblöcke im Untergrund auf, werden die Hänge instabil. Große Mengen Sediment geraten dann in Bewegung, setzen Kohlenstoff frei und landen schließlich in Seen, in Flüssen und im Meer. „Diese Rutschungen sind zwar viel kleiner als Seen und Brände“, betont der Potsdamer Forscher. „Lokal aber können sie einen sehr großen Einfluss haben.“

Mit ihren Kartierungen wollen er und seine Kollegen dazu beitragen, dass die große Bedeutung solcher schnellen und kleinräumigen Effekte in künftigen Klimamodellen besser berücksichtigt wird. „Außerdem hoffen wir, die Permafrost-Regionen identifizieren zu können, in denen derzeit besonders große Veränderungen zu erwarten sind“, sagt Ingmar Nitze. „Die müssen wir dann besonders gut im Auge behalten.“

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützte die Studie im Rahmen von FONA im Projekt KoPf (Kohlenstoffumsatz und Treibhausgasfreisetzung aus tauendem Permafrost).

Originalpublikation

Nitze, I., G. Grosse, B. M. Jones, V. E. Romanovsky, and J. Boike (2018), Remote sensing quantifies widespread abundance of permafrost region disturbances across the Arctic and Subarctic, Nature Communications, 9(1), 5423, doi:10.1038/s41467-018-07663-3