Permafrost - Tauende Tiefkühltruhe

Nicht nur im Winter ähneln die endlosen Weiten der nördlichen Teile Sibiriens und Nordamerikas einer überdimensionalen Tiefkühltruhe. Auch wenn manchmal die Sommerluft bei Temperaturen über 30 Grad Celsius flimmert, Heerscharen fliegender Plagegeister gnadenlos jeden Millimeter ungeschützter Haut malträtieren und das Land sich in eine unwirtliche Sumpflandschaft verwandelt, bleibt der Boden meist schon in wenigen Dutzend Zentimetern Tiefe das ganze Jahr über fest gefroren. Zumindest heute noch. Seit der Klimawandel aber den hohen Norden viel schneller als den Rest der Welt aufheizt, steigen in dieser Tiefkühl­truhe die Temperaturen. Und zwar nicht nur in der Luft, sondern auch im dauerhaft gefrorenen Boden. Der Eiskeller der Erde beginnt langsam aufzutauen. Und könnte so in einem fatalen Kreislauf das Klima weiter aufheizen.

Schließlich sind die in Sibirien zum Teil mehr als einen Kilometer tief gefrorenen Böden ein kaltes Erbe der Eiszeiten. Noch vor 20.000 Jahren lagen über weiten Teilen Nordamerikas, Europas und einigen Gebieten im Westen von Sibirien mächtige Gletscher. Die Kälte von diesen Eiskappen flutete auch die riesigen Regionen im Norden, die nicht von Eis bedeckt waren. Trotzdem boomte in diesen kalten Steppen das Leben, dort weideten Wollhaarmammuts, Wollnashörner, Moschusochsen, Saiga-Antilopen, Steppenbisons und Wildpferde. Nach ihrem Tod landeten etliche dieser Tiere und gigantische Mengen der dort wachsenden Pflanzen im Boden, in dem sie bald einfroren.

Wie in jeder Tiefkühltruhe im Supermarkt halten sich das Fleisch der Tiere und das Grün der Pflanzen bei Frost sehr lange frisch. Taut diese arktische Gefriertruhe im Laufe des Klimawandels aber auf, werden diese Überbleibsel aus der Mammutsteppe von Mikroorganismen rasch zersetzt. Dabei blubbern große Mengen der Treibhausgase Kohlendioxid und Methan in die Luft, die das Klima weiter aufheizen und den Dauerfrostboden noch schneller auftauen. So treiben die Gase aus dem Eiskeller der Erde den Klimawandel in einen teuflischen Kreislauf, der sich selbst immer stärker beschleunigt. Die gefrorenen Böden im hohen Norden entpuppen sich so als Spielmacher des Klimawandels.

Die Entstehung des Permafrost

Computermodelle legen eine solche Spirale einer wachsenden Erwärmung nahe, auch wenn Forscher wie Guido Grosse vom Alfred-Wegener-Institut (AWI), dem Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Potsdam, und Martin Heimann vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena bisher noch kaum einen zusätzlichen Treibhauseffekt aus den Dauerfrostböden sehen. Das aber könnte sich bald ändern. Schließlich hat der Klimawandel den Dauerfrostboden längst erreicht: „In einer Tiefe von 20 Metern hat sich der Permafrostboden in den zehn Jahren von 2007 bis 2016 weltweit bereits um durchschnittlich 0,39 Grad Celsius erwärmt“, erklärt AWI-Forscher Guido Grosse.

Hinter dieser Entwicklung stecken nicht nur die steigenden Temperaturen allein. Beim Entstehen und Verschwinden von Dauerfrostböden spielen vielmehr eine Reihe verschiedener Einflüsse eine wichtige Rolle, zeigt ein Blick zurück in die Eiszeit. Ähnlich wie heute in der Antarktis hatten vor 20 000 Jahren dicke Eisschilde weite Regionen unter sich begraben. Die eisigen Massen endeten damals dort, wo heute die großen Seen Nordamerikas und in Europa die Metropolen Berlin und Hamburg liegen.

Auch wenn es erst einmal paradox klingt, haben diese dicken Gletscher jahrein und jahraus den Boden darunter gut vor der eisigen Kälte der Luft isoliert. Diese wärmende Decke aus Eis aber fehlte über weiten Teilen Sibiriens und Alaskas, weil dort einfach zu wenig Schnee fiel, aus dem ein Eis­panzer entstehen konnte. Ungeschützt konnten sich dort die eisigen Wintertemperaturen, die noch heute im fernen Osten Sibiriens bisweilen unter minus 50 Grad Celsius fallen können, tief in den Boden fressen. Oft ist dieser Dauerfrostboden daher einige Hundert Meter und mancherorts sogar mehr als 1500 Meter dick. Wo im Norden Skandinaviens einst dagegen ein mehr als tausend Meter mächtiger Eispanzer den Untergrund schützte, endet der Permafrost häufig bereits in wenigen Metern Tiefe.

Faszination Ostsibirien

Isolierende Decken beeinflussen den Dauerfrostboden auch heute noch enorm. Und das erwartungsgemäß vor allem in der kalten Jahreszeit. Allerdings anders, als man es vielleicht erwarten könnte: „Im Winter wird die Wärme des Sommers aus dem Boden gezogen“, erklärt Biogeochemie-Forscher Martin Heimann. In Jakutien im Nordosten Sibiriens messen die Thermometer noch heute im Winter so tiefe Temperaturen, dass die Milch in steif gefrorenen Blöcken verkauft und aufbewahrt wird. Dort gibt es Rekordwerte von sagenhaft klingenden, aber echt gemessenen minus 67,8 Grad Celsius. Bereits die durchschnittlichen Temperaturen liegen im Januar mancherorts unter minus 40 Grad Celsius. Diese eiskalte Luft aber kühlt den Boden kräftig ab. Zumal im kontinentalen Klima Ostsibiriens relativ wenig Schnee fällt und die dünne Decke nur mittelmäßig isoliert.

Der Klimawandel aber beginnt diese Verhältnisse zu ändern: „Aus dem nördlichen Pazifik kommen mehr Niederschläge in den Osten Sibiriens“, erklärt Martin Heimann. Aber auch auf dem Eismeer schwindet die Eisdecke, und aus der offenen See verdunstet mehr Wasser, in der Luft kann die Feuchtigkeit zu Wolken kondensieren. Die Niederschläge daraus fallen im Osten Sibiriens in der meisten Zeit des Jahres als Schnee. Dadurch wird die Iso-Decke dicker, die eisige Kälte kann weniger Wärme aus dem Boden ziehen und im Dauerfrostboden steigen die Temperaturen.

Für solche Messungen unterhält das weltweite Permafrost-Netzwerk mehr als 200 Bohrlöcher, die normalerweise 20 bis 30 Meter in die Tiefe reichen. „Im Osten Sibiriens gibt es in Jakutsk sogar ein 116 Meter tiefes Bohrloch, in dem die Temperaturen bereits seit 1835 gemessen werden“, erklärt Max-Planck-Forscher Martin Heimann. Auch wenn einige weitere Permafrost-Temperaturstationen seit mehr als 40 Jahren betrieben werden, registrieren viele Bohrlöcher erst seit Beginn des 21. Jahrhunderts die frostigen Werte im Boden. Und liefern alarmierende Ergebnisse.

Der Dauerfrost schmilzt unterschiedlich schnell

So liegen die Temperaturen in den nördlichen Bereichen des Permafrosts in der Tiefe oft bei minus acht bis minus zehn Grad Celsius. Dieser vermeintlich gute Puffer gegen den Klimawandel aber schmilzt mancherorts wie Schnee in der Frühjahrssonne. Steigen doch die Temperaturen in den Tiefen dieses Eiskellers mancherorts in einem einzigen Jahrzehnt um ein ganzes Grad und manchmal sogar einen Tick mehr. Weiter im Süden wäre eine solche Erwärmung fatal, denn die Werte in der Gegend von Fairbanks in Alaska oder der Hudson-­Bay in Kanada liegen gerade einmal bei minus einem Grad Celsius. Dort registrieren die Geräte im dauernd gefrorenen Boden allerdings meist einen viel geringeren Anstieg der Temperaturen von weniger als 0,3 Grad Celsius im Jahrzehnt.

Erneut ist eine isolierende Decke für diesen deutlichen Unterschied verantwortlich. Nur besteht sie nicht aus Schnee, sondern aus organischem Material – ist es im Süden doch wärmer, und die Pflanzen haben länger Zeit zum Wachsen. Dort sammelt sich daher viel mehr Biomasse als im Norden an. Nach dem Absterben verrotten die Gewächse im sumpfigen Gelände über den Dauerfrostböden kaum und wandeln sich mit der Zeit in Torf. „Im Süden bilden sich daher im Laufe der Zeit viel dickere Schichten aus Torf, die deutlich besser isolieren und so den Anstieg der Temperaturen im Dauerfrost bremsen“, nennt AWI-Forscher Guido Grosse die Zusammenhänge.

Allerdings bedeutet die bessere Isolierung keine Entwarnung vor dem großen Tauen, sondern nur eine Verzögerung. Lässt es sich doch leicht ausrechnen, dass auch mit einer langsameren Erwärmung der Permafrost schon in einigen Jahrzehnten in riesigen Regionen den Gefrierpunkt überschreiten dürfte. Wohin diese Entwicklung führt, zeigt der Nordwesten Sibiriens. Dort war der Perma­frost von jeher weit weniger mächtig als weiter im Osten, die Minusgrade lagen näher am Nullpunkt. „Dort hat sich der Dauerfrostboden innerhalb weniger Jahrzehnte um einige Dutzend Kilometer nach Norden zurückgezogen“, berichtet Guido Grosse.

Wie den Stöpsel der Badewanne zu ziehen

Aber auch dort, wo der Permafrost dem Klimawandel noch trotzt, verändert er sich deutlich. So taut der Boden im Sommer einige Dutzend Zentimeter tief auf, bleibt aber in tieferen Schichten gefroren. Daher können weder Niederschläge noch das Schmelzwasser im Boden nach unten abfließen. Weil die Dauerfrostböden teilweise zu 70 bis 80 Prozent aus Eis bestehen, das oft mächtige Keile bildet, entsteht über dem verbliebenen Permafrost eine Sumpflandschaft mit Seen. Diese „aktive Schicht“ wächst. So ist der Sumpf im europäischen Norden Russlands und im Westen Sibiriens zwischen 1999 und 2019 rund 40 Zentimeter tiefer geworden. Im Landesinneren von Alaska wächst die aktive Schicht zwar deutlich langsamer, aber immer noch mehr als 20 Zentimeter in zwei Jahrzehnten.

Die Gewässer in dieser aktiven Schicht nehmen im Sommer viel Sonnenenergie auf und geben sie wieder an die Umgebung ab. Daher tauen die Seen sowohl an ihren Seiten wie auch am Grund immer weiter und wachsen sowohl in die Breite wie auch in die Tiefe. So entsteht eine verhängnisvolle Rückkopplung. Je tiefer das Wasser ist, umso seltener frieren diese Seen im Winter bis zum Grund durch. Mehr als zwei Meter Eisdicke aber bildet sich immer seltener. Ist der See tiefer, bleibt unter der Eisdecke eine Schicht mit flüssigem Wasser, das auch im Winter weiteren Permafrost auftaut. Diese Seen werden also immer tiefer und schmelzen sich auch zur Seite immer weiter durch den Permafrost.

Allerdings läuft eine solche Rückkopplung nicht ewig. Entweder taut der See sich so lange in die Tiefe, bis er die Untergrenze des Perma­frosts erreicht. „Dann passiert das Gleiche wie in einer Badewanne, in der man den Stöpsel zieht“, erklärt Guido Grosse. Solche überraschenden Öffnungen gibt es auch beim Seitwärtswachsen eines Sees durch den Permafrost. Erreicht die Seitenwand eine Senke, wird dort der Stöpsel gezogen und der See fließt aus. Satellitenbeobachtungen zeigen Guido Grosse, dass diese Prozesse auf sehr großen Flächen und zum Teil in regelrechten Kettenreaktionen stattfinden. Dadurch ändert sich nicht nur die Landschaft im hohen Norden ständig, sondern beschleunigt sich auch das Tauen des Perma­frosts weiter.

Ein riesiges CO2-Lager

So tauen aus dem Eiskeller der Erde jedes Jahr riesige Mengen auf, in denen gleichzeitig die Reste der Pflanzen und Tiere stecken, die einst über die Mammutsteppe liefen. Rasch beginnen Mikroorganismen diese Überreste zu zersetzen. Dabei entsteht das sehr starke Treibhausgas Methan, das zum Beispiel durch die Halme von Sauergräsern rasch in die Atmosphäre strömt und dort das Klima aufheizt. An besser durchlüfteten Stellen mit Sauerstoff im Untergrund wird das nach oben steigende Methan von anderen im Boden reichlich vorkommenden Mikroorganismen zersetzt. Diese Winzlinge atmen Kohlendioxid aus, das den Klimawandel viel schwächer als Methan aufheizt.

Die Dauerfrostböden im hohen Norden setzen aber nicht nur riesige Mengen von Klimagasen frei, sondern fangen einen Teil davon auch wieder ein. Steigen die Temperaturen im Klimawandel, verlängert sich der Sommer, und die Pflanzen haben mehr Zeit zum Wachsen. In dieser Zeit holt die Vegetation mehr Kohlendioxid aus der Luft. „Derzeit gleichen sich diese Prozesse ungefähr aus, und die Dauerfrostböden setzen nicht mehr Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid und Methan frei, als sie wieder aufnehmen“, erklärt Martin Heimann, der gemeinsam mit seinen Kollegen am Max-Planck-Institut für Biogeochemie diese Treibhausgasströme mit bis zu 300 Meter hohen Messtürmen und einigen anderen Einrichtungen analysiert.

Auch AWI-Forscher Guido Grosse und sein Team aus Potsdam untersuchten bis zum Überfall Russlands auf die Ukraine gemeinsam mit russischen Gruppen mit guten Gründen im Lena­delta diese Treibhausgasströme: Während in der Luft derzeit 880 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in Treibhausgasen schweben, lagert in den Permafrostböden mit 1700 Milliarden Tonnen fast die doppelte Menge. Je weiter der Klimawandel die Prozesse im hohen Norden verändert, umso mehr Treibhausgase sollten die auftauenden Böden freisetzen, legen Computer-Modellierungen nahe. Damit dürfte die Aufnahme von Kohlendioxid durch zusätzliche Vegetation bald nicht mehr Schritt halten. Der Permafrost wandelt sich also von einer Senke für Kohlendioxid in eine Quelle. Die zusätzlichen Treibhausgase in der Luft werden dann das Klima weiter aufheizen und so das große Tauen der Permafrostböden noch beschleunigen. So kommt ein Kreislauf in Gang, in dem der Klimawandel sich selbst immer schneller antreibt. Es sei denn, die Maßnahmen zum Klimaschutz greifen schnell, und der fatale Zyklus kommt gar nicht erst in Gang.

Fatale Folgen für die lokale Bevölkerung

Bereits jetzt bringt der Klimawandel einigen Millionen auf dem Permafrost lebenden Menschen erhebliche Probleme. Um Häuser oder Pipelines auf dem im Sommer tauenden Boden fest zu verankern, stehen Gebäude auf Pfeilern, die fest im dauernd gefrorenen Boden gründen. Nur taut der Boden immer tiefer auf, und so manche Stelze verliert im Sommer ihren sicheren Halt. In Städten wie Jakutsk im Osten Sibiriens, in denen die Julitemperaturen durchaus über 30 Grad klettern, stehen viele Häuser daher schief.

Natürlich sind auch Verkehrswege betroffen: „In Fairbanks in Alaska müssen die Straßen bereits nach einem oder zwei Jahren ausgebessert und erneuert werden“, berichtet Guido Grosse. Betroffen sind auch die Fernverbindungen: So lassen sich Eisenbahntrassen im tauenden Boden schlechter unterhalten. Da der Frost später einsetzt, können die mit Wasser aus den vielen Seen angelegten Straßen aus purem Eis erst später gebaut werden und schmelzen früher als bisher dahin. Wenn der Weg aber etliche Tage weniger zur Verfügung steht, sinkt der Nutzen und die Kosten steigen. Weil diese Eisstraßen in abgelegenen Regionen oft die einzige Landverbindung zum Rest der Welt sind, wird das Leben und Wirtschaften in solchen Gebieten daher immer teurer.

Wir alle verlieren

Auch die Umweltkatastrophen häufen sich. Als in der russischen Großstadt Norilsk in Sibirien Ende Mai 2020 eine Hitzewelle im Gefolge des Klimawandels den Öltank eines Wärmekraftwerks platzen ließ, strömten mehr als 17 000 Tonnen Diesel in die Gewässer und lösten eine riesige Ölpest aus. Obendrein wurden bisher diverse Abfälle von Bohrschlamm bis zu Schwermetallen und radioaktivem Sondermüll im Dauerfrost gern unter einer Schicht Torf vermeintlich sicher gelagert. Dieser Sondermüll war im Eiskeller zwar vorübergehend sicher eingefroren, taut aber zunehmend wieder auf und verteilt seinen problematischen Inhalt in der Umwelt.

Selbst die Überlegung, der Klimawandel könnte Bodenschätze leichter zugänglich machen, steht auf Pfeilern aus Eis, die von den steigenden Temperaturen rasch geschmolzen werden. Lassen sich doch die aus dem Untergrund geborgenen Schätze nur auf Verkehrswegen oder in Pipelines abtransportieren, deren Unterhalt im Klimawandel immer teurer wird. Und am Ende schaffen die rasant steigenden Temperaturen im Permafrost kaum Gewinner, aber viele Verlierer.

Dieser Text stammt aus der Mai-Ausgabe des Cicero, die Sie jetzt am Kiosk oder direkt bei uns kaufen können.

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