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Permafrostböden Taut der Dauerfrostboden, bekommt das die Welt zu spüren

Der Klimawandel lässt die Temperaturen selbst in den Dauerfrostböden in einigen Metern Tiefe steigen. Wenn der Permafrostboden taut, wirkt sich das nicht nur auf die Erderwärmung, sondern ganz konkret und folgenschwer vor Ort aus.

Stand: 11.01.2022

Besonders stark erwärmen sich die Permafrostböden in Sibirien. Im Bild: die sibirische Permafrostinsel Samoylov. Taut der Dauerfrostboden auf, wirkt sich das auf die Erderwärmung, besonders aber auf Mensch und Tier direkt vor Ort aus. | Bild: Alfred-Wegener-Institut (AWI)/Torsten Sachs

Rund ein Sechstel der gesamten Erdoberfläche gilt als Permafrostgebiet. Es zeichnet sich dadurch aus, dass der Boden dort mindestens zwei Jahre lang dauerhaft gefroren ist. Oft steckt die Kälte in solchen Regionen schon seit Jahrtausenden im Erdreich, sodass der Dauerfrost bis in eine Tiefe von mehreren hundert Metern, im Extremfall rund eineinhalb Kilometer tief, reichen kann. Permafrost besteht aus Gestein, Sedimenten, Erde - und unterschiedlichen Mengen an Eis. Permafrostböden gibt es in den kalten Klimazonen der hohen Breitengrade und in Hochgebirgen. Man findet den speziellen Boden in Alaska, Skandinavien, Russland, Kanada, China und Grönland, aber auch in Deutschland: auf der Zugspitze.

Weichen Permafrostböden auf, wirkt sich das auf die Welt aus

Tauende Permafrostböden haben weitreichende Folgen: Weichen sie auf, wirkt sich das auf das weltweite Klima und auf ganze Ökosysteme, aber auch auf die Landschaft, Infrastruktur, Wirtschaft und Bevölkerung vor Ort aus: Treibhausgase werden freigesetzt, die die Erderwärmung beschleunigen. Permafrost ist eigentlich wasserundurchlässig - wenn er schmilzt, kann darüber liegendes Wasser versickern, Seen und Feuchtgebiete vertrocknen. Der Boden wird instabil und verschiebt sich, Küsten stürzen weg, Häuser, Brücken und Leitungen brechen zusammen. Erdrutsche und Steinschläge gefährden die Bevölkerung zusätzlich.

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Permafrost – Was ist das? | Bild: Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (via YouTube)

Permafrost – Was ist das?

Aus tauenden Permafrostböden entweichen Treibhausgase

Permafrost-Kohlenstoff-Rückkopplung

Permafrost erwärmt sich und setzt Kohlendioxid und Methan frei. Die Treibhausgase tragen zur Erderwärmung bei. Und die wiederum dazu, dass der Permafrostboden noch weiter auftaut und noch mehr Treibhausgase in die Atmosphäre entlässt. Ein sich selbst erhaltendes und sogar beschleunigendes System. Der Vorgang wird auch "Permafrost-Kohlenstoff-Rückkopplung" genannt.

Permafrostboden kann man sich wie eine riesige Tiefkühltruhe im Erdreich vorstellen. Die Überreste von Pflanzen und Tieren sind darin seit Jahrtausenden konserviert. Normalerweise ist er gefroren und fest wie Zement. Mit der Erderwärmung steigen jedoch auch im Untergrund die Temperaturen. Taut das organische, kohlenstoffhaltige Material im Boden auf, wird es von Mikroorganismen zersetzt. Kohlendioxid (CO2) und Methan werden freigesetzt, die als Treibhausgase den Treibhauseffekt verstärken, die Erwärmung der Atmosphäre vorantreiben und so die globale Temperatur erhöhen. Methan sogar 25-mal so stark wie Kohlendioxid. Oft ist deshalb die Rede von der drohenden "Methanbombe" aus Permafrostböden. Laut Alfred-Wegener-Institut (AWI) geht man derzeit davon aus, dass im organischen Material der Permafrostböden bis zu 1.500 Gigatonnen Kohlenstoff enthalten sind - fast doppelt so viel wie die aktuelle Menge in unserer Atmosphäre.

"Methan kommt zwar nur in geringer Konzentration vor, ist dabei aber besonders gefährlich, da sein Erwärmungspotenzial um ein Vielfaches höher ist als bei CO2."

Nikolaus Froitzheim, Geologe, Institut für Geowissenschaften, Universität Bonn

So lassen auftauende Permafrostböden die Temperatur weltweit steigen

Eine globale Vergleichsstudie des internationalen Permafrost-Netzwerks GTN-P (Global Terrestrial Network for Permafrost), an der auch das Alfred-Wegener-Institut (AWI) maßgeblich beteiligt war, zeigte 2019, dass in allen Gebieten mit Dauerfrostboden weltweit die Temperatur in mehr als zehn Metern Tiefe im Zeitraum von 2007 bis 2016 um durchschnittlich 0,3 Grad Celsius gestiegen ist. Beobachtet wurden die Arktis ebenso wie die Antarktis, aber auch die Hochgebirge Zentralasiens und sogar die Alpen. Die Wissenschaftler gehen in ihrer Studie davon aus, dass die Treibhausgase aus auftauenden Permafrostböden die globale Temperatur bis zum Jahr 2100 um weitere 0,13 bis 0,27 Grad Celsius ansteigen lassen könnten.

Prognose: Tauender Permafrost erhöht Temperatur bis 2100 um 0,2 Grad

Die meisten bisherigen Projektionen gehen davon aus, dass die Treibhausgase aus tauendem Permafrost bis 2100 etwa 0,2 Grad Celsius zur weltweiten Erwärmung beitragen werden. Wahrscheinlich werden die Permafrostböden bis dahin sogar für einen höheren Wert verantwortlich sein - und dies nicht nur, weil sich der Klimawandel immer weiter beschleunigt. Für die Modellrechnungen wurden bislang meist ausschließlich die Emissionswerte hinzugezogen, die entstehen, wenn sich pflanzliche und tierische Überreste in den Permafrostböden selbst zersetzen. Mittlerweile weiß man jedoch, dass die Treibhausgase in auftauenden Permafrostgebieten auch aus Steinböden entweichen können - und diese Werte in den Prognosen noch berücksichtigt werden müssten.

Methan entweicht in Permafrostgebieten auch aus Steinböden

Treibhausgas-Emissionen in Sibirien untersucht

Eine im August 2021 veröffentlichte Studie, an der auch der Geologe Nikolaus Froitzheim vom Institut für Geowissenschaften der Universität Bonn beteiligt war, zeigt, dass Treibhausgase in Permafrostgebieten nicht nur aus organischem Bodenmaterial entweichen, sondern auch aus kalksteinhaltigen Böden. Die Wissenschaftler haben hierfür die räumliche und zeitliche Verteilung der Methankonzentration in der Luft Nordsibiriens mit geologischen Karten verglichen.

Methan entweicht auch aus Kalkstein

Die Geologen stellten fest, dass während der Hitzewelle im Sommer 2020 in zwei besonderen Gebieten im Norden Sibiriens die Methan-Konzentrationen um etwa fünf Prozent erhöht waren und monatelang bestehen blieben: im Taymyr-Faltengürtel und dem Rand der Sibirischen Plattform. Auffällig an diesen beiden langgestreckten Gebieten ist, dass der Untergrund dort von vielen Millionen Jahre alten Kalksteinformationen geprägt ist.

Kalkstein wurde durch die Erwärmung durchlässig

"Die Bodenbildungen in den beobachteten Gebieten sind sehr dünn oder fehlen ganz, was die Zersetzung von organischer Substanz in den Böden als Quelle des Methans unwahrscheinlich macht", berichtet Nikolaus Froitzheim. Die Geologen befürchten deshalb, dass die bisher mit Eis und Gashydrat gefüllten Kluft- und Höhlensysteme im Kalkstein durch die Erwärmung durchlässig wurden. "Dadurch dürfte Erdgas, das zum größten Teil aus Methan besteht, aus Lagerstätten im Permafrost und unter dem Permafrost den Weg an die Erdoberfläche gefunden haben", erklärt Geologe Froitzheim.

Dramatische Folgen für Klima befürchtet

Dieser Hypothese wollen die Wissenschaftler nun mit Messungen vor Ort und mit Modellrechnungen nachgehen, um herauszufinden, wie schnell und in welchem Umfang Erdgas freigesetzt werden kann. "Die Mengen von Erdgas, die im Untergrund Nordsibiriens vermutet werden, sind gewaltig. Wenn Teile davon durch den tauenden Permafrost in die Atmosphäre gelangten, könnte das dramatische Auswirkungen auf das ohnehin schon überhitzte Klima der Erde haben", betont Nikolaus Froitzheim.
Die Studie wurde im August 2021 in der Fachzeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS) veröffentlicht.

Permafrostböden setzen Umweltgifte wie Quecksilber frei

Mit dem Klimawandel wärmer werdende Permafrostböden wirken sich jedoch nicht nur auf die Temperatur und damit wiederum auf den Klimawandel aus. Im Permafrostboden sind auch Umweltgifte eingelagert - zum Beispiel große Mengen an Quecksilber. Im gasförmigen Zustand gelangen sie mit Luftströmungen an die Pole, landen dort am Boden und frieren fest. Taut der Boden auf, gelangen die Giftstoffe in die Umwelt und in die Nahrungskette.

Gefahr für Straßen und Häuser: Taut der Dauerfrostboden, sackt der Boden ab

Wenn Permafrostboden auftaut, verlieren die Menschen vor Ort buchstäblich den Boden unter den Füßen: Vor allem in der Arktis wurden auf dem Dauerfrostboden Häuser, Straßen, Flughäfen und Pipelines errichtet. Weltweit sind mehr als tausend Siedlungen und Städte mit zusammen etwa fünf Millionen Menschen auf arktische gefrorene Böden gebaut, sagt Mathias Ulrich, Geograf an der Universität Leipzig. "Prognosen gehen davon aus, dass in 30 Jahren 42 Prozent dieser Siedlungen permafrostfrei sind." Und wenn sich der Boden erwärmt, kann er wegsacken und die Bauten mitreißen.

Aufgetauter Permafrost: Schäden an bis zu 50 Prozent der Infrastruktur

Eine internationale Forschungsgruppe um Jan Hjort von der University of Oulu (Finnland) legte im Fachjournal "Nature Reviews Earth & Environment" zu diesem Problem nun Zahlen vor: Laut den Berechnungen dürften bis 2050 zwischen 30 und 50 Prozent der Gebäude und Infrastruktur-Einrichtungen in den von Permafrost geprägten nördlichen Gebieten von Schäden verschiedener Schweregrade bedroht sein. Die Forscherinnen und Forscher identifizierten die gefährdeten Bereiche mithilfe von auf Geodaten basierenden statistischen Analysen. Betroffen sind vor allem Kanada, Alaska, Grönland, die Hochebene von Tibet und Russland.

Insbesondere in Russland, dem flächenmäßig größten Land der Erde, dürfte das langsame Auftauen der Permafrostböden zu einem großen Problem werden. Denn fast zwei Drittel der Bodenfläche sind dort dauerhaft gefroren. Die Prognose der Forschungsgruppe: Die Reparaturkosten für Permafrost-bedingte Schäden am russischen Straßennetz belaufen sich für die Jahre 2020 bis 2050 auf circa sieben Milliarden US-Dollar.

Gebäudeschutz: Häuser werden auf Pfählen gebaut

Wie in vielen Permafrostgebieten stehen in der nördlichsten Großstadt der Welt, dem russischen Norilsk, die Häuser deshalb auf zehn bis 30 Meter langen Pfählen. So soll verhindert werden, dass Gebäude bei Temperaturschwankungen zusammenbrechen. Doch wenn es immer wärmer wird, senkt sich der Boden immer tiefer ab: Sei der Boden drei bis fünf Meter in die Tiefe hinein aufgetaut, könne er sich bis zu einem Meter absenken, berichtet Ingenieur Ali Kerimow, Direktor der Forschungs- und Produktionsgesellschaft Fundament. Dann können auch die Pfähle die Häuser nicht mehr vor dem Einsturz bewahren. Besonders gefährlich wird es, wenn auch Pipelines oder Tanks beschädigt werden und Treibstoff in den Boden sickert.

Schutz für die Infrastruktur: Lösungen für auftauende Permafrostböden

Um die Infrastruktur und damit auch die Bevölkerung in Permafrostgebieten zu schützen, sind neue Ideen und Entwicklungen gefragt. Ingenieur Kerimow setzt sich für regelmäßige Überwachungen von gefrorenen Böden ein: "Das Überwachungssystem sollte so aufgebaut sein, dass Änderungen der Bodentemperatur und eine mögliche geringere Tragfähigkeit des Fundaments fünf bis zehn Jahre im Voraus vorhergesagt werden können." Dann bliebe genug Zeit, um Mittel und Wege zu finden, geeignete Maßnahmen für mehr Sicherheit rechtzeitig umzusetzen.

Nur noch kleine Gebäude auf Permafrostboden

Schon jetzt werden an vielen Orten Fundamente und Böden künstlich gekühlt, damit Häuser auf schmelzendem Permafrost nicht zusammenbrechen. Dabei greifen die Experten auf sogenannte Thermostabilisatoren zurück. An neuen Materialien für Fundamente, die mit Temperaturschwankungen besser zurechtkommen, wird geforscht. Da Schäden und damit Gefahren vorprogrammiert sind, sollten in Permafrostgebieten keine neuen Gebäude ohne solche neuartigen Lösungsansätze mehr errichten werden. Auf neue Hochhäuser verzichtet Norilsk bereits: Seit 2002 werden nur noch kleinere Gebäude auf dem tauenden Boden gebaut.


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