Permafrost - Moorgebiete: den Boden verlieren in einer wärmer werdenden Welt

Do, 07.11.2019 — Redaktion

RedaktionIcon GeowissenschaftenIn dem am 4. März 2019 erschienenen Bericht „Frontiers 2018/19: Emerging Issues of Environmental Concern“ [1] hat die Umweltorganisation der Vereinten Nationen (UNEP) vor fünf drohenden und bisher unterschätzten Umweltgefahren gewarnt, darunter vor dem infolge des Klimawandels drohenden Auftauen der arktischen Permafrostböden. Gefrorene Moore in diesen Zonen speichern etwa die Hälfte allen Kohlenstoffs, der weltweit in Böden festgehalten ist. Beim Auftauen würde Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid und Methan freigesetzt werden und damit ein Kippelement für eine beschleunigte Erderwärmung darstellen.*

Wegen ihrer bedeutenden Rolle in der Speicherung von Kohlenstoff und der Abschwächung des Klimawandels erhalten die in den Tropen liegenden Moorgebiete viel Aufmerksamkeit. Sie speichern fast 120 Gigatonnen Torfkohlenstoff, dies sind aber nur etwa 20% des gesamten Kohlenstoffs, der in den Moorgebieten der Erde insgesamt eingeschlossen vorliegt. Die größten Mengen lagern in den nördlichsten Gebieten unseres Planeten, wobei die nördliche Polarregion fast die Hälfte des weltweiten organischen Bodenkohlenstoffs in Form von dauerhaft gefrorenem Torf enthält.

Ein Großteil des Bodens auf der Nordhalbkugel friert und taut den Jahreszeiten entsprechend auf; ein Teil bleibt dagegen das ganze Jahr über gefroren. Unter rund 23 Millionen Quadratkilometern des Nordens liegt Permafrost - d.i. ein Boden, der in mindestens zwei auf einander folgenden Jahren auf Minustemperaturen verbleibt. Arktische und subarktische Moore existieren in den Permafrostzonen von Kanada, Dänemark / Grönland, Finnland, Norwegen, Russland, Schweden und den USA. Permafrost-Moorgebiete mit einer Torfschicht von mehr als 40 Zentimetern Dicke bedecken 1,4 Millionen km2 und ein noch größeres Gebiet hat niedrigere Torfschichten. Abbildung 1.

Abbildung 1.Verteilung der Permafrost-Moorgebiete. (Quelle: „Permafrost Peatlands: Losing ground in a warming world“; UNEP-Report [1]; deutsche Beschriftung von Redn. Lizenz cc-by)

Ausgedehnte Permafrost-Moorvorkommen finden sich auch außerhalb der Arktis und Subarktis, beispielsweise in der Mongolei und auf der Qinghai-Tibet-Hochebene, wo Gebirgszüge verhindern, dass warme Meeresluft ins Landesinnere fließt und die Wintertemperaturen sehr niedrig sind.

Permafrost-Moore unterliegen einem raschen Wandel. Die Arktis erwärmt sich jetzt doppelt so schnell wie im globalen Durchschnitt. In den letzten Jahrzehnten sind die südlichen Permafrostgrenzen um 30 bis 80 km nach Norden zurückgewichen, was einen erheblichen Verlust an Bodenbedeckung bedeutet. Die mit dem Abbau des Permafrosts verbundenen Risiken bestehen darin, dass die Mobilisierung und mikrobielle Zersetzung von zuvor eingegrabenem, gefrorenem organischem Material zur Freisetzung von erheblichen Mengen Kohlendioxid und Methan führen kann, welche wiederum die globale Erwärmung bedeutend verstärken könnten. Ein weitgehender Abbau des Permafrosts hätte auch enorme direkte Auswirkungen auf die Ökosysteme, die Hydrologie und die Infrastruktur der Regionen.

Obwohl über Permafrost seit über einem Jahrhundert intensiv geforscht wurde, sind weitere Untersuchungen zu seiner Verbreitung, seinen Eigenschaften und seiner Dynamik erforderlich, um besser verstehen zu können, wie er auf den Klimawandel und Störungen durch den Menschen reagiert. Bei Moorgebieten mit Permafrost sind die Kenntnisse noch unvollständiger. Wie Permafrost-Moore auf ein sich erwärmendes Klima reagieren und welche Rolle sie insgesamt im globalen Klimawandel spielen, ist weit davon entfernt klar verstanden zu werden, da das Zusammenspiel von Permafrost, Ökosystemen und Klima äußerst komplex ist. Obwohl beispielsweise gefrorene (trockene) und aufgetaute (feuchte) Torfgebiete ähnliche Kohlenstoffabscheidungsraten aufweisen und als Kohlenstoffsenke wirken, weisen sie üblicherweise völlig unterschiedliche Fließeigenschaften für Treibhausgase auf und können als Netto-Emissionsquelle wirken. Darüber hinaus können gefrorene und aufgetaute Moorgebiete sich zeitlich und räumlich rasch ändern.

Das Auftauen des Permafrosts wird als eines der "Kippelemente" angesehen, das einen "galoppierenden Treibhauseffekt" oder ein unkontrollierbares "Treibhaus Erde" auslösen kann. Um solch ein zerstörerisches Szenario zu vermeiden, ist es entscheidend, dass der Permafrost der Welt und deren Torfgebiete gefroren bleiben und ihre Kohlenstoffeinlagerungen behalten.

Auftauen von Permafrost, Verrottung von Torf und komplexe Wechselwirkungen

Jedes Jahr des letzten Jahrzehnts war in der Arktis wärmer als das wärmste Jahr im 20. Jahrhundert. Weltweit sind die Temperaturen des Permafrosts in den letzten Jahrzehnten weiter gestiegen. Die stärksten Anstiege der mittleren Jahrestemperaturen des Permafrosts wurden in den kältesten Gegenden der Arktis beobachtet, wohingegen der Anstieg in "wärmeren" Permafrostzonen und in diskontinuierlichen Permafrostzonen viel geringer war. An einigen Orten sind die Temperaturen des Permafrosts aufgrund der jüngsten kalten Winter geringfügig gesunken.

Mit steigenden Temperaturen führt das Auftauen von eisreichem Permafrost oder das Abschmelzen von Grundeis zu ausgeprägten Einsenkungen in der Landschaft, die als Thermokarst bezeichnet werden. In den letzten Jahrzehnten scheint sich die Thermokarstbildung in Moorgebieten in den diskontinuierlichen Permafrostzonen beschleunigt zu haben. Langzeitbeobachtungen in der gesamten Arktis lassen jedoch auf keine einheitlichen, auf die globale Erwärmung zurückzuführenden Trends bei der Thermokarstentwicklung schließen.

Wenn vormals gefrorener Boden aufgrund des Tauens einbricht, ermöglicht das Einsinken die Entstehung kleiner, neuer Gewässer, die sich später zu Seen entwickeln können. Die Bildung von Thermokarstseen beschleunigt das Auftauen des Permafrosts - es wird noch schneller und geht tiefer. Andererseits könnte die Ausbreitung dieser Seen auch die Konnektivität von Entwässerungsnetzen verbessern und den Abfluss von Seen, das Nachwachsen der Vegetation, die Torfbildung und die Wiederherstellung des Permafrosts fördern. Diese gegensätzliche Dynamik verdeutlicht, dass es dringend notwendig ist die möglichen Auswirkungen des Trends der Erwärmung besser zu verstehen. Abbildung 2.

Abbildung 2. Moorgebiete und Permafrost: die Rolle von Torf, Pflanzen und Wasser (Quelle: „Permafrost Peatlands: Losing ground in a warming world“; UNEP-Report [1]; deutsche Beschriftung von Redn. Lizenz cc-by)

Der Klimawandel und erhöhte Temperaturen haben die Häufigkeit von Waldbränden in der Arktis dramatisch erhöht, wobei sich die Feuer in den Grenzregionen von Tundra und Wald-Tundra ausbreiten. Angefacht durch die Torfablagerungen setzen Brände enorme Mengen an Kohlenstoff frei, zerstören Vegetation und isolierende Bodenschichten und verringern die Albedo des Bodens (das Lichtreflexionsvermögen). Dies führt zu einer erhöhten Verletzlichkeit durch den Klimawandel und ausgedehnter Entwicklung von Thermokarst. Die Auswirkungen von beiden, wärmeren Temperaturen und Waldbränden, werden selbst unter den konservativsten Szenarien als besonders schwerwiegend für die diskontinuierlichen Permafrostzonen vorhergesagt, wobei die klimatischen Bedingungen für den Permafrost insgesamt ungünstig werden. Dies kann zu Veränderungen der Vegetationsarten und deren Ertrag führen, was wiederum größere und häufigere Waldbrände auslösen kann.

Ein weiterer Effekt der durch den Klimawandel verursachten Erwärmung besteht darin, dass das Auftauen des Permafrost beträchtliche Mengen an Methan, einem starken Treibhausgas, in die Umwelt freisetzen kann. Auch wenn es große Unterschiede in den Schätzungen der arktischen Methan-Emissionen gibt, so scheinen die aktuellen globalen Klimamodelle auf einen nur geringfügigen Anstieg der Methan-Emissionen aus den nördlichen Permafrost-Regionen zu schließen. Allerdings beinhalten die meisten Modelle keine adäquate Darstellung der Auftau-Prozesse.

In einer kürzlich durchgeführten Modellstudie wurden die langfristigen klimatischen Folgen des Permafrost-Abbaus untersucht, wobei die auf kürzlich gebildete Thermokarstseen bezogenen abrupten Auftauprozesse berücksichtigt wurden. Das Ergebnis lässt darauf schließen, dass innerhalb dieses Jahrhunderts die Freisetzung von Kohlenstoff in Form von Methan einen geringen Anteil an der gesamten Kohlenstoff-Freisetzung aus neu aufgetautem Permafrost ausmacht, jedoch bis zu 40% der zusätzlichen Erwärmung auf neu aufgetauten Permafrost zurückzuführen ist.

Der Klimawandel ist nur einer von vielen Faktoren, welche die Veränderungen in Permafrost-Mooren direkt beeinflussen. Jegliche Störung des Oberflächenbodens kann zu einer Degradation des Permafrosts führen, dazu gehören natürliche Prozesse wie Wald- oder Tundrabrände und anthropogene Störungen wie Entwicklung und Bau von Industrie- und städtischen Infrastrukturen, Bergbau, Tourismus und Landwirtschaft. Diese vielen Formen der Entwicklung in Permafrost-Torfgebieten lassen häufig die Besonderheiten der Gebiete außer Acht und verursachen eine Zerstückelung der Landschaft und eine Störung des Wasserkreislaufs. In Russland wurden 15% des Tundra-Territoriums durch Transportaktivitäten zerstört, was zum Auftauen von Permafrost, Erosion, Absinken und zur Entwicklung von Thermokarst führte. Etwa 45% der Erdöl- und Erdgasfördergebiete in der russischen Arktis befinden sich in den ökologisch empfindlichsten Gebieten, häufig in Moorgebieten, dazu gehören die Region Petschora, der Polarural sowie Nordwest- und Mittelsibirien. Der steigende Bedarf an natürlichen Ressourcen und die aufgrund der wärmeren Bedingungen verbesserte Erreichbarkeit von Frostgebieten können in Zukunft zu einer Zunahme der industriellen und infrastrukturellen Aktivitäten führen und die Störung von Mooren und Permafrost verstärken. Die daraus resultierenden Veränderungen werden sich auch auf die dort heimische Bevölkerung auswirken, die seit Generationen von der Nutzung eines Landes wie den Mooren für Nahrungsmittel, Rentiere, Wild und Fisch abhängig waren.

Die Wahrnehmung von Permafrost-Mooren wächst

Seit mehr als einem Jahrhundert und in zunehmendem Maße in den letzten Jahrzehnten sind Permafrostregionen Gegenstand von Forschung und technologischer Entwicklung geworden, um sich mit deren besonderen wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen auseinander zu setzen. Trotz der Leistungen der Internationalen Permafrost-Vereinigung und des Global Terrestrial Network for Permafrost bleiben große Lücken im regional-und habitatspezifischen Wissen bestehen, nicht zuletzt aufgrund extremer klimatischer Bedingungen, eingeschränkter Zugänglichkeit und eines komplexen geopolitischen Umfelds. Ein aktueller (aus 2018 stammender) Überblick weist darauf hin, dass in der wissenschaftlichen Literatur 30% aller Zitate über Feldversuche in der Arktis primär aus der direkten Umgebung von nur zwei Forschungsstationen stammen: Toolik Lake in Alaska und Abisko in Schweden. Dies könnte den wissenschaftlichen Konsens beeinflussen und zu ungenauen Vorhersagen über die Auswirkungen des Klimawandels in der Arktis führen.

Mit dem wachsenden Bewusstsein für Klimawandel und Eisschmelze in der Arktis versuchen die jüngsten Assessments Aspekte wie den sozial-ökologischen Wandel, Regimewechsel und die Rolle menschlichen Handelns bei Anpassung und Umgestaltung in zunehmendem Maße einzubeziehen. Um die Auswirkungen von Auftauen und Abbau des Permafrosts zu untersuchen, werden Großforschungsprojekte entwickelt. Dazu gehört die Initiative "Arctic Development and Adaptation to Permafrost in Transition" (ADAPT), die mit 15 Laboratorien in ganz Kanada und anderen Forschergruppen zusammenarbeitet, um ein integriertes Rahmenwerk für Erdsystemwissenschaften in der kanadischen Arktis zu entwickeln. Gesetze wie der "Ontario's 2010 Far North Act" gehen zusammen mit neuen Planungsinitiativen zur Erschließung und zum Schutz des hohen Nordens durch einen Planungsprozess der Landnutzung in Absprache mit den Ureinwohnern (First Nations).

Der Arktische Rat ist ein Beispiel für eine starke internationale Zusammenarbeit, die besonders dazu beigetragen hat, Wissen für die nationale und internationale Politik zu generieren und zu vertiefen, wie etwa mit dem 2017 Bericht über Schnee, Wasser und Permafrost in der Arktis. Zwar wird anerkannt, dass die arktischen Staaten eine Schlüsselrolle als Verwalter der Region spielen, doch sind auch Anstrengungen anderer Akteure erforderlich, um Permafrost-Torfgebiete zu schützen und dafür zu sensibilisieren. Eine Reihe internationaler Organisationen, wie das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) - durch seinen IPCC-Special Report on the Ocean and the Cryosphere in a Changing Climate -, die World Meteorological Organization und das International Science Council durch das Internationale Arktis-Wissenschaftskomitee, haben sich zunehmend engagiert, um Bewusstsein und Verständnis für die Auswirkungen der arktischen Veränderungen zu erhöhen.

Wissenserwerb und Erweiterung von Netzwerken

Darüber, wie schnell sich Permafrost-Moore verändern und welche Auswirkungen diese Veränderungen auf lokaler und globaler Ebene haben werden, besteht große Unsicherheit. Um weitere Forschung langfristig zu finanzieren und praktikable Strategien zur Reduzierung von Schwachstellen zu entwickeln, bedarf es internationaler Zusammenarbeit. Die Nationen müssen bei einer Reihe umsetzbarer Maßnahmen kooperieren, die traditionelles und lokales Wissen anerkennen und anwenden, den Austausch mit Interessengruppen erleichtern und wirksame Beobachtungsnetzwerke aufbauen. Gleichzeitig werden Öffentlichkeitsarbeit und Aufklärung über die Risiken, die wahrscheinlichen Auswirkungen und möglichen Optionen zur Anpassung der Schlüssel zur Entwicklung einer "informed governance" und Politik sein.

Obwohl es ein Netzwerk von Beobachtungsstationen gibt, die Informationen über allgemeine Trends der Änderungen des Permafrosts liefern, ist die räumliche Verteilung der Standorte sehr ungleichmäßig. Es bestehen große Lücken im Netzwerk insbesondere in der zentralen Kanadischen und zentralen Sibirischen Arktis, in Grönland, im russischen Fernen Nordosten, auf dem tibetischen Plateau und in der subarktischen Region. Die rechtzeitige Beurteilung des globalen Zustands von Permafrost erfordert die Erweiterung bestehender Forschungs-Netzwerke zu einem umfassenderen Überwachungsnetz. Dieses erweiterte Netzwerk sollte für alle Beteiligten, von Klimaforschern bis zur allgemeinen Öffentlichkeit, optimal nutzerfreundlich gestaltet sein und die Verwendung standardisierter Messungen und leicht zugänglicher Datenbanken einschließen. Länder mit ausgedehnten Permafrostzonen würden von der Ausarbeitung von Anpassungsplänen profitieren, welche die potenziellen Risiken abschätzen und Strategien zur Minderung der Schäden und Kosten des Permafrostabbaus enthalten. Abbildung 3 zeigt das Beispiel eines russischen Permafrost-Moorgebietes.

Abbildung 3. Permafrost Moorgebiet mit zahlreichen Seen in Einsenkungen, Cape Bolvansky, Russland. Photo Credit; Hans Joosten (Quelle: „Permafrost Peatlands: Losing ground in a warming world“; UNEP-Report [1]; Lizenz cc-by)

Permafrost-Moore als Kohlenstoff-Hotspots stellen ein besonderes, sehr vielfältiges und dynamisches Umfeld dar, das komplexe Zusammenhänge zwischen Kohlenstoff im Boden, Hydrologie, Permafrost, Vegetation und Menschen umfasst. Die größten Wissenslücken liegen im begrenzten Verständnis der Wechselbeziehungen zwischen den Prozessen und in der Unzulänglichkeit aktueller Studien und Modelle. Weitere Forschungen sind erforderlich, um die genaue Lage der Permafrost-Torfgebiete, ihre Veränderung und ihr Freisetzungspotential zu untersuchen. Klimamodelle müssen Kohlenstoffemissionen aus der Mobilisierung von Permafrostkohlenstoff berücksichtigen. Um die Reaktion und das Feedback von Permafrost-Torfgebieten auf den Klimawandel besser zu charakterisieren, ist es wichtig, über disziplinübergreifende Untersuchungen hinauszugehen. Dies erfordert eine Annäherung an eine Integration und Feldbeobachtungen sowie retrospektive - oder paläo-umweltbezogene - Studien, Fernerkundung und dynamische Modellierung. Die physikalische Komplexität von Permafrost-Mooren und das signifikante Risiko ihrer möglichen Verschlechterung und Störung erfordern auch einen ganzheitlicheren Ansatz für die Planung der Landnutzung und Bewirtschaftung, der ein besseres integriertes Wissen für Planer und Entscheidungsträger erfordert.

Die Arktis hat bereits begonnen, sich erheblich zu verändern. Selbst bei vollständiger Umsetzung des Pariser Übereinkommens gemäß der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen ist es wahrscheinlich, dass sich die arktische Umwelt bis zum Ende des Jahrhunderts erheblich von der heutigen unterscheidet. Die nahezu unvermeidliche Beschleunigung der Auswirkungen verstärkt den dringenden Bedarf an lokalen und regionalen Anpassungsstrategien, die auf diese kohlenstoffdichten nördlichen Ökosysteme abzielen. Die umsichtige Bewirtschaftung von Permafrost-Mooren wird der Schlüssel zu Treibhausgasemissionen, zur Verringerung der menschlichen und ökologischen Gefährdung und zum Aufbau einer langfristigen Klimaresilienz sein.


[1] Umweltorganisation der Vereinten Nationen (UNEP) „Frontiers 2018/19: Emerging Issues of Environmental Concern“ (4. März 2019) . https://wedocs.unep.org/bitstream/handle/20.500.11822/27538/Frontiers1819.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Anmerkung der Redaktion:

Ein kürzlich (am 21.10.2019) in Nature Climate Change erschienener Artikel  (Large loss of CO2 in winter observed across the northern permafrost region; https://www.nature.com/articles/s41558-019-0592-8) hat die Ergebnisse an 100 arktischen Permafrost-Prüfstellen untersucht: im Mittel scheinen hier doppelt so hohe Kohlenstoffmengen in die Umwelt emittiert zu werden und so zur Klimaerwärmung beizutragen als man ursprünglich schätzte.

 Ein nicht zu überhörender Warnruf, auch wenn Zahl und Lokalisierung der Meßpunkte  nicht repräsentativ für den arktischen Permafrostbereich sein dürften!


* Der Artikel "Permafrost Peatlands: Losing ground in a warming world“ stammt aus dem unter [1] angeführten UNEP-Report „Frontiers 2018/19: Emerging Issues of Environmental Concern“ (4. März 2019). Der Text des unter einer cc-by Lizenz stehenden Artikels wurde von der Redaktion vollständig und möglichst wortgetreu aus dem Englische übersetzt und durch 3 Bilder aus dem Original ergänzt.


Weiterführende Links

Permafrost – Was ist das? Video (2016) 13:04 min
Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung .

Ambarchik: Permafrost-Forschung an der sibirischen Eismeerküste. Video (2018) 4:25 min.
Max-Planck-Institut für Biogeochemie.

Russland: Das Ende des Permafrosts | Weltspiegel (2019) Video 7:05 min.


Artikel im ScienceBlog:

Auf die im UNEP-Report 2018/19 genannten fünf wichtigsten Herausforderungen, welche die natürlichen Lebensgrundlagen auf unserem Planeten künftig maßgeblich mitbestimmen werden - Synthetische Biologie, Ökologische Vernetzung , Permafrostmoore im Klimawandel (aktueller Artikel), Stickstoffkreislaufwirtschaft und Fehlanpassungen an den Klimawandel  - nehmen im ScienceBlog folgende Artikel Bezug:

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