Anthropogene Erwärmung: Unterseeische Permafrostböden tauen verzögert auf

Der unterseeische Permafrost ist eine bisher vernachlässigte Komponente des Klimasystems. In einer in der Zeitschrift The Cryosphere veröffentlichten Studie haben die Autor*innen Stiig Wilkenskjeld und Victor Brovkin vom Max-Planck-Institut für Meteorologie und ihr ehemaliger Kollege Matteo Puglini zusammen mit Frederieke Miesner und Paul P. Overduin vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung einen ersten Schritt zur Einbeziehung von unterseeischen Permafrostprozessen in ein Erdsystemmodell gemacht. Die Studie zeigt, dass sich der Permafrost im Meer, auch wenn er derzeit unempfindlich zu sein scheint, in mehr als 100 Jahren dramatisch verändern kann. Diese Entwicklung hängt von den Entscheidungen ab, die heute getroffen werden.

Foto: Duvanni Yar, Sibirien / Credit: Martin Heimann

Permafrostböden bildeten sich während der Eiszeiten an jenen Stellen an Land, wo sich kein Gletscher befand.  Nach dem Schmelzen des Eisschildes vor etwa 18 bis 6 Tausend Jahren wurden die arktischen Küstenregionen aufgrund des Meeresspiegelanstiegs von etwa 120 m überflutet. Etwa drei Millionen Quadratkilometer kohlenstoffhaltiger Permafrostböden – eine Fläche fast 1,5 Mal so groß wie Grönland – wurden von Meerwasser überlagert, hauptsächlich das flache Ostsibirische Schelf. Aufgrund der relativ hohen Temperatur des Meerwassers taut dieser Permafrostboden immer weiter auf. Er wird im Laufe von mehreren Jahrtausenden verschwinden und den Großteil des in ihm gebundenen Kohlenstoffs an den Ozean und die Atmosphäre abgeben. Der Klimawandel hat das Potenzial, das Auftauen stark zu beschleunigen und damit die Freisetzung von Kohlenstoff zu erhöhen. Dem unterseeischen Permafrost wurde in den IPCC-Sachstandsberichten viel weniger Aufmerksamkeit gewidmet als seinem Gegenstück an Land, wodurch potenziell wichtige klimatische Rückkopplungen nicht berücksichtigt worden sind. Die Studie von Wilkenskjeld et al., die im Rahmen des EU-Horizont 2020-Projekts Nunataryuk durchgeführt wurde, versucht diese Lücke zu schließen.

 

Die Forschenden modifizierten JSBACH, die Landkomponente des Erdsystemmodells des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPI-ESM), und simulierten das Auftauen des unterseeischen Permafrosts bis zum Jahr 3000. Sie fanden heraus, dass der unterseeische Permafrost verzögert auf Klimaänderungen reagiert. Die Unterschiede in den Auftaugeschwindigkeiten zwischen den Szenarien zur Minderung des Klimawandels und der Projektion mit starkem Klimaantrieb treten erst gegen Ende des 21. Jahrhunderts auf und zeigen extreme Unterschiede im 22. Jahrhundert (Abb. 1). In der Projektion mit starkem Klimaantrieb verschwindet das Eis des unterseeischen Permafrosts 15-mal schneller als in einem vorindustriellen Klima. Bei den moderateren Projektionen übersteigt dieses Verhältnis nur für einen kurzen Zeitraum den Wert 4. Dies zeigt, dass es Komponenten des Klimasystems gibt, deren Auswirkungen erst auf einer längeren Zeitskala als der von den Standard-Klimaprojektionen, die in der Regel im Jahr 2100 endet, auftreten. Das verstärkte Auftauen des unterseeischen Permafrosts fällt mit dem fast vollständigen Verschwinden des Meereises zusammen. Im Szenario mit starkem Antrieb steigt die Temperatur des Bodenwassers auf dem Schelf nach dem Verschwinden des Meereises um das Jahr 2100 um mehr als 10 °C an. Ein solcher Temperaturanstieg verstärkt den Wärmetransport in die Ozeansedimente und begünstigt damit das Schmelzen des unterseeischen Permafrosts. Insgesamt sind bei der Projektion mit starkem Klimaantrieb bis zum Jahr 3000 etwa 40 % des unterseeischen Permafrosts geschmolzen, während bei keiner der gemäßigteren Projektionen mehr als 15 % schmelzen.

 

Stiig Wilkenskjeld kommentiert: „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Meereis effizient wie ein Deckel wirkt, der eine starke Erwärmung des Ozeanwassers über dem arktischen Schelf verhindert. Diese Verbindung zwischen Meereis und dem Eis des unterseeischen Permafrosts ist eine wichtige Erkenntnis, an die bisher nur wenige gedacht haben.“ Victor Brovkin fügt hinzu: „Da Eis in ozeanischen Sedimenten schwer zu beobachten ist, kann die Überwachung des Meereises uns eine grobe Schätzung darüber geben, wie schnell der unterseeische Permafrost auftauen wird.“

 

Das nächste Ziel ist die Verknüpfung vom Auftauen des Permafrosts mit Methanemissionen. Dies soll in Zusammenarbeit mit mehreren Partnern im Nunataryuk-Projekt, einschließlich der Gruppe für Sedimentbiogeochemie an der Université Libre de Bruxelles und der Gruppe für Meeresbiogeochemie am Max-Planck-Institut für Meteorologie, erfolgen.

 

Abb. 1: Schmelzrate des arktischen unterseeischen Permafrosteises für verschiedene Klimaprojektionen im Vergleich zu Schmelzraten in einem vorindustriellen Klima. Die Experimente folgen den Standardprojektionen, die im Rahmen des Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) des IPCC verwendet werden. Das dunkelblaue Szenario ist ein starkes Anpassungsszenario, das auf eine globale Erwärmung von weniger als 2 °C abzielt, das hellblaue Szenario ist ein mittleres Anpassungsszenario und das rote das „Business-as-usual“-Szenario (keine Anpassungsmaßnahmen).

 

Originalpublikation:

Wilkenskjeld, S., Miesner, F., Overduin, P. P., Puglini, M., and Brovkin, V.: Strong increase in thawing of subsea permafrost in the 22nd century caused by anthropogenic climate change, The Cryosphere, 16, 1057–1069, https://tc.copernicus.org/articles/16/1057/2022/, 2022.

 

Kontakt:

Stiig Wilkenskjeld
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: stiig.wilkenskjeld@we dont want spammpimet.mpg.de

Prof. Victor Brovkin
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: victor.brovkin@we dont want spammpimet.mpg.de