Die ungewisse Zukunft des Permafrostes

Im Jahr 1827 versuchte der russische Kaufmann Fjodor Schergin, auf seinem Grundstück im sibirischen Jakutsk einen Brunnen zu graben. Doch statt auf Grundwasser stieß er nur auf gefrorenen Boden. In 15 Metern Tiefe gab er auf. Als einige Zeit später Wissenschaftler auf die missglückte Unternehmung aufmerksam wurden, überredeten sie Schergin, weiter zu graben. Nach zehn Jahren hatte die Mine ihre heutige Tiefe von 116 Metern erreicht, und Jakutsk wurde als Wiege der Permafrostforschung bekannt.

Dauerhaft gefrorener Boden, auch Permafrost genannt, ist ein Relikt der letzten Eiszeiten. Es handelt sich um Böden, deren Temperatur mindestens zwei Jahre in Folge unter dem Gefrierpunkt liegt – wobei es egal ist, ob sie aus Torf, lockerem oder festem Gestein bestehen oder ob sie Eis enthalten. Der meiste Permafrost befindet sich auf der Nordhalbkugel der Erde. Er bedeckt dort etwa ein Viertel der Landoberfläche, hauptsächlich nördlich des Polarkreises. In Skandinavien reicht er 20 Meter, in Alaska mehrere hundert und in Sibirien bis zu 1500 Meter in die Tiefe – was erklärt, warum Schergins Versuch, flüssiges Wasser in seinem Garten zu finden, scheitern musste.

Das Tauen des Permafrostes verändert aber nicht nur das Gesicht der Arktis – es hat auch Auswirkungen auf das Klima der Erde. Denn die Böden in der Permafrostregion speichern gewaltige Mengen von Kohlenstoff – aktuell etwa zweimal so viel wie die Atmosphäre. Dieser liegt in der Form von abgestorbenen Pflanzen vor, deren Zersetzung durch die tiefen Temperaturen und die Abwesenheit von Sauerstoff unterbunden wird. Wenn der Permafrost auftaut, beginnen Mikroorganismen das Material abzubauen. Dabei entstehen Treibhausgase: Kohlendioxid (CO₂) oder Methan, was über einen Zeitraum von 100 Jahren etwa 28-mal so stark erwärmend wirkt wie CO₂.

Klimaforscher*innen versuchen deshalb zu verstehen, wie die Arktis auf die steigenden Temperaturen reagiert: Wird sie ihre großen Kohlenstoffvorkommen in die Atmosphäre entlassen und wenn ja, wann und in welcher Form? Am Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) erforschen Wissenschaftler*innen die Vorgänge in der Arktis. Victor Brovkin, der in Jakutsk geboren wurde und unweit der Schergin-Mine aufwuchs, leitet am MPI-M die Arbeitsgruppe „Wechselwirkung Klima-Biosphäre“ und ist außerdem Ko-Leiter der Arbeitsgruppe „Kohlenstoffdynamik in der Arktis“ des Exzellenzclusters Climate, Climatic Change and Society (CLICCS) der Universität Hamburg.

Um die Diversität arktischer Ökosysteme angemessen berücksichtigen zu können, hat sich das MPI-M im vom European Research Council finanzierten Projekt „Q-Arctic“ mit dem Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena und dem österreichischen Unternehmen b.geos zusammengetan. Das Team sammelt vor Ort und mithilfe von Satelliten Beobachtungsdaten, um relevante Landschaftseigenschaften zu identifizieren. Gleichzeitig suchen die Wissenschaftler*innen nach Wegen, um diese Informationen für das Klimamodell ICON nutzbar zu machen: Innerhalb jedes Gitterelements lassen sich charakteristische Landschaftsmerkmale festlegen, etwa hinsichtlich der Topographie, der Bodeneigenschaften oder der Vegetation. Anhand dieser Merkmale kann das Modell unterschiedliche Zustände bestimmen und erhält wichtige Informationen, beispielsweise wie viel Prozent einer Gitterzelle von Feuchtgebieten bedeckt sind. Die ersten Ergebnisse dieser Vorgehensweise sind vielversprechend: Die Repräsentation kleinskaliger Oberflächengewässer und wassergesättigter Böden verbessert die Modellierungsergebnisse bereits.

Doch wie einst Schergin in seiner Mine wollen die Wissenschaftler*innen weiter bohren: Der Ansatz, Heterogenität innerhalb von Gitterelementen zu behandeln, beschränkt sich derzeit auf die physikalischen Prozesse an und unter der Landoberfläche. Der nächste Schritt besteht darin, biogeochemische und biophysikalische Prozesse genauso detailliert darzustellen. Ein Großteil der Forschung über die Permafrostregionen hat sich bislang auf die Kohlenstoffemissionen aus auftauenden Böden konzentriert. Die Gruppen um Brovkin wollen diesen Fokus erweitern und damit das Verständnis dafür vertiefen, wie biogeochemische und biogeophysikalische Rückkopplungen in den Permafrostlandschaften zusammenwirken und das Klima der Erde beeinflussen.