Max-Planck-Institut für Meteorologie: Verstärkung des Klimawandels durch Rückkopplung zwischen Permafrost und Wolken

Forscher*innen des Max-Planck-Instituts für Meteorologie geben Aufschluss darüber, was passieren könnte, wenn die globale Erwärmung zu einem Auftauen der Dauerfrostböden führt. Die Landschaften in der arktischen und subarktischen Zone sind sehr feucht mit oft wassergesättigten Böden und einer ausgedehnten See- und Feuchtgebietsdecke, welche den Feuchtigkeits- und Energieaustausch mit der Atmosphäre bestimmen. Der Wasserreichtum ist dabei teilweise auf das Vorhandensein von Permafrost zurückzuführen, d. h. auf den Teil des Bodens, der dauerhaft gefroren bleibt. Solche Bodenschichten finden sich seit dem Maximum der letzten Eiszeit in großen Teilen der Region und schränken Wasserbewegung im Boden sehr stark ein.

Abbildung 1: Erodierende Permafrost-Klippen am Standort Duvanni Yar, entlang der Ufer des Kolyma-Flusses in Nordost-Sibirien. Credit: Martin Heimann, MPI-BGC.

In einer neuen Studie zeigen Philipp de Vrese, Tobias Stacke, Veronika Gayler und Victor Brovkin anhand von Simulationen mit dem ICON-Modell, dass das Auftauen eine Austrocknung der Landschaft begünstigt und regionale Temperaturen über eine atmosphärische Rückkopplung erhöht: Während der warmen Jahreszeit verringern trockenere Oberflächenbedingungen den Feuchtigkeitstransport in die Atmosphäre. Dadurch sinkt die relative Luftfeuchtigkeit in der Grenzschicht und die Wolkenbedeckung in niedrigen Höhen nimmt ab. Da Wolken mehr Sonnenlicht reflektieren als die schneefreie Landoberfläche, kann durch die geringere Bewölkung mehr Sonnenstrahlung die Oberfläche erreichen, was die Temperaturen erhöht und das Auftauen des Bodens vorantreibt.

Der Temperatureffekt einer solchen Permafrostwolken-Rückkopplung ist nicht auf die regionale Skala beschränkt, da höhere Temperaturen in der arktischen und subarktischen Zone die Netto-Energiedifferenz zwischen äquatorialen und polaren Regionen erheblich beeinflussen. Obwohl die nördliche Permafrostregion nur etwa 5 % der Erde bedeckt, zeigt die Studie, dass dieser Rückkopplungseffekt eine ähnliche Größenordnung hat wie physikalische und biophysikalische Klima-Rückkopplungen auf globaler Ebene.

grafische Darstellung der Kopplung zwischen Permafrost und Wolken — Abbildung 2: Kopplung zwischen Permafrost und Wolken. Ein erwärmungsbedingtes Abtauen des Permafrosts erhöht die hydraulische Durchlässigkeit des Bodens. Als Resultat steigen die Entwässerungsraten und die Wasserverfügbarkeit im Sommer wird verringert. Dies schränkt die Verdunstung ein, was zu einer geringeren relativen Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre führt. Die daraus resultierende Abnahme der Wolkenbedeckung in niedrigen Höhenlagen erhöht die kurzwellige Strahlung an der Oberfläche, was wiederum die Temperaturen ansteigen lässt und den Abbau des Permafrosts beschleunigt. Credit: de Vrese et al.

Philipp de Vrese, der Hauptautor, kommentierte: "Es war wirklich erstaunlich, dass ein räumlich begrenzter Prozess so weitreichende Folgen haben würde. Glücklicherweise ist die Erwärmung durch die Rückkopplung der Permafrostwolken in den jüngsten Projektionen wahrscheinlich bereits berücksichtigt, da wir lediglich einen Effekt isoliert haben, der in den Simulationen mit den Modellen der aktuellen Generation bereits enthalten sein sollte." Tobias Stacke gab jedoch zu bedenken: "Das hängt aber auch davon ab, wie gut die Landoberflächenmodelle die Hydrologie in Permafrostgebieten abbilden. Selbst in hochauflösenden Simulationen können viele der relevanten Prozesse noch nicht dargestellt werden." Victor Brovkin fügte hinzu: "In der öffentlichen Debatte werden die Auswirkungen des Auftauens von Permafrostböden auf das Klima meist nur mit der daraus resultierenden Freisetzung von Methan und Kohlendioxid in Verbindung gebracht. Es war überraschend herauszufinden, dass auch physikalische Klimaprozesse aufgrund von Veränderungen in der Permafrosthydrologie die globale Erwärmung verstärken."

Originalpublikation

de Vrese, P., Stacke, T., Gayler, V., & Brovkin, V. (2024). Permafrost cloud feedback may amplify climate change. Geophysical Research Letters, 51, e2024GL109034. https://doi.org/10.1029/2024GL109034

Kontakt

Dr. Philipp de Vrese
Max-Planck-Institut für Meteorologie
philipp.de-vrese@mpimet.mpg.de

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