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Blick in die Zukunft des Permafrosts

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 11.07.2016 09:21

Die Permafrostgebiete der Erde sind die große Unbekannte im Klimasystem. Knapp ein Viertel der Landmasse auf der Nordhalbkugel ist dauerhaft gefroren, das Eis reicht stellenweise bis in 1500 Meter Tiefe und verhindert, dass Mikroben die im Erdreich gespeicherte Biomasse zersetzen und ihren Kohlenstoffanteil als CO2 oder Methan in die Atmosphäre leiten. Die Frage ist: Was passiert, wenn sich der Permafrost aufgrund der weltweiten Erwärmung zurückzieht? In den gefrorenen Böden der Tundra ist geschätzt doppelt soviel Kohlenstoff gespeichert, wie sich derzeit in der Atmosphäre befindet.

Blick vom CiPEHR-Experiment in die Tundra Alaskas. (Bild: NAU/Schuur Lab)„Wir gehen sehr stark davon aus, dass durch das Auftauen des Permafrostbodens größere Mengen an Kohlenstoff freigesetzt werden“, betont Christina Schädel, Forschungsprofessorin an der US-amerikanischen Northern Arizona University in Flagstaff, auf der Tagung der Permafrostforscher ICOP 2016, Ende Juni in Potsdam. Eine so allgemeine Aussage muss konkretisiert werden, schließlich geht es um 1500 Milliarden Tonnen Kohlenstoff. Das Permafrost Carbon Network (PCN), das die gebürtige Schweizerin zusammen mit ihrem Chef Ted Schuur von Flagstaff aus koordiniert, versucht daher die unbekannte Größe Permafrost in den Griff zu bekommen.

Blick auf das Permafrost-Experiment CiPEHR in der Nähe des Denali-Nationalparks in Alaska, USA. (Bild: NAU/Schuur Lab)Wie komplex die Wechselwirkungen in den Permafrostgebieten sind, zeigen Feldexperimente von CiPEHR (Carbon in Permafrost Experimental Heating Project), die Ted Schuurs Arbeitsgruppe am Rand des Denali-Nationalparks in Alaska durchführt. Die Region liegt am Südrand des Permafrostgebiets, wo die durchschnittliche Bodentemperatur stetig in Richtung Taupunkt steigt. Die Versuchsgebiete sind günstig gewählt, denn aus solchen Regionen, in denen der Erdboden im Lauf des Jahres auftaut, besteht in Nordamerika inzwischen der größere Teil des Permafrostgebietes, und sie breiten sich auch in Sibirien immer mehr aus. „Insgesamt wird während der sommerlichen Wachstumsphase mehr Kohlenstoff gespeichert, weil die Pflanzen besser wachsen, während im Winter Kohlenstoff freigesetzt wird, da die Mikroorganismen im angewärmten Boden weiterhin arbeiten können“, bilanziert Marguerite Mauritz in Potsdam, die in Ted Schuurs Arbeitsgruppe die Experimente in Alaska betreut.

Schneeisolierung im Winter


Winterende: Der über den Experimentalkammern aufgehäufte Schnee muss entfernt werden. (Bild: NAU/Schuur Lab)Das Experiment simuliert die Verhältnisse, die für die tauenden Randgebiete des Permafrosts im Lauf dieses Jahrhunderts erwartet werden. Das Team stellt insgesamt sechs Schneezäune auf, die dafür sorgen, dass im Winter besonders viel Schnee auf den Versuchsflächen liegenbleibt. „Das mag kontraintuitiv klingen“, meint die promovierte Ökologin, „aber der Schnee isoliert den Boden und schützt ihn so vor der immens kalten Luft.“ Zum Frühling hin räumen die CiPEHR-Wissenschaftler den Schnee weitgehend beiseite, damit die Sonne ungehindert den Boden erreichen kann. Im Sommer werden darüber hinaus manche Versuchsflächen mit Plexiglas-Kuppeln abgedeckt und so durch die Sonneneinstrahlung zusätzlich aufgeheizt. Die Eingriffe führen dazu, dass sich in den Versuchsflächen der Erdboden spürbar erwärmt. In rund 40 Zentimeter Tiefe beträgt der Unterschied zu den unbeeinflussten Flächen ein bis zwei Grad. „Das reicht aus, um die Bodentemperatur gerade über den Gefrierpunkt zu heben“, so Mauritz.

CiPEHR-Experimentalkammer mit Horstgras. CiPEHR-Experimentalkammer mit Horstgras. (Bild: NAU/Schuur Lab)Das seit sieben Jahren Jahren laufende Experiment zeigt, wie wichtig Langzeitbeobachtungen für die Permafrostforschung sind. Denn inzwischen stellen Marguerite Mauritz und ihre Kollegen fest, dass auf den Versuchsflächen eine dynamische Entwicklung stattfindet. Das fängt im ehemals tiefreichend einfrierenden Boden an. „Als wir vor sieben Jahren begannen, fror der Boden noch komplett durch“, erzählt Mauritz, „aber in jüngster Zeit haben wir Bodenschichten, die selbst im Winter nicht mehr gefrieren.“ Zwischen dem weiterhin rund ums Jahr gefrorenen Permafrost in der Tiefe und der oberflächennahen Schicht, die nur im Winter einfriert, hat sich eine tatsächlich das ganz Jahr über frostfreie „warme“ Bodenschicht gebildet. „Wir erwarten eine solche Entwicklung in weiten Bereichen der gesamten Arktis“, meint die Wissenschaftlerin, „und das wird Folgen haben, weil die Bodenmikroben dann auch im Winter arbeiten und den Kohlenstoff stärker mobilisieren, als das durch steigende Sommertemperaturen geschehen könnte.“

Pflanzen wachsen besser


Ein Mitarbeiter von Ted Schuur öffnet die Experimentalkammern des CiPEHR-Projektes in Alaska. (Bild: NAU/Schuur Lab)Auch an der Oberfläche nehmen die Versuchsflächen eine Entwicklung vorweg, die die Arktis in den kommenden Jahrzehnten verändern wird. Nach einer kurzen Phase als Kohlenstoffquelle zu Experimentbeginn verwandelten sich die Versuchsflächen für mehrere Jahre in tiefe Kohlenstoffsenken, die sehr viel des Treibhausgases CO2 banden. „Seit zwei Jahren sehen wir ein weniger eindeutiges aber definitiv anders Muster“, erzählt Marguerite Mauritz, „wir nehmen an, dass das Ökosystem jetzt eine weitere Übergangsphase erreicht hat, in der die Pflanzen das Maximum ihr Produktivität ausgeschöpft haben.“ Der Schlüssel der Entwicklung liegt bei den Pflanzen. In der Gegend der Versuchsflächen dominiert Tussock- oder Horstgras, eine nährstoffliebende Grasart, die gut mit Störungen klarkommt. Mit nur geringer Verzögerung reagierte dieses Gras auf das durch das Auftauen reichere Nährstoffangebot mit drastischem Wachstum.

Ein Karibu besucht auf der Nahrungssuche das CiPEHR-Experiment am Denali-Nationalpark in Alaska. (Bild: NAU/Schuur Lab)Aus der anfänglichen Kohlenstoffquelle wurde so in relativ kurzer Zeit eine starke Senke. Nach fünf Jahren scheint das Gras allerdings sein Produktivitätsmaximum erreicht zu haben. Seither flacht sich die CO2-Senke wieder ab. Auf manchen Versuchsflächen wachsen überdies mehr Stauden und Büsche als Gras, bei ihnen ist die Kohlenstoffaufnahme geringer als bei reinen Grasflächen. Marguerite Mauritz und ihre Kollegen aus Flagstaff erwarten, dass sich diese Gemeinschaften in Zukunft weiter ausbreiten, je mehr sich der Permafrost zurückzieht, und damit auch die Kohlenstoffbilanz deutlich beeinflussen.