Geokryologie

Gegenstand der Geokryologie

Die Geokryologie ist ein Zweig der Geologie und Kryologie (Frostlehre, Eiskunde). Sie untersucht die Permafrostzone, also Gebiete mit dauerhaft gefrorenem Boden, sowie die Ursachen und Folgen gefrorenen Bodens. Gefrorener Boden entsteht durch kaltes Klima und eine Vielzahl von Umweltfaktoren.

Ihr Gegenstand umfasst Phänomene des anhaltenden Frostes: saisonal gefrorenes Gestein, dauerhaft gefrorene Böden, Gefrier- und Auftauvorgänge sowie kryogene geologische Prozesse. „Kryogen“ bedeutet hierbei: durch Frost oder Gefrieren entstanden. Dazu gehören geokryologische Formen und Merkmale wie vereiste Hügel, polygonale Tundra, Pingos, Palsas und Steinringe. Die Geokryologie ist deshalb weiter gefasst als reine Permafrostwissenschaft beziehungsweise Permafrostforschung.

Als Teilgebiet der physischen Geographie und damit der Geowissenschaften befasst sie sich außerdem mit technischen Vorrichtungen und Verfahren, die physikalische Probleme unter Frost- und Permafrostbedingungen bewältigen sollen.

Entwicklung der Forschung

Die Geokryologie wurde in Russland begründet und entwickelte sich aus Überschneidungen mit Bodenkunde und Glaziologie zur eigenen Wissenschaft innerhalb der physischen Geographie. Eine frühe Beschreibung von Permafrost stammt von russischen Entdeckern des 17. Jahrhunderts in Sibirien. Ja. Swjatogorow stellte die besondere Bodenbeschaffenheit fest; Expeditionen unter Semjon Deschnjow und Iwan Rebrow untersuchten sie genauer. Sie berichteten dem russischen Zaren von Taigazonen, in denen der Boden selbst im Hochsommer höchstens zwei Arschin tief auftaue. Pjotr Golowin und Matwei Glebow meldeten 1640, dass der Boden auch mitten im Sommer nicht auftaue.

1828 begann Fjodor Schergin in Jakutsk einen Schacht abzuteufen. Nach neun Jahren hatte er 116,4 Meter Tiefe erreicht, ohne auf eine Grundwasserader zu stoßen; der Schacht verlief ständig in gefrorenem Boden. Alexander Theodor von Middendorff maß in den 1840er Jahren dort die Temperatur in 116 m Tiefe. Seitdem wurde die Existenz von „Permafrost“ nicht mehr ernsthaft bezweifelt.

Karl Ernst von Baer verfasste 1843 mit Materialien zur Kenntnis des unvergänglichen Boden-Eises in Sibirien die weltweit erste Dauerfrostbodenkunde. Bereits 1842/43 lag außerdem ein druckfertiges Typoskript von 218 Seiten mit einer Permafrostkarte Eurasiens vor. Middendorff lieferte durch seine Sibirienreise geothermische Beobachtungen. Die zwei druckfertigen Exemplare von Baers Werk galten mehr als 150 Jahre als verschollen und wurden 2001 von Erki Tammiksaar in den Beständen des Archivs der Universität Gießen entdeckt und kommentiert veröffentlicht.

Die systematische Forschung begann vor allem im Russland des 19. Jahrhunderts. Sie setzte vergleichsweise spät ein, weil Permafrostgebiete oft dünn besiedelt sind und der Permafrost meist unter einer Auftauschicht liegt. Der Begriff „Permafrost“ wurde 1927 von M. I. Sumgin in die Wissenschaft eingeführt; sein Buch von 1927 gilt als Beginn der Geokryologie als Wissenschaft.

In Nordamerika begann die Permafrostforschung nach dem Zweiten Weltkrieg mit dem Cold Regions Research and Engineering Laboratory (CRREL) der US-Army. Für strategische Nordgebiete im Kalten Krieg und für die Distant Early Warning Line galt das Verständnis gefrorenen Bodens als wichtig. In der Sowjetunion verfolgte das später nach Pawel Iwanowitsch Melnikow benannte Permafrost-Institut in Jakutsk ähnliche Ziele. Ein erster größerer Kontakt führender russischer und amerikanischer Forschender fand im November 1963 in Jakutsk statt.

Untersuchungsmethoden und Organisationen

Zur Untersuchung der permafrostgeologischen Struktur eines Gebiets werden mehrere Methoden kombiniert:

• Geokryologische Bohrungen erschließen den Untergrund.
• Aus gefrorenen und geschmolzenen Bodenmonolithen, also möglichst ungestörten Bodenproben, werden Proben entnommen und ihre Eigenschaften untersucht.
• Laboruntersuchungen prüfen Böden unter kontrollierten Bedingungen.
• Studien zur Gaszusammensetzung erfassen enthaltene Gase.
• Elektromagnetische Sondierung untersucht Strukturen im Untergrund mit elektromagnetischen Messungen.
• Mathematische Modellierung beschreibt die Dynamik der Permafrostdicke, also ihre Veränderung über die Zeit.

Wichtige wissenschaftliche Einrichtungen

Zu den wichtigen Organisationen gehört die International Permafrost Association (IPA), die 1983 gegründet wurde. Das militärisch ausgerichtete Cold Regions Research and Engineering Laboratory (CRREL) in Hanover, New Hampshire, besteht seit 1961.

In Russland arbeiten unter anderem der Wissenschaftliche Rat für Erdkryologie der Russischen Akademie der Wissenschaften, das Institut für die Kryosphäre der Erde in Tjumen (seit 1991) und das Melnikow-Permafrost-Institut in Jakutsk (seit 1960). Weitere Einrichtungen sind der Lehrstuhl für Geokryologie an der Staatlichen Universität Moskau, deren Abteilung für Kryolithologie und Glaziologie sowie das 1920 gegründete Arktische und Antarktische Forschungsinstitut in Sankt Petersburg.

Als historische Einrichtung bestand das W.-A.-Obrutschew-Institut für Permafrostforschung der Akademie der Wissenschaften der UdSSR in Moskau von 1939 bis 1961. In China wurde 1980 die Chinesische Gesellschaft für Geokryologie gegründet, auch Chinese Society of Glaciology and Cryopedology genannt.