Permafrost

Definition, Aufbau und Bedeutung

Permafrost ist ein Untergrund, dessen Temperatur mindestens zwei Jahre lang ununterbrochen unter 0 °C beziehungsweise unter dem örtlichen Gefrierpunkt liegt. Er kann aus Boden, Lockergestein oder Festgestein bestehen, mehrere hundert Meter tief reichen und viele tausend Jahre alt sein. Seine größte Ausdehnung liegt unter den Eisschilden und in den Kältewüsten der Polarregionen, in angrenzenden Teilen der nördlichen borealen Zone sowie in Hochasien. Permafrost ist wichtig, weil er große Mengen Kohlenstoff speichert, Landschaften stabilisiert und die Nutzung polarer und hochalpiner Räume beeinflusst. Sein großräumiges Auftauen gilt als eines der bedeutendsten Kippelemente des Klimawandels.

Über dem eigentlichen Dauerfrostboden liegt häufig der sommerliche Auftauboden, auf Englisch active layer. Er taut in der warmen Jahreszeit auf und gefriert im Winter erneut. Seine Mächtigkeit reicht von wenigen Zentimetern bis etwa drei Metern; häufig sind es nur wenige Dezimeter und selten mehr als zwei Meter. Davon zu unterscheiden ist Winterfrostboden: eine außerhalb der Periglazialgebiete nur im Winter gefrorene obere Bodenschicht.

Ein ungefrorener Bereich innerhalb des Dauerfrostbodens heißt Talik. Offene Taliki stehen mit dem Auftauboden in Verbindung, geschlossene nicht. Beim langsamen Gefrieren geschlossener Taliki können Pingos entstehen, also durch gefrierendes Wasser aufgewölbte Hügel.

Verbreitung und Typen

Permafrost bildet sich meist dort, wo die mittlere Jahrestemperatur der Luft zwischen −2 und −1 °C liegt und der Jahresniederschlag 1000 Millimeter nicht überschreitet. Große Vorkommen befinden sich in den arktischen und antarktischen Tundren, in Teilen der borealen Nadelwaldzone und in den meisten Hochgebirgen. Die zirkumpolare Permafrostzone umfasst Tundra, große Waldgebiete und Offshore-Zonen des Meeresbodens. Innerhalb dieser Zone muss jedoch nicht jeder einzelne Standort gefroren sein.

Nach seinem Flächenanteil wird Permafrost gegliedert: Kontinuierlicher Permafrost bedeckt mehr als 90 % einer Region und tritt meist bei mittleren Jahrestemperaturen unter −7 °C auf. Diskontinuierlicher Permafrost umfasst mehr als 50 bis 90 % bei −3 bis −7 °C. Sporadischer Permafrost nimmt mehr als 10 bis 50 % bei −1 bis −3 °C ein. Isolierter Permafrost bedeckt weniger als 10 % und besteht in Regionen bis 0 °C vermutlich aus Eiszeitrelikten. Eine vereinfachte Gliederung fasst sporadischen Permafrost als lückenhafte Vorkommen unter 50 % zusammen.

Die Mächtigkeit unterscheidet sich stark. In Sibirien reicht Permafrost bis zu 1500 Meter tief, in zentralen Teilen Skandinaviens häufig nur etwa 20 Meter. Sibirien war während der letzten Eiszeit nicht großflächig vergletschert, sodass Kaltluft tief in den Untergrund eindringen konnte. Skandinavien war dagegen durch einen mächtigen Eisschild isoliert. In Hochgebirgen kann bei einer mittleren Jahrestemperatur von −3,5 °C auf ungefähr 50 % der Fläche Permafrost erwartet werden, oft mit 200 bis 300 Metern Mächtigkeit.

Alpiner Permafrost bezeichnet Permafrost in Gebirgen, etwa in den Alpen, in Skandinavien, in den Anden, im Kaukasus oder im Tien Shan. In der Antarktis gibt es ihn auf knapp 50.000 km² gletscherfreier Fläche; weniger als 1 % der dortigen Landmasse ist eisfrei. Submariner Permafrost liegt unter dem Meeresboden, besonders bekannt in der Laptewsee vor Sibirien. Er entstand unter anderem auf während der letzten Eiszeit trockengefallenen Schelfgebieten, die später vom kalten Meer überflutet wurden.

Neue Permafrostbildung findet heute nur in geringem Umfang statt, beispielsweise auf Flächen, die durch den Rückzug eines isolierenden Gletschers freigelegt werden. Einige Zukunftsprognosen schätzen, dass ein Anstieg der Durchschnittstemperatur um 2 K die weltweiten Permafrostgebiete um 25–44 % verkleinern könnte.

Kohlenstoffspeicher und Klimarückkopplung

Im Permafrost der Arktis, Antarktis und Hochgebirge sind schätzungsweise 1.300 bis 1.600 Gigatonnen Kohlenstoff gespeichert. Das ist etwa doppelt so viel wie in der gesamten Atmosphäre, die ungefähr 800 Gigatonnen enthält. Beim Auftauen wird organisches Material mikrobiell abgebaut. Dadurch gelangen Kohlendioxid und Methan in die Atmosphäre und verstärken als Treibhausgase die Erwärmung. Diese positive Rückkopplung kann wiederum weiteres Auftauen verursachen.

Thermokarst-Seen können die Mobilisierung des Kohlenstoffs am auftauenden Seeboden besonders schnell beschleunigen. Eine Studie von 2018 kam deshalb zu dem Ergebnis, dass Modelle, die nur allmähliches oberflächennahes Auftauen berücksichtigen, die Emissionen erheblich unterschätzen. Zusätzlich wird Lachgas freigesetzt. Sein Treibhauspotential ist über 100 Jahre ungefähr 300-mal höher als das von CO₂. Auch der Einfluss methanbildender Mikroorganismen wurde nach Aussagen von Forschenden lange stark unterschätzt. Die CMIP5-Klimamodelle enthielten die durch auftauenden Permafrost verursachten Treibhausgasemissionen nicht, weshalb sie die globale Erwärmung systematisch unterschätzen.

Eine Studie von Natali und anderen aus dem Jahr 2019 schätzte den gegenwärtigen Kohlenstoffverlust der nördlichen Permafrostregion im Winter von Oktober bis April auf 1.662 TgC pro Jahr. Dieser Wert übersteigt die nach Prozessmodellen berechnete durchschnittliche Aufnahme während der Vegetationsperiode von −1.032 TgC pro Jahr. Bis 2100 könnten die winterlichen CO₂-Emissionen gegenüber heute im Szenario RCP 4.5 um 17 % und im Szenario RCP 8.5 um 41 % steigen. Für die Antarktis wird wegen ihrer geringen Permafrostfläche und langsameren Klimaänderungen keine vergleichbare klimarelevante Gefahr angenommen.

Beobachteter Rückgang und Landschaftsveränderungen

Nahezu weltweit erwärmt sich der Permafrost, und seine Grenze wandert in Nordamerika, Eurasien und der Arktis nordwärts. Nach einer Studie des Alfred-Wegener-Instituts stieg die globale Permafrosttemperatur zwischen 2007 und 2016 um 0,3 °C; in Teilen Sibiriens betrug der Anstieg bis zu 1 °C. Neben wärmerer Luft trägt in diskontinuierlichen Gebieten eine dickere Schneedecke dazu bei, weil sie den Boden im Winter gegen starke Abkühlung isoliert. Eine 2022 veröffentlichte Studie erwartet, dass der Permafrost in Fennoskandinavien und Westsibirien in den nächsten Jahrzehnten größtenteils verschwindet.

In der kanadischen Hocharktis taute der Boden zwischen 2003 und 2017 stellenweise bereits so stark, wie es im gemäßigten IPCC-Szenario RCP 4.5 eigentlich erst für 2090 bei einer globalen Erwärmung von etwa 1,1 bis 2,6 °C erwartet worden war. An der Wetterstation Mold Bay auf Prince Patrick Island sank der Untergrund um rund 90 Zentimeter ab.

Das ungleichmäßige Auftauen von Bodeneis erzeugt Thermokarst: Der Boden verliert durch schmelzendes Eis an Volumen, Gase entweichen und der Untergrund sackt zusammen. Es entstehen Kraterlandschaften, schiefe oder entwurzelte Bäume und mit Tauwasser gefüllte Seen. Auch submariner Permafrost vor Sibirien taut durch den Zufluss warmen Wassers beschleunigt auf und setzt Gase frei.

Im Gebirge wirkt gefrorenes Wasser als Bindemittel in Klüften sowie zwischen lockerem Gestein und Sand. Beim Auftauen können Bergstürze und Hangrutschungen entstehen. Am Bliggferner in den Alpen bewegten sich 2007 etwa vier Millionen Kubikmeter Gestein und Eis talwärts. In engen norwegischen Fjorden könnten solche Massenbewegungen Megatsunamis mit Auflaufhöhen von 100 Metern und mehr auslösen. Gut untersuchte alpine Beispiele sind außerdem der Bergsturz von Randa 1991 und die Ereignisse von Bondo 2017.

Folgen für Menschen, Umwelt und Infrastruktur

Wenn eisreicher Untergrund taut und absinkt, können Straßen, Leitungen, Häuser und Industrieanlagen beschädigt oder zerstört werden. Gebäude in Permafrostgebieten stehen deshalb oft auf Pfählen, die bis in dauerhaft gefrorene Schichten reichen. Luft kann unter ihnen zirkulieren und Gebäudewärme abführen; zugleich beschattet das Gebäude den Boden. Beim Bau der 1287 Kilometer langen Trans-Alaska-Pipeline von 1974 bis 1977 musste fast die Hälfte der Leitung auf Stelzen errichtet werden. Mehr als 10.000 Stützen stehen in Bohrlöchern im Permafrost, weil das wachsreiche Öl mit 70 bis 80 °C transportiert wird.

Besonders gefährlich sind Schäden an Industrieanlagen. 2020 barst in Norilsk infolge auftauenden Permafrosts ein Öltank eines Kraftwerks. Mehr als 20.000 Tonnen Öl liefen aus; etwa 5.000 Tonnen verseuchten den Boden, der größte Teil gelangte in Gewässer, besonders in den Fluss Ambarnaja. Das Ereignis gilt als das bisher größte Unglück infolge auftauenden Permafrosts. Ihm ging in Sibirien der wärmste Winter seit Beginn der Aufzeichnungen vor 130 Jahren voraus. Von Januar bis Mai 2020 lagen die Temperaturen in Russland 5,3 °C über dem Mittel von 1951–1980.

Erwärmung und trockenere Torfböden erhöhen außerdem die Waldbrandgefahr. Brände setzen Treibhausgase frei; Rauch und Ruß verdunkeln Schnee und Wasser, senken deren Rückstrahlvermögen, die Albedo, und verstärken die örtliche Erwärmung. Unterirdische Moorbrände sind besonders schwer zu löschen.

Beim Auftauen können weitere Schadstoffe und Krankheitserreger freigesetzt werden. Im arktischen Permafrost ist in gefrorener Biomasse ungefähr doppelt so viel Quecksilber gebunden wie in allen anderen Böden, der Atmosphäre und den Ozeanen zusammen. Biologische Abbauprozesse könnten es in die Umwelt bringen und Ökosysteme, Meerestiere und die menschliche Gesundheit schädigen. In Sibirien kam es 2016 nach 75 Jahren zu einem Milzbrandausbruch: Ein Kind starb, 23 Menschen wurden infiziert. Sporen von Bacillus anthracis können jahrzehntelang in eingefrorenen Tierkadavern überleben und wurden durch ungewöhnlich hohe Temperaturen wieder freigesetzt.

Forschung, Fossilien und Schutzansätze

Permafrost bewahrt biologische Reste außergewöhnlich gut, weil sie dauerhaft tiefgefroren bleiben. Dadurch sind sogar DNA-Analysen möglich. 1997 fand Gennadij Jarkow auf der Taimyr-Halbinsel das gut erhaltene Jarkow-Mammut. Die Pflanze Silene stenophylla blieb mehr als 30.000 Jahre konserviert; 2012 zogen Forschende der Russischen Akademie der Wissenschaften daraus neue Pflanzen heran. Im Permafrost wurden auch das 30.000 Jahre alte Mollivirus sibericum und etwa 42.000 Jahre alte Nematoden gefunden. Zwei Arten dieser Fadenwürmer konnten wiederbelebt werden.

Permafrostforschung untersucht seine Verbreitung, Temperatur, Bewegung und Stabilität sowie die Folgen des Klimawandels. Seit 2000 dokumentiert das Permafrost Monitoring Network Switzerland den Zustand des Permafrosts in den Schweizer Alpen. Die International Conferences On Permafrost dienen seit 1963 dem weltweiten Austausch. Auf der vierten Konferenz 1983 in Fairbanks gründeten mehr als 850 Teilnehmende die International Permafrost Association; heute gehören ihr 27 Länder an.

Ein Schutzversuch ist der deutsch-russisch unterstützte Pleistozän-Park. Dort sollen Pflanzenfresser die isolierende Schneedecke bei der Futtersuche zerstören und verdichten. So kann Winterkälte leichter in den Boden eindringen und gespeicherte Wärme besser entweichen. Zudem soll eine helle Steppentundra mehr Sonnenstrahlung zurückwerfen als die gegenwärtige Vegetation. Diese höhere Albedo soll die sommerliche Erwärmung des Permafrosts vermindern.