Der riesige Batagaika-Krater im russischen Jakutien ist beim Abtauen des Permafrostes entstanden.
Foto: AP

NorilskDie Folgen der Katastrophe waren sogar aus dem All zu erkennen. Als Ende Mai dieses Jahres 20.000 Tonnen Diesel aus dem Speichertank eines Kraftwerks in der sibirischen Stadt Norilsk ausliefen, schimmerten mehrere Flüsse in der Umgebung in ungesund wirkenden Schattierungen von Orange und Dunkelrot. Ein stechender Dieselgeruch lag über der Tundra. Es ist eine der größten derartigen Umweltkatastrophen, die Russland in den letzten Jahren erlebt hat und der größte Unfall dieser Art in der Arktis. Doch es gibt Befürchtungen, dass sich solche Probleme in Zukunft sogar weiter häufen werden.

Denn möglicherweise hat der Unfall mit der Tatsache zu tun, dass die dauerhaft gefrorenen Böden in Sibirien und anderen Teilen der Arktis zunehmend auftauen. Das macht den Untergrund und damit auch die Fundamente von Gebäuden instabil. Doch damit nicht genug: Wo dieser sogenannte Permafrost auftaut, verändern sich ganze Landschaften. Und zu allem Überfluss werden dabei auch noch zusätzliche Treibhausgase frei, die den Klimawandel weiter ankurbeln können.

Grund genug also, sich in den Kühltruhen des hohen Nordens einmal genauer umzusehen: Welche Veränderungen sind dort schon in Gang gekommen? Und was bedeutet das für die Zukunft? Genau solche Fragen interessieren das Team der Sektion Permafrostforschung vom Alfred-Wegener-Institut (AWI), dem Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Potsdam. „Tatsächlich sehen wir in Sibirien und Nordamerika heute schon massive Veränderungen“, sagt Sektionsleiter Guido Grosse.

Foto: University of Oxford
Permafrost

Als Permafrost bezeichnen Wissenschaftler einen Boden, wenn dessen Temperatur in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Jahren unter null Grad Celsius liegt. Solche Gebiete gibt es reichlich, vor allem in der Arktis und in hohen Gebirgen. In Deutschland kommt Permafrost nur auf der Zugspitze vor. Insgesamt gehört etwa ein Viertel der Landfläche auf der Nordhalbkugel zu Regionen mit Dauerfrostböden. Deren Zusammensetzung unterscheidet sich je nach Region: Manche bestehen aus Gestein, andere aus Sedimenten oder Erde. Zudem enthalten sie jeweils unterschiedliche Mengen von Eis. Besonders eisreich ist eine Yedoma genannte Form von Permafrost, die vor allem in Sibirien, aber auch in Alaska und im Nordwesten Kanadas vorkommt. Wenn dieser Yedoma auftaut, gibt es besonders spektakuläre Hangrutschungen und andere Veränderungen in der Landschaft.

Eines der Gebiete, deren Gesicht sich besonders schnell wandelt, liegt in der Nähe des Teshekpuk-Sees im Norden Alaskas. Drei Wochen hat Guido Grosse im August 2019 in der Region verbracht. Und selbst in dieser kurzen Zeit hat sich die drei bis fünf Meter hohe Küste sichtbar verändert. Das Meer reißt dort in rasantem Tempo Material weg, um die fünfzig Meter pro Jahr frisst es sich ins Landesinnere. „Man kann zuschauen, wie riesige gefrorene Blöcke abbrechen und in wenigen Tagen im Wasser zerfallen“, sagt der Wissenschaftler.

Doch so beeindruckend die hohen, steilen Kliffs aus der Ameisen-Perspektive wirken: Den besten Überblick über die Veränderungen der tauenden Landschaft gewinnt man aus der Luft. Wann immer das Wetter es zuließ, sind Guido Grosse und seine Kollegen in das AWI-eigene Messflugzeug Polar 6 geklettert und im Tiefflug über die Tundra geflogen. An Bord war unter anderem eine hochauflösende Kamera des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR) in Berlin. Das Deutsche Geoforschungszentrum (GFZ) in Potsdam hatte spezielle Sensoren beigesteuert, die das aus dem Boden entweichende Treibhausgas Methan erfassen können.

„So eine Flugkampagne ist ein echtes Geduldsspiel“, sagt Guido Grosse. Da verging schon mal der ganze Vormittag mit Warten und Spekulieren, ob sich der Nebel und die tiefhängenden Wolken genügend lichten würden, um starten zu können. Oft genug war das nicht der Fall. „An anderen Tagen sind wir aber sehr lange geflogen und haben jede Menge Daten gesammelt“, erinnert sich der Forscher.

So ließ sich zum Beispiel mehr darüber herausfinden, welchen Einfluss die Tundrabrände der letzten Jahrzehnte auf den Permafrost der Region hatten. „Wenn Vegetation und Torfschichten aufgrund sehr trockener Sommer in Flammen aufgehen, wird damit eine für den Permafrost wichtige Isolationsschicht des Bodens zerstört“, erklärt Guido Grosse. Dadurch taut der Untergrund stärker auf, das im Permafrost enthaltene Eis schmilzt und die Landoberfläche sackt zusammen. Es bilden sich Senken, in denen im Winter mehr Schnee liegen bleibt und sich im Frühjahr das Schmelzwasser sammelt. Beides erwärmt den Boden weiter und lässt ihn dort noch stärker auftauen.

Wenn das große Schmelzen erst einmal angefangen hat, beschleunigt es sich also immer weiter – und zwar nicht nur in Alaska. Messungen in über die ganze Arktis verteilten Bohrlöchern zeigen, dass die Temperaturen im Untergrund zwischen 2007 und 2016 um durchschnittlich 0,3 Grad angestiegen sind. Nicht einmal die Hocharktis bleibt verschont, deren Tiefkühltruhen man zumindest in den nächsten Jahrzehnten für einigermaßen sicher gehalten hatte. „Wir sehen weltweit eine Erwärmung des Permafrosts, sogar in zehn bis zwanzig Metern Tiefe“, sagt Guido Grosse.

Die Potsdamer Forscher sind in den unterschiedlichsten Regionen zum Fiebermessen unterwegs. So flogen sie im vergangenen Jahr nicht nur über die Tundra Alaskas. Ein Team paddelte zum Beispiel per Kanu den etwa tausend Kilometer entfernten Peel River im Norden Kanadas entlang. Dort führt der tauende Boden immer wieder zu gewaltigen Hangrutschungen, die massenweise Sediment und Schwebstoffe in den Fluss reißen. Welche Folgen das hat, sollen die während der Expedition gesammelten Wasserproben verraten.

Der bisherige Rekordhalter in Sachen Hangrutschungen im Permafrost aber liegt in der Nähe der sibirischen Stadt Batagai. Seit den 60er-Jahren ist das Gelände dort auf einer Länge von einem Kilometer mehr als 50 Meter tief eingesunken. So sind steile Kliffs entstanden, die nicht nur immer neue Überreste von Mammuts, Pferden und anderen Eiszeit-Tieren freigeben. In den angeschnittenen Schichten ist auch festgehalten, was sich im Laufe der Jahrtausende im Untergrund getan hat. Die Informationen in diesem Archiv anzuzapfen ist allerdings nicht ganz leicht. Denn dazu mussten sich die Potsdamer Forscher und ihre russischen Kollegen mithilfe von Bergsteiger-Ausrüstung an den schwindelerregenden Hängen des Batagaika-Kraters abseilen und in regelmäßigen Abständen Eis- und Bodenproben nehmen.

Doch der Aufwand lohnt sich. Denn solche Proben sollen mehr darüber verraten, wie sich der tauende Permafrost auf das Klima auswirkt. Klar ist, dass in den Böden dieser Regionen riesige Mengen Kohlenstoff schlummern. „In den letzten Jahren haben wir eine recht gute Vorstellung davon gewonnen, wie groß dieser Speicher ist“, sagt Guido Grosse. Demnach stecken in den Dauerfrostböden der Arktis rund 1700 Gigatonnen Kohlenstoff. Das ist fast doppelt so viel, wie derzeit in der Atmosphäre schwebt.

Das Problem ist, dass dieser Kohlenstoff dort nicht bleiben wird. Denn mit dem Permafrost tauen auch die darin eingefrorenen Überreste von Tieren und Pflanzen auf. Dann aber stürzt sich ein Heer von Mikroben auf dieses Festmahl, baut die organische Substanz ab und setzt dabei jede Menge Kohlendioxid und Methan frei – die ihrerseits den Klimawandel weiter ankurbeln können. „Wir wissen allerdings noch nicht genau, wie schnell die Böden welche Mengen dieser Treibhausgase freisetzen“, sagt Guido Grosse. Denn das ist regional unterschiedlich und hängt unter anderem davon ab, welche Pflanzenreste der Boden enthält. Blätter zum Beispiel können von Mikroorganismen deutlich leichter und schneller zersetzt werden als etwa Holz oder Holzkohle. Um diese Prozesse besser einschätzen zu können, hat das AWI in Potsdam ein neues Kohlenstoff-Labor speziell für Permafrost eingerichtet. Dort können die Forscher Proben aus dem Untergrund der Arktis untersuchen und mit Experimenten simulieren, was beim Auftauen unter bestimmten Bedingungen passiert.

Nach dem Lockdown durch die Corona-Krise laufen diese Untersuchungen nun wieder an. Alle geplanten Expeditionen nach Sibirien und Nordamerika mussten die Forscher für dieses Jahr allerdings streichen. „Wir hoffen, dass wir sie 2021 nachholen können“, sagt Guido Grosse. Denn allzu lange wollen sie den tauenden Eisschrank im hohen Norden nicht unbeobachtet lassen. Was dort passiert, sei schließlich nicht nur für die Menschen und die Infrastruktur in der Umgebung interessant, betont der Forscher: „Das trifft uns auch in Mitteleuropa.“