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BERICHT/029: Klimawandel in Regionen - Weiter forschen angesagt (SB)


3. REKLIM-Konferenz "Klimawandel in Regionen" am 3. September 2012 im Wissenschaftspark "Albert Einstein" auf dem Telegrafenberg in Potsdam

Über die Auswirkungen regionaler Klimaänderungen in der Arktis auf Permafrost und Methanemissionen



Das aktuelle Ausmaß des Klimawandels wird von der Öffentlichkeit gewöhnlich nur anhand spektakulärer Ereignisse oder Prognosen bemessen, da diese am ehesten von den Medien aufgegriffen werden. So machte vor wenigen Tagen die augenblickliche Rekordschmelze des arktischen Meereises von sich reden [1]. Ein weiteres dramatisches Merkmal der voranschreitenden Erwärmung ist das Auftauen der sogenannten Permafrostböden, die bisher große Areale der Tundren und borealen Waldgebiete (Waldgebiete in kaltgemäßigten Klimazonen) Nordamerikas und Eurasiens ausmachten, deren wärmebedingter Rückzug aber nicht mit dem Schmelzen des Meereises verwechselt werden darf. Denn laut Dr. Torsten Sachs, der auf der 3. REKLIM-Konferenz in Potsdam am 3. September über die Auswirkungen regionaler Klimaänderungen in der Arktis auf Permafrost und Methanemissionen sprach und aufgrund der Brisanz dieses Themas auf besonderes Interesse der anwesenden Medienvertreter stieß, "schmilzt" Permafrost nicht "weg" wie Eis, wie es schon häufiger in dramatischen Schlagzeilen zu finden war. Sein Verschwinden ist eine Frage der Definition: Permafrost ist gefrorener Boden, aufgetauter Boden ist nicht mehr Permafrost.

Das Tauen der Böden zieht allerdings in seinem neuen Aggregatzustand einen Komplex unerwünschter, Geruchsnerven strapazierender Folgen nach sich, über deren vollständiges ökologisches und klimabeeinträchtigendes Ausmaß selbst die Experten, das wurde hier deutlich, trotz der begonnenen notwendigen, mühseligen und völlig unspektakulären Kleinarbeit, Daten zu sammeln, Modelle zu entwerfen und Grundlagen zu schaffen, bisher noch im Dunkeln tappen. So beruhen die meisten sensationellen Meldungen zu diesem Thema vorerst noch auf Spekulation, wenn sie sich auch immer mehr der Wahrscheinlichkeit annähern.

Permafrost Steilküste - Foto: © Forschungsstelle Potsdam des Alfred-Wegener-Instituts

Nicht ganz typisch für Permafrost in seiner weitesten Verbreitung:
der sogenannte 'Eiskomplex', aber eindrucksvoller, anschaulicher und schöner als der "gefrorene Dreck", um den es sich gewöhnlich handelt.
Foto: © Nachwuchsgruppe SPARC - Sensitivity of Permafrost in the Arctic, Alfred-Wegener-Institut

Um Mißverständnisse auszuräumen, vor denen laut Dr. Sachs selbst Fachleute nicht gefeit sind: Permafrost findet sich in geringer Ausdehnung außerdem in eisfreien Gebieten der Antarktis, auf einigen subantarktischen Inseln sowie in Hochgebirgen und nimmt etwa 25 Prozent der Gesamtfläche auf der nördlichen Hemisphäre ein. Der gefrorene Boden aus Sediment, Humus oder Gestein - gefrorener Dreck, wie Torsten Sachs ihn nannte - muß mindestens zwei aufeinander folgende Jahre gefroren sein, sonst ist er per Definition kein Permafrost.

In Sibirien kann der Permafrost Mächtigkeiten bis zu 1.500 Meter erreichen. Das ist ein Maß dafür, daß es hier sehr lange kontinuierlich kalt gewesen sein muß, um einen Boden bis in diese Tiefe vollständig durchzufrieren. Auf der Oberfläche dieses tiefreichenden Gefrierkerns befindet sich meist eine sogenannte saisonale Auftauschicht von wenigen Dezimetern bis Metern, die - je nachdem, wo man sich befindet und von Norden nach Süden zunehmend - von Juni bis September auftaut.

Eigentlich könne man nur eins ganz sicher sagen, resümierte der Forscher am Ende seiner Ausführungen: Die Arktis und alle anderen Permafrostbereiche werden definitiv immer wärmer.

Gemessen wird die Temperatur des Permafrosts in Bohrlöchern und sie nimmt seit geraumer Zeit zu, sogar insgesamt stärker als das globale Mittel. So sind die Oberflächentemperaturen im Permafrost am Nordrand von Alaska seit den 1980er Jahren um drei Grad und im Norden Kanadas um zwei Grad angestiegen. Auch in Sibirien gab es in den oberen Schichten des Permafrosts Temperaturanstiege um ca. zwei Grad und in Tibet haben die Permafrost-Temperaturen um 0,5 Grad, im Nordosten Chinas um bis zu 1,5 Grad zugenommen. Das hieße nach obiger Definition, daß sich das Permafrostgebiet an seinen Südgrenzen in Richtung Norden zurückziehen müßte. In den restlichen Bereichen nimmt aber zumindest schon die Tiefe der saisonalen Auftauschicht zu. Hier gibt es tatsächlich eine gewisse Parallele zum Meereis, beide Naturerscheinungen nehmen durch die Wärme in ihrer Ausdehnung und ihrer Mächtigkeit ab, was dann auf unterschiedliche Weise gewisse Rückkopplungsmechanismen nach sich zieht, die den Klimaeffekt verstärken und letztlich die weitere Erwärmung fördern können.

Die größte Gefahr, aber auch die am wenigsten erforschte Größe, ist die Rückkopplung, die durch die in Permafrostgebieten gespeicherte ungeheure Kohlenstoffmenge auf uns zukommt und die gemeinhin auf mindestens 1,6 Gigatonnen [2] Kohlenstoff geschätzt wird. Das sei laut Torsten Sachs im Vergleich zur Atmosphäre oder zu anderen tropischen Böden nicht ganz unerheblich. Über Tausende bzw. Zehntausende von Jahren liegt hier tote, organische, d.h. kohlenstoffreiche, Materie eingefroren und mitsamt aller Mikroorganismen aufs Einfachste konserviert unter der Erde.

Beim Auftauen werden also praktisch die kleinen mikrobiellen Enzym- und Chemiefabriken, Mikroorganismen, Pilze, Hefen und Bakterien, die für die Kompostierung organischer Materie zuständig sind und sich gewissermaßen in einer Art Kryoschlaf befinden, solange der Boden gefroren ist, mit aufgeweckt, die sich - so die vorherrschende Meinung - unverzögert ans Werk der Verstoffwechslung machen und dabei CO2 oder auch Methan (CH4) an die Atmosphäre abgeben.

Foto: © 2012 by Schattenblick

Dr. Torsten Sachs
'Wenn ich im Herbst zum ersten Mal große Methanemissionen messe, kann ich nicht sagen, ob das nicht vielleicht immer schon so war. Das zeigt einfach nur, daß wir den Zeitraum unserer Messungen ausdehnen müssen und die räumliche Abdeckung der Regionen.'
Foto: © 2012 by Schattenblick

Südlich der Hudson Bay, im westlichen Sibirien und an seinen südlichen Rändern werden hohe Kohlenstoffkonzentrationen im Permafrost vermutet und das sind auch die Gebiete, die als erstes von Auftauprozessen betroffen sein werden. Da CO2 oder auch Methan [3] sogenannte Treibhausgase sind, könnte das Auftauen des Permafrostbodens somit zu einer Erhöhung der Konzentration dieser wärmeisolierenden Gase in der Atmosphäre führen, den Treibhauseffekt verstärken und die globale Erwärmung exponentiell in die Höhe treiben. Das ist zumindest ein Szenario, auf das vor allem in den Katastrophenmeldungen der Sensationspresse abgezielt wird, wenn, wie Torsten Sachs die Unverhältnismäßigkeit dieser Darstellungen ins Bild rückte, "wieder einmal der Permafrost 'schmilzt'". Gänsehauterzeugende Schlagzeilen wie "Melting permafrost spews out more methane" (tauender Permafrost spuckt noch mehr Methan aus) oder die "Methane time bomb" (Zeitbombe Methan) rütteln zwar auf, doch die Forscher selbst können derart dramatische Prognosen anhand ihrer Daten nicht bestätigen.

Genau genommen wurde durch die ausführliche und eindrückliche Präsentation des derzeitigen Stands der Permafrostforschung deutlich, daß viele Unsicherheiten und noch mehr Forschungsbedarf bestehen, was die chemischen und mikrobiellen Vorgänge unter und über der Erde angeht.

Zunächst läßt sich schwer abschätzen, ob erstens auch die tiefen Bereiche des Permafrostes vom Tauen erfaßt werden, zweitens wieviel Kohlenstoff tatsächlich aufgetaut und dann auch umgesetzt wird. Durch die wärmeren Umweltbedingungen kann sich vieles ändern, was nicht einfach vorhersagbar ist. Es könnte eine Vegetationsdecke entstehen, die den Permafrost darunter besser oder auch noch weniger isoliert, als vorher. Auch wie das fragliche Ökosystem auf den auftauenden Boden reagiert, ob das Gebiet zum Beispiel durch geologische Voraussetzungen auf natürliche Weise drainiert oder versumpft oder ob sich überhaupt nichts verändert, kann man nicht eindeutig voraussagen, so Dr. Sachs.

Ein Beispiel dafür ist nach Dr. Sachs die sogenannte polygonale Tundra mit ihrem typischen Muster. Dort ist der Wasserstand sehr nahe an der Geländeoberkante, ohne daß das Wasser einen natürlichen Abfluß hätte. Der Untergrund ist dauerhaft gefroren, rechts oder links bilden Eiskeile die typischen Strukturen. Das heißt, das Wasser kann hier nicht abfließen und bildet über dem gefrorenen Boden kleine Lachen oder Seen. Die werden manchmal Polygonmoore genannt, weil sie in den hellgrünen sogenannten Polygon-Zentren, in denen das Wasser steht, viel Torf bilden wie in kleinen Mooren.

Typische Strukturen des Dauerfrostbodens - Foto: © Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung

Eine Aufnahme aus der Bordkamera des Forschungsflugzeuges.
Es zeigt das typische Muster des gefrorenen Bodens.
Foto: © Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung [4]

Tauen die Eisfelder jedoch auf, kann es sein, daß sich diese typischen Flächen innerhalb kürzester Zeit vollständig verändern, indem sie oder sogar ganze Seen drainiert und trocken gelegt werden. Dann wären die mikrobiellen Voraussetzungen für die Methanproduktion nicht mehr gegeben, und es würde bestenfalls noch CO2 freigesetzt.

Eine weitere Unsicherheit besteht darin, daß die heutigen Methanmessungen aus der saisonalen Auftauschicht von Mikroorganismen erzeugt werden, welche an das derzeitige Klima angepaßt sind. Was mit diesen passieren wird, wenn sich die Temperaturen wesentlich erhöhen, läßt sich ebenfalls nicht vorhersagen. Ob sie das überleben, weitermachen wie bisher oder sogar mehr als gewöhnlich produzieren, bleibt eine offene Frage.

Und schließlich gäbe es auch noch die ungeklärte Möglichkeit, daß erhöhte Methanemissionen aus den Permafrostgebieten irgendwo wieder ausgeglichen werden könnten.

Schließlich ist auch die Landschaft selbst sehr unterschiedlich und damit auch die Menge an CO2 oder Methan, die aus dem Boden entweichen. Es gäbe Seen mit und ohne Vegetation, mit großen Auftaublasen darunter oder gar keinen, je nachdem, wie tief sie sind und wie tief sie durchfrieren. Darüber hinaus enthält der Permafrostboden auch Klumpen gefrorener Gashydrate (Methanhydrat), die beim Auftauen sofort als Methan in die Atmosphäre entweichen, sofern Löcher im Permafrostdeckel entstehen.

All diese Unsicherheiten erschweren das Erstellen und die Aussagekraft von Klimamodellen, in denen man die Werte aus punktuellen Meßbereichen auf eine gesamte Fläche extrapolieren und über die Zeit darstellen will.

Ein anschauliches Beispiel für die große Ungenauigkeit der Meßdaten gibt die laut Torsten Sachs immer noch am häufigsten verwendete oder publizierte sogenannte Haubenmethode. Dabei wird einfach ein geschlossenes System, eine Haube, aufgebaut, aus der man Luft abziehen und messen kann. Auf diese Weise erhält man Aufschluß über die Menge an Methan, die innerhalb des Rahmens dieser Haube produziert wird und in die Atmosphäre entweicht.

Um die Genauigkeit zu prüfen, wurden in einem Polygonzentrum (eine grüne Fläche der polygonalen Tundra) drei solcher Hauben installiert, wobei man zu völlig unterschiedlichen Meßergebnissen kam. Darüber hinaus bleiben es - ganz gleich, ob manuell oder automatisch - diskrete (zeitlich begrenzte) Messungen zu bestimmten Zeiträumen auf einer sehr kleinen Fläche. Ob das für 25 Prozent der nördlichen Hemisphäre aussagekräftig genug ist, so der Forscher, sei dahingestellt.

Auch die weiterentwickelte Meßmethodik über einen längeren Zeitraum, in der moderne Gasanalysatoren die aufsteigende Luft auswerten, die sogenannte Eddy-Kovarianz-Methode, gibt nur sehr pointierte Ergebnisse wieder, die sich nicht auf den gesamten Permafrostbereich hochrechnen lassen.

Spitze des kleinen Meßturms zur Methanmessung - Foto: © 2007 Veedar (über Wikimedia zur freien Verbreitung zur Verfügung gestellt)

Eddy-Kovarianz-Meßstation
Das englische "eddy" heißt "Wirbel" und bezeichnet den Luftwirbelaufbau, der das zu messende Gas vertikal in die Atmosphäre transportiert.
Foto: © 2007 Veedar (über Wikimedia zur freien Verbreitung zur Verfügung gestellt)

Mit solchen Türmchen bekommt man integriert über mehrere Hektar oder Quadratkilometer, je nachdem wie hoch der Turm ist und wie der Untergrund beschaffen ist, eine kontinuierliche Zeitreihe von Messungen, zum Beispiel hochaufgelöst in 30 Minuten-Abständen. Das gibt ein besseres Bild über jährliche Bilanzen, aber wieder nur auf einem relativ kleinen Punkt im Gelände fixiert.

Darüber hinaus befindet sich die größte Fläche des Dauerfrostbodens in Eurasien und somit in den Hoheitsgebieten der früheren Sowjetunion. Das heißt, viele Bereiche des Permafrost sind für westliche Forscher kaum zugänglich, so daß die Datenerhebung schwer und meist noch unzureichend ist.

Eine Lösung für die größere Flächendeckung der Daten, die aber wieder keine gute Auflösung in der zeitlichen Ausrichtung bieten kann, sind Messungen mit dem Flugzeug. In einer Koproduktion von AWI und GFZ, in der das kleine Flugzeug "Polar 5" vom AWI zum Einsatz kommt, können über 10.000 Quadratkilometer gemessen werden, wieviel Methan zu dem Zeitpunkt, in dem man das Gebiet überfliegt, regional aus dem Permafrost in die Atmosphäre gelangt. Auch für die Schwierigkeit, den Permafrost in Rußland auszumessen, will man mit dem sogenannten "Helipod" eine entsprechende Lösung gefunden haben. Dabei handelt es sich um eine von der TU-Braunschweig hergestellte Schleppsonde, die sich auch an russischen Helikoptern anbringen läßt, so daß kein westliches Fluggerät das Hoheitsgebiet verletzen muß, um an Methandaten zu kommen. [6]

Die Polar 5 bei Wartungsarbeiten - Foto: © Jörg Hartmann, Alfred-Wegener-Institut

Die Polar 5 wird nach dem Flug gereinigt.
Vorne wird der Wind gemessen, Temperaturen Feuchte und Gas-Konzentration.
Foto: © Jörg Hartmann, Alfred-Wegener-Institut

Wenn man die Daten der zeitgleich aufgestellten Dauermeßstationen gemeinsam mit den im Luftraum ermittelten Daten in ein passendes Modell einfließen lassen könnte, dann ergäbe das schon ein besseres, wenn auch immer noch sehr spekulatives Bild über die große Fläche des Permafrosts, denn die Modelle verschleiern im Grunde nur die Lücken und Grenzen der vorhandenen Meßsysteme. Eine bessere Abdeckung dieser Lücken verspricht man sich von "Remote sensing" bzw. durch Satelliten ermittelte Daten. Der dafür zuständige Satellit wurde aber bereits aus dem Verkehr gezogen, der Nachfolger, der deutsch-französische Satellit Merlin (Methane Remote Sensing Lidar Mission), der speziell Methan messen soll, ist noch gar nicht im All. Frühestens 2015 soll dieser starten. Doch auch diese Form der Datenerhebung hat ihre natürlichen analytischen Grenzen. Der Satellit mißt die Absorption des ausgestrahlten Lasers im Infrarot-Bereich durch Methan und Wasserdampf. Daß auch diese Technik durch verschiedene Faktoren störanfällig ist, zum Beispiel durch industrielle Emissionen, die die Aussage über den Permafrost verfälschen, steht für sich.

Zusammen mit allen anderen unzureichenden Datensammlungen von der Erdoberfläche versprechen sich die Forscher dann, in einem wesentlich perfekteren Modell einen Überblick darüber zu erhalten, welche Mengen an Treibhausgasen der tauende Permafrost freigibt und welcher Einfluß auf die Klimaentwicklung davon zu erwarten ist. Allerdings fehlt laut Torsten Sachs auch für das beste Modell die sogenannte Basislinie. Anders gesagt, man weiß einfach nicht, welche Methanbilanz normal wäre, da die Messungen zeitlich nicht so weit in die Vergangenheit zurückgehen. Folglich sind auch schon die Aussagen und Prognosen über mögliche Änderungen rein spekulativ.

Torsten Sachs 2006 während seiner Arbeit mit dem Eddy-Kovarianzsystem im Schneesturm - Foto: © Forschungsstelle Potsdam des Alfred-Wegener-Instituts

Torsten Sachs
'Bei Methan fehlt im Grunde die Basislinie, gegen die wir Änderungen überhaupt sichtbar machen können.'
Foto: © Nachwuchsgruppe SPARC - Sensitivity of Permafrost in the Arctic, Alfred-Wegener-Institut

Anmerkungen:
[1] siehe hierzu auch:
BERICHT/028: Arktis warm, Europa kalt - Eisschmelze im polaren Norden (SB)
http://www.schattenblick.de/infopool/umwelt/report/umrb0028.html

[2] Eine Gigatonne entspricht einer Milliarde (10 hoch 9) Tonnen oder einer Billion (10 hoch 12) Kilogramm.

[3] Methan ist 21-mal klimawirksamer als Kohlendioxid. Demnach sind 10 ppm Methan umgerechnet 210 ppm CO2eq.

[4] dem Pressearchiv des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung entnommen, siehe auch:
http://www.awi.de/de/aktuelles_und_presse/pressemitteilungen/detail/item/methans_measurements_during_low_level_flight/?cHash=00946f1fc06b1ae1681d913069ec76e5

[5] Ein schönes Bild zur polygonalen Tundra der Universität Köln findet sich unter diesem Link:
http://www.geologie.uni- koeln.de/index.php?eID=tx_cms_showpic&file=uploads%2Fpics%2FLena10_polygon- small_01.jpg&md5=da2527919c7dfeda586e8ecf6f1744ed74d6c5ba&parameters[0]=YTo0OntzOjU6IndpZHRoIjtzOjQ6IjgwMG0iO3M6NjoiaGVpZ2h0IjtzOjQ6IjYw&parameters[1]=MG0iO3M6NzoiYm9keVRhZyI7czo0MToiPGJvZHkgc3R5bGU9Im1hcmdpbjowOyBi&parameters[2]=YWNrZ3JvdW5kOiNmZmY7Ij4iO3M6NDoid3JhcCI7czozNzoiPGEgaHJlZj0iamF2&parameters[3]=YXNjcmlwdDpjbG9zZSgpOyI%2BIHwgPC9hPiI7fQ%3D%3D

[6] siehe auch Pressemitteilung des Informationsdienstes Wissenschaft zum Helipod:
http://idw-online.de/pages/de/news484052

25. September 2012