Permafrost
| Permafrost ⓘ | |
|---|---|
 Karte mit Ausdehnung und Arten von Permafrost in der nördlichen Hemisphäre | |
| Verwendet in | Internationale Permafrost-Vereinigung |
| Klima | Hohe Breitengrade, alpine Regionen |
Permafrostboden ist ein Boden, der zwei oder mehr Jahre lang ununterbrochen unter 0 °C liegt und sich an Land oder unter dem Meer befindet. Am häufigsten ist er in der nördlichen Hemisphäre anzutreffen: Etwa 15 % der nördlichen Hemisphäre bzw. 11 % der globalen Oberfläche sind von Permafrost bedeckt, darunter große Gebiete in Alaska, Grönland, Kanada und Sibirien. Er kann auch auf Berggipfeln in der südlichen Hemisphäre und unter eisfreien Gebieten in der Antarktis vorkommen. ⓘ
Permafrost muss nicht unbedingt die erste Schicht auf dem Boden sein. Er kann von einem Zoll bis zu mehreren Kilometern tief unter der Erdoberfläche liegen. Er kommt häufig im Bodeneis vor, kann aber auch im nicht porösen Grundgestein vorhanden sein. Permafrost bildet sich aus Eis, das verschiedene Arten von Erde, Sand und Gestein zusammenhält. ⓘ
Der Permafrostboden enthält große Mengen an Biomasse und zersetzter Biomasse, die in Form von Methan und Kohlendioxid gespeichert wurde, was den Tundraboden zu einer Kohlenstoffsenke macht. Wenn sich das Ökosystem durch die globale Erwärmung aufheizt und der Boden auftaut, beschleunigt sich der Kohlenstoffkreislauf des Permafrosts und setzt einen Großteil der im Boden gespeicherten Treibhausgase in die Atmosphäre frei, wodurch ein Rückkopplungskreislauf entsteht, der den Klimawandel verstärkt. Das Auftauen des Permafrosts ist eine der Auswirkungen des Klimawandels. Im sechsten IPCC-Bericht heißt es, dass die Emissionen aus dem auftauenden Permafrost zwar erheblich genug sein werden, um zu einer zusätzlichen Erwärmung zu führen, aber wahrscheinlich nicht ausreichen werden, um eine sich selbst verstärkende Rückkopplung auszulösen, die zu einer unkontrollierbaren Erwärmung führt. ⓘ
Permafrost bezeichnet in den Geowissenschaften einen Untergrund, dessen Temperatur für mindestens zwei Jahre ununterbrochen (perennierend) unter 0 °C liegt. Bei dem Untergrund kann es sich um Boden, Lockergestein oder Festgestein handeln. Permafrost tritt abhängig von den klimatischen Bedingungen mit unterschiedlicher Mächtigkeit und Tiefe auf; er kann mehrere hundert Meter tief reichen und besitzt dann meist ein Alter von vielen tausend Jahren. Über dem Permafrost kann der Boden im Sommer auftauen (siehe Auftauboden). ⓘ
Studie über Permafrost
Im Gegensatz zu dem relativen Mangel an Berichten über gefrorene Böden in Nordamerika vor dem Zweiten Weltkrieg gab es in russischer Sprache eine umfangreiche Literatur über die Grundlagen der Permafrostforschung und die technischen Aspekte des Permafrosts. Einige russische Autoren verbinden die Permafrostforschung mit dem Namen Alexander von Middendorff (1815-1894). Russische Wissenschaftler erkannten aber auch, dass Karl Ernst von Baer das Attribut "Begründer der wissenschaftlichen Permafrostforschung" zukommen muss. Im Jahr 1843 war Baers Originalstudie "Materialien zum Studium des mehrjährigen Bodeneises" druckreif. Baers ausführliche Studie umfasst 218 Seiten und wurde in deutscher Sprache verfasst, da er ein deutschbaltischer Wissenschaftler war. Er lehrte an der Universität Königsberg und wurde Mitglied der St. Petersburger Akademie der Wissenschaften. Dieses erste Permafrost-Lehrbuch der Welt wurde als vollständiges Werk konzipiert und 1843 zum Druck fertiggestellt. Es blieb jedoch rund 150 Jahre lang verschollen. Ab 1838 veröffentlichte Baer jedoch mehrere Einzelpublikationen über Permafrost. Die Russische Akademie der Wissenschaften ehrte Baer mit der Veröffentlichung einer vorläufigen russischen Übersetzung seiner Studie im Jahr 1942. ⓘ
Nach dem Zweiten Weltkrieg gerieten diese Fakten völlig in Vergessenheit. So war die Entdeckung des Typoskripts von 1843 im Bibliotheksarchiv der Universität Gießen und dessen kommentierte Veröffentlichung im Jahr 2001 eine wissenschaftliche Sensation. Der vollständige Text von Baers Originalarbeit ist online verfügbar (234 Seiten). Der Herausgeber hat dem Faksimile-Nachdruck ein Vorwort in englischer Sprache, zwei farbige Permafrostkarten von Eurasien und einige Abbildungen von Permafrostmerkmalen hinzugefügt. Baers Text wird mit ausführlichen Kommentaren und Hinweisen auf weiteren 66 Seiten eingeleitet, die der estnische Historiker Erki Tammiksaar verfasst hat. Das Werk ist faszinierend zu lesen, denn sowohl Baers Beobachtungen zur Permafrostverteilung als auch seine periglazialen morphologischen Beschreibungen sind auch heute noch weitgehend korrekt. Mit seiner Zusammenstellung und Analyse aller verfügbaren Daten über Bodeneis und Permafrost legte Baer die Grundlage für die moderne Permafrostterminologie. Die von Baer 1843 eingezeichnete Südgrenze des Permafrostes in Eurasien stimmt gut mit der aktuellen Südgrenze auf der Circum-Arctic Map of Permafrost and Ground Ice Conditions der International Permafrost Association (herausgegeben von J. Brown et al.) überein. ⓘ
Ab 1942 vertiefte sich Siemon William Muller in die einschlägige russische Literatur, die sich in der Library of Congress und der U.S. Geological Survey Library befand, so dass er in der Lage war, der Regierung bis 1943", dem Jahr, in dem er den Begriff als Verkürzung des dauerhaft gefrorenen Bodens prägte, einen technischen Feldführer und einen technischen Bericht über Permafrost zu liefern. Obwohl ursprünglich klassifiziert (als U.S. Army. Office of the Chief of Engineers, Strategic Engineering Study, Nr. 62, 1943), wurde 1947 ein überarbeiteter Bericht veröffentlicht, der als die erste nordamerikanische Abhandlung zu diesem Thema gilt. ⓘ
Die Erforschung des Dauerfrostbodens hat in Russland ihren Anfang genommen. Der Ausdruck russisch вечная мерзлота für „unvergänglich gefrorenen“ Boden tauchte schon Mitte des 19. Jahrhunderts in einem wissenschaftlichen Lexikon auf. ⓘ
Klassifizierung und Ausmaß
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Permafrost ist Boden, Gestein oder Sediment, das länger als zwei aufeinander folgende Jahre gefroren ist. In Gebieten, die nicht von Eis bedeckt sind, befindet er sich unter einer Boden-, Gesteins- oder Sedimentschicht, die jährlich gefriert und auftaut und als "aktive Schicht" bezeichnet wird. In der Praxis bedeutet dies, dass Permafrost bei einer mittleren Jahrestemperatur von -2 °C oder darunter auftritt. Die Dicke der aktiven Schicht variiert je nach Jahreszeit, beträgt aber 0,3 bis 4 Meter (flach entlang der arktischen Küste; tief in Südsibirien und auf dem Qinghai-Tibet-Plateau). ⓘ
Die Ausdehnung des Permafrosts wird in Form von Permafrostzonen dargestellt, die je nach der von Permafrost bedeckten Fläche als kontinuierlich (90 %-100 %), diskontinuierlich (50 %-90 %), sporadisch (10 %-50 %) und als isolierte Flecken (10 % oder weniger) definiert werden. Diese Permafrostzonen bedecken zusammen etwa 22 % der nördlichen Hemisphäre. Kontinuierliche Permafrostzonen bedecken etwas mehr als die Hälfte dieser Fläche, diskontinuierlicher Permafrost etwa 20 % und sporadischer Permafrost zusammen mit isolierten Flecken etwas weniger als 30 %. Da die Permafrostzonen nicht vollständig von Permafrost bedeckt sind, sind nur 15 % der eisfreien Fläche der nördlichen Hemisphäre tatsächlich von Permafrost bedeckt. Der größte Teil dieser Fläche befindet sich in Sibirien, Nordkanada, Alaska und Grönland. Unter der aktiven Schicht werden die jährlichen Temperaturschwankungen des Permafrosts mit zunehmender Tiefe geringer. Die tiefste Permafrostschicht befindet sich dort, wo die geothermische Wärme eine Temperatur über dem Gefrierpunkt aufrechterhält. Oberhalb dieser Untergrenze kann es Permafrost mit einer konstanten Jahrestemperatur geben - "isothermer Permafrost". ⓘ
Kontinuität der Bedeckung
Permafrost bildet sich in der Regel in allen Klimazonen, in denen die mittlere jährliche Lufttemperatur unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegt. Ausnahmen sind feuchte boreale Wälder, wie in Nordskandinavien und im nordöstlichen Teil des europäischen Russlands westlich des Urals, wo Schnee als isolierende Decke wirkt. Auch vergletscherte Gebiete können Ausnahmen darstellen. Da alle Gletscher an ihrer Basis durch geothermische Wärme erwärmt werden, können gemäßigte Gletscher, die sich durchweg in der Nähe des Druckschmelzpunkts befinden, flüssiges Wasser an der Grenzfläche zum Boden aufweisen und daher keinen darunter liegenden Permafrost haben. "Fossile" Kälteanomalien im geothermischen Gradienten in Gebieten, in denen sich während des Pleistozäns tiefer Permafrost entwickelt hat, bestehen bis in mehrere hundert Meter Tiefe fort. Dies geht aus Temperaturmessungen in Bohrlöchern in Nordamerika und Europa hervor. ⓘ
Diskontinuierlicher Permafrost
Die Temperatur unter der Erdoberfläche schwankt von Jahreszeit zu Jahreszeit weniger stark als die Lufttemperatur, wobei die Jahresmitteltemperaturen aufgrund des geothermischen Krustengefälles mit der Tiefe zunehmen. Liegt die Jahresmitteltemperatur der Luft nur geringfügig unter 0 °C, bildet sich Permafrost nur an geschützten Stellen - in der Regel in nördlicher oder südlicher Richtung (in der nördlichen bzw. südlichen Hemisphäre) -, wodurch diskontinuierlicher Permafrost entsteht. In der Regel bleibt der Permafrost in einem Klima diskontinuierlich, in dem die mittlere jährliche Temperatur der Bodenoberfläche zwischen -5 und 0 °C liegt. In den bereits erwähnten feucht-winterlichen Gebieten kann es sogar bis -2 °C (28 °F) keinen diskontinuierlichen Permafrost geben. Diskontinuierlicher Permafrost wird häufig weiter unterteilt in ausgedehnten diskontinuierlichen Permafrost, der zwischen 50 und 90 % der Landschaft bedeckt und in der Regel in Gebieten mit mittleren Jahrestemperaturen zwischen -2 und -4 °C vorkommt, und sporadischen Permafrost, der weniger als 50 % der Landschaft bedeckt und in der Regel bei mittleren Jahrestemperaturen zwischen 0 und -2 °C auftritt. In der Bodenkunde wird die sporadische Permafrostzone mit SPZ und die ausgedehnte diskontinuierliche Permafrostzone mit DPZ abgekürzt. Ausnahmen gibt es im unvergletscherten Sibirien und Alaska, wo die heutige Permafrosttiefe ein Relikt der klimatischen Bedingungen während der Eiszeiten ist, in denen die Winter bis zu 11 °C kälter waren als heute. ⓘ
Kontinuierlicher Permafrost
| Ortschaft | Fläche |
|---|---|
| Qinghai-Tibet-Hochebene | 1.300.000 km2 (500.000 Quadratmeilen) |
| Khangai-Altai-Gebirge | 1.000.000 km2 (390.000 Quadratmeilen) |
| Brooks-Gebirge | 263.000 km2 (102.000 Quadratmeilen) |
| Sibirisches Gebirge | 255.000 km2 (98.000 Quadratmeilen) |
| Grönland | 251.000 km2 (97.000 Quadratmeilen) |
| Uralgebirge | 125.000 km2 (48.000 Quadratmeilen) |
| Anden | 100.000 km2 (39.000 Quadratmeilen) |
| Rocky Mountains (USA und Kanada) | 100.000 km2 (39.000 Quadratmeilen) |
| Alpen | 80.000 km2 (31.000 Quadratmeilen) |
| Fennoskandisches Gebirge | 75.000 km2 (29.000 km²) |
| Übrige | <50.000 km2 (19.000 km²) |
Bei mittleren jährlichen Bodenoberflächentemperaturen unter -5 °C (23 °F) kann der Einfluss des Aspekts niemals ausreichen, um den Permafrost aufzutauen, und es bildet sich eine Zone mit kontinuierlichem Permafrost (abgekürzt: CPZ). Eine Dauerfrostgrenze auf der Nordhalbkugel stellt die südlichste Grenze dar, an der Land von Dauerfrost oder Gletschereis bedeckt ist. Aufgrund regionaler klimatischer Veränderungen variiert die Permafrostgrenze weltweit in Richtung Norden oder Süden. In der südlichen Hemisphäre würde der größte Teil der entsprechenden Linie in den Südlichen Ozean fallen, wenn es dort Land gäbe. Der größte Teil des antarktischen Kontinents ist von Gletschern bedeckt, unter denen ein großer Teil des Geländes der Basalschmelze ausgesetzt ist. Das freiliegende Land der Antarktis ist zu einem großen Teil mit Permafrost bedeckt, von dem ein Teil entlang der Küstenlinie auf- und abtaut. ⓘ
Alpiner Permafrost
Alpiner Permafrost tritt in Höhenlagen auf, in denen die Durchschnittstemperaturen niedrig genug sind, um einen dauerhaft gefrorenen Boden aufrechtzuerhalten; ein Großteil des alpinen Permafrosts ist diskontinuierlich. Die Schätzungen der Gesamtfläche des alpinen Permafrosts variieren. Bockheim und Munroe kombinierten drei Quellen und erstellten die tabellarischen Schätzungen nach Regionen, die sich auf insgesamt 3.560.000 km2 (1.370.000 sq mi) belaufen. ⓘ
Der alpine Permafrost in den Anden ist nicht kartiert worden. Seine Ausdehnung wurde modelliert, um die Menge des in diesen Gebieten gebundenen Wassers zu ermitteln. Im Jahr 2009 entdeckte ein Forscher aus Alaska Permafrost in einer Höhe von 4.700 m auf dem höchsten Berg Afrikas, dem Kilimandscharo, etwa 3° südlich des Äquators. ⓘ
Unterseeischer Permafrost
Unterseeischer Permafrost kommt unter dem Meeresboden vor und existiert auf den Kontinentalschelfen der Polarregionen. Diese Gebiete bildeten sich während der letzten Eiszeit, als ein größerer Teil des Wassers der Erde in Eisschilden an Land gebunden war und der Meeresspiegel niedrig war. Als die Eisschilde schmolzen und wieder zu Meerwasser wurden, bildete sich der Permafrost unter relativ warmen und salzhaltigen Randbedingungen, verglichen mit dem Oberflächenpermafrost, zu unterseeischen Schelfen. Unterseeischer Permafrost existiert also unter Bedingungen, die zu seiner Ausdünnung führen. Laut Osterkamp ist der Permafrost unter dem Meeresspiegel ein Faktor bei der "Planung, dem Bau und dem Betrieb von Küstenanlagen, auf dem Meeresboden errichteten Bauwerken, künstlichen Inseln, Unterwasser-Pipelines und Bohrungen zur Erkundung und Förderung". Außerdem enthält er stellenweise Gashydrate, die eine "potenziell ergiebige Energiequelle" darstellen, aber auch destabilisiert werden können, wenn sich der unterseeische Permafrostboden erwärmt und auftaut, wodurch große Mengen Methangas entstehen, das ein starkes Treibhausgas ist. Wissenschaftler berichten mit großer Zuversicht, dass die Ausdehnung des unterseeischen Permafrosts abnimmt, und dass 97 % des Permafrosts unter dem arktischen Schelfeis derzeit auftauen. ⓘ
Manifestationen
| Zeit (Jahre) | Permafrost-Tiefe ⓘ |
|---|---|
| 1 | 4,44 m (14,6 ft) |
| 350 | 79,9 m (262 ft) |
| 3,500 | 219,3 m (719 ft) |
| 35,000 | 461,4 m (1,514 ft) |
| 100,000 | 567,8 m (1.863 ft) |
| 225,000 | 626,5 m (2,055 ft) |
| 775,000 | 687,7 m (2,256 ft) |
Tiefe der Basis
Permafrost erstreckt sich bis zu einer Basistiefe, in der die geothermische Wärme der Erde und die mittlere jährliche Temperatur an der Oberfläche eine Gleichgewichtstemperatur von 0 °C erreichen. Die Basistiefe des Permafrostes erreicht im nördlichen Lena- und Yana-Becken in Sibirien 1.493 m (4.898 ft). Der geothermische Gradient ist der Grad der Temperaturzunahme mit zunehmender Tiefe im Erdinneren. Abseits der tektonischen Plattengrenzen beträgt er in den meisten Teilen der Welt in Oberflächennähe etwa 25-30 °C/km (124-139 °F/mi). Sie variiert mit der Wärmeleitfähigkeit des geologischen Materials und ist bei Permafrost im Boden geringer als im Grundgestein. ⓘ
Berechnungen zufolge dauerte es über eine halbe Million Jahre, bis sich der tiefe Permafrost unter der Prudhoe Bay in Alaska bildete. Diese Zeitspanne erstreckte sich über mehrere Glazial- und Interglazialzyklen des Pleistozäns und lässt darauf schließen, dass das gegenwärtige Klima in der Prudhoe Bay wahrscheinlich wesentlich wärmer ist, als es im Durchschnitt während dieses Zeitraums war. Eine solche Erwärmung in den letzten 15 000 Jahren wird allgemein anerkannt. Die Tabelle auf der rechten Seite zeigt, dass sich die ersten hundert Meter Permafrost relativ schnell bilden, die tieferen Schichten jedoch immer länger brauchen. ⓘ
Massives Bodeneis
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Wenn der Eisgehalt eines Permafrostbodens 250 Prozent übersteigt (Verhältnis von Eis zu trockenem Boden), wird er als massives Eis eingestuft. Massive Eiskörper können in ihrer Zusammensetzung in allen denkbaren Abstufungen von eisigem Schlamm bis zu reinem Eis vorkommen. Massiveisschichten haben eine Mindestdicke von 2 m und einen kurzen Durchmesser von mindestens 10 m. Die ersten aufgezeichneten nordamerikanischen Beobachtungen wurden 1919 von europäischen Wissenschaftlern in Canning River, Alaska, gemacht. Die russische Literatur nennt ein früheres Datum: 1735 und 1739 während der Großen Nordexpedition von P. Lassinius bzw. Kh. P. Laptev. Zwei Kategorien von massivem Bodeneis sind vergrabenes Oberflächeneis und intrasedimentales Eis (auch Konstitutionseis genannt). ⓘ
Vergrabenes Oberflächeneis kann von Schnee, gefrorenem See- oder Meereis, Aufeis (gestrandetes Flusseis) und - wahrscheinlich am häufigsten - von vergrabenem Gletschereis stammen. ⓘ
Intrasedimentales Eis bildet sich durch Gefrieren von unterirdischem Wasser an Ort und Stelle und wird von Segregationseis dominiert, das aus der kristallinen Differenzierung während des Gefrierens von nassen Sedimenten resultiert, begleitet von Wasser, das zur Gefrierfront wandert. ⓘ
Intrasedimentales oder konstitutionelles Eis ist in ganz Kanada weithin beobachtet und untersucht worden und umfasst auch Intrusions- und Injektions-Eis. ⓘ
Darüber hinaus erzeugen Eiskeile - eine eigene Art von Bodeneis - erkennbare gemusterte Boden- oder Tundrapolygone. Eiskeile bilden sich in einem bereits existierenden geologischen Substrat und wurden erstmals 1919 beschrieben. ⓘ
Landformen
Permafrostprozesse manifestieren sich in großräumigen Landformen wie Palsas und Pingos sowie in kleinräumigeren Phänomenen wie gemusterten Böden, die in arktischen, periglazialen und alpinen Gebieten vorkommen. ⓘ
Eine Gruppe von Palsas, von oben gesehen, die durch das Wachstum von Eislinsen entstanden sind.
Ein Torfplateaukomplex südlich von Fort Simpson, Nordwestterritorien
Pingos bei Tuktoyaktuk, Nordwest-Territorien, Kanada
Bodenpolygone
Steinringe auf Spitzbergen
Eiskeile von oben gesehen
Solifluktion auf Svalbard
Kontraktionsrisspolygone (Eiskeil) auf arktischem Sediment.
Kohlenstoffkreislauf im Permafrost
Der Permafrost-Kohlenstoffkreislauf (Arktischer Kohlenstoffkreislauf) befasst sich mit dem Transfer von Kohlenstoff aus Permafrostböden in die terrestrische Vegetation und Mikroben, in die Atmosphäre, zurück in die Vegetation und schließlich zurück in die Permafrostböden durch Vergraben und Sedimentation aufgrund kryogener Prozesse. Ein Teil dieses Kohlenstoffs wird über den globalen Kohlenstoffkreislauf in den Ozean und andere Teile der Erde übertragen. Der Kreislauf umfasst den Austausch von Kohlendioxid und Methan zwischen terrestrischen Komponenten und der Atmosphäre sowie die Übertragung von Kohlenstoff zwischen Land und Wasser in Form von Methan, gelöstem organischem Kohlenstoff, gelöstem anorganischem Kohlenstoff, anorganischem Kohlenstoff in Partikeln und organischem Kohlenstoff in Partikeln. ⓘ
Auswirkungen des Klimawandels
Der arktische Permafrost schwindet seit Jahrzehnten. Weltweit hat sich der Permafrost zwischen 2007 und 2016 um etwa 0,3 °C erwärmt, wobei die Erwärmung in der kontinuierlichen Permafrostzone stärker war als in der diskontinuierlichen Zone. Die Folge sind auftauende Böden, die möglicherweise schwächer sind, und die Freisetzung von Methan, das als Teil einer durch mikrobielle Zersetzung verursachten Rückkopplungsschleife zu einer verstärkten globalen Erwärmung beiträgt. Das Austrocknen von Feuchtgebieten durch Entwässerung oder Verdunstung beeinträchtigt die Überlebensfähigkeit von Pflanzen und Tieren. Wenn der Permafrost weiter abnimmt, werden sich viele Szenarien des Klimawandels verstärken. In Gebieten mit hohem Permafrostanteil kann die umgebende Infrastruktur durch das Auftauen des Permafrosts schwer beschädigt werden. Man geht davon aus, dass die Kohlenstoffspeicherung in den Permafrostböden weltweit etwa 1600 Gigatonnen beträgt, was dem Doppelten des atmosphärischen Pools entspricht. ⓘ
Eine weitere Gefahr stellt die Freisetzung großer Mengen von gesundheitsschädlichem Quecksilber durch das Auftauen des Permafrosts dar. In der gefrorenen Biomasse des arktischen Permafrosts ist etwa doppelt so viel Quecksilber gebunden wie in allen anderen Böden, der Atmosphäre sowie den Ozeanen zusammen. Bei einem Auftauen des Permafrosts würden biologische Abbauprozesse einsetzen, durch die das Quecksilber möglicherweise in die Umwelt abgegeben wird, wo es u. a. den arktischen Ökosystemen, den Wasserlebewesen der Meere und der menschlichen Gesundheit schaden könnte. ⓘ
Historische Veränderungen
Während des letzten glazialen Maximums bedeckte kontinuierlicher Permafrost ein viel größeres Gebiet als heute, nämlich das gesamte eisfreie Europa südlich bis etwa Szeged (Südostungarn) und das Asowsche Meer (damals trockenes Land) sowie Ostasien südlich bis zum heutigen Changchun und Abashiri. In Nordamerika gab es nur einen extrem schmalen Permafrostgürtel südlich des Inlandeises, etwa auf der Höhe von New Jersey, im südlichen Iowa und im nördlichen Missouri, während der Permafrost in den trockeneren westlichen Regionen ausgedehnter war und sich bis zur Südgrenze von Idaho und Oregon erstreckte. In der südlichen Hemisphäre gibt es in Zentral-Otago und im argentinischen Patagonien einige Hinweise auf ehemaligen Permafrost aus dieser Zeit, der aber wahrscheinlich nicht kontinuierlich war und mit der Tundra zusammenhängt. Alpiner Permafrost trat auch in den Drakensbergen während der Gletschermaxima oberhalb von etwa 3.000 Metern auf. ⓘ
Tauwetter
Per Definition ist Permafrost ein Boden, der zwei oder mehr Jahre lang gefroren bleibt. Der Boden kann aus vielen Substratmaterialien bestehen, darunter Felsgestein, Sediment, organisches Material, Wasser oder Eis. Gefrorener Boden ist ein Boden, der unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegt, unabhängig davon, ob Wasser im Substrat vorhanden ist oder nicht. Bodeneis ist nicht immer vorhanden, wie es bei nicht porösem Felsgestein der Fall sein kann, aber es tritt häufig auf und kann in Mengen vorhanden sein, die die potenzielle hydraulische Sättigung des aufgetauten Substrats übersteigen. ⓘ
Während des Tauwetters schmilzt der Eisgehalt des Bodens, und wenn das Wasser abfließt oder verdunstet, wird die Bodenstruktur schwächer und manchmal zähflüssig, bis sie mit abnehmendem Feuchtigkeitsgehalt wieder an Festigkeit gewinnt. Das Auftauen kann auch die Geschwindigkeit des Austauschs von Bodengasen mit der Atmosphäre beeinflussen. Ein sichtbares Zeichen für den Abbau des Permafrostes ist die zufällige Verschiebung von Bäumen aus ihrer vertikalen Ausrichtung in Permafrostgebieten. ⓘ
Auftauender Permafrost auf Herschel Island, Kanada, 2013
Permafrost und Eis auf der Herschel-Insel, Kanada, 2012
Permafrost-Tautümpel auf Torfland in der Hudson Bay, Kanada, 2008. ⓘ
Auswirkungen auf die Hangstabilität
Im Laufe des letzten Jahrhunderts wurde eine zunehmende Zahl von Bergstürzen in Gebirgszügen auf der ganzen Welt verzeichnet. Man geht davon aus, dass die hohe Zahl der Strukturbrüche auf das Auftauen des Permafrosts zurückzuführen ist, das vermutlich mit dem Klimawandel zusammenhängt. Es wird angenommen, dass das Auftauen des Permafrostes zum Erdrutsch von Val Pola 1987 beigetragen hat, bei dem 22 Menschen in den italienischen Alpen ums Leben kamen. In Gebirgszügen ist ein Großteil der strukturellen Stabilität auf Gletscher und Permafrost zurückzuführen. Wenn sich das Klima erwärmt, taut der Permafrost auf, was zu einer weniger stabilen Bergstruktur und letztlich zu mehr Hangrutschungen führt. ⓘ
McSaveney berichtete von massiven Fels- und Eisabbrüchen (bis zu 11,8 Mio. m3), Erdbeben (bis zu 3,9 Richter), Überschwemmungen (bis zu 7,8 Mio. m3 Wasser) und schnellen Fels-Eis-Strömen über große Entfernungen (bis zu 7,5 km bei 60 m/s), die durch die "Instabilität von Hängen" im Hochgebirgspermafrost verursacht werden. Die Instabilität von Hängen in Permafrostböden bei erhöhten Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt im sich erwärmenden Permafrost hängt mit der effektiven Spannung und dem Aufbau von Porenwasserdruck in diesen Böden zusammen. Kia und seine Miterfinder erfanden ein neues filterloses starres Piezometer (FRP) zur Messung des Porenwasserdrucks in teilweise gefrorenen Böden, wie z. B. in sich erwärmenden Permafrostböden. Sie dehnten die Anwendung des Konzepts der effektiven Spannung auf teilweise gefrorene Böden aus, um sie bei der Analyse der Hangstabilität von Permafrostböden zu verwenden. Die Verwendung des Konzepts der effektiven Spannung hat viele Vorteile, wie z. B. die Möglichkeit, die Konzepte der "Bodenmechanik im kritischen Zustand" auf gefrorene Böden auszuweiten. ⓘ
Im Hochgebirge können Felsstürze durch das Auftauen von Felsmassen mit Permafrost verursacht werden. ⓘ
Gefrorene Schuttkegel
Nach Angaben der University of Alaska Fairbanks sind gefrorene Schuttkegel (FDL) "sich langsam bewegende Erdrutsche, die aus Erde, Felsen, Bäumen und Eis bestehen und im Permafrost auftreten. Im Dezember 2021 wurden 43 gefrorene Erdrutsche in der südlichen Brooks Range entlang des Trans Alaska Pipeline System (TAPS)-Korridors und der Hauptverkehrsstraße, die das Innere Alaskas mit dem Alaska North Slope verbindet, dem Dalton Highway, festgestellt. Im Jahr 2012 waren einige FDLs über 100 m breit, 20 m hoch und 1.000 m lang. Anhand von Messungen eines gefrorenen Schuttkegels in der südlichen Brooks Range in Alaska, die von 2008 bis 2010 durchgeführt wurden, stellten die Forscher fest, dass sich die Bewegung beschleunigt, wenn das Eis in tieferen Bodenschichten mit steigenden Temperaturen schmilzt. Wenn das Eis im Boden schmilzt, kommt es zu einem Verlust der Bodenfestigkeit, einer beschleunigten Bewegung und möglichen Murgängen. Sie befürchten, dass ein Murgang sowohl das Trans-Alaska-Pipelinesystem als auch die Hauptverkehrsstraße, die das Innere Alaskas mit dem North Slope-Dalton Highway verbindet, gefährden könnte. ⓘ
Ökologische Folgen
In der nördlichen Zirkumpolarregion enthält der Permafrost 1700 Milliarden Tonnen organisches Material, was fast der Hälfte des gesamten organischen Materials in allen Böden entspricht. Dieser Pool wurde über Tausende von Jahren aufgebaut und wird unter den kalten Bedingungen in der Arktis nur langsam abgebaut. Die im Permafrost gebundene Kohlenstoffmenge ist viermal so groß wie die Menge an Kohlenstoff, die durch menschliche Aktivitäten in der heutigen Zeit in die Atmosphäre gelangt ist. Ein Beispiel dafür ist Yedoma, ein organisch reicher (etwa 2 % Kohlenstoffmasse) Permafrostboden aus Löss aus dem Pleistozän mit einem Eisanteil von 50-90 % des Volumens. ⓘ
Die Bildung von Permafrost hat erhebliche Auswirkungen auf ökologische Systeme, in erster Linie durch die Beschränkung der Durchwurzelungszonen, aber auch durch die Einschränkung der Höhlen- und Grabengeometrien für Tiere, die auf unterirdische Lebensräume angewiesen sind. Sekundäre Auswirkungen betreffen Arten, die von Pflanzen und Tieren abhängig sind, deren Lebensraum durch den Permafrost eingeschränkt wird. Eines der am weitesten verbreiteten Beispiele ist die Dominanz der Schwarzfichte in ausgedehnten Permafrostgebieten, da diese Art ein auf die nahe Oberfläche beschränktes Wurzelmuster tolerieren kann. ⓘ
Die Zahl der Bakterien in Permafrostböden schwankt stark, typischerweise zwischen 1 und 1000 Millionen pro Gramm Boden. Die meisten dieser Bakterien und Pilze in Permafrostböden können nicht im Labor kultiviert werden, aber die Identität der Mikroorganismen kann durch DNA-basierte Techniken festgestellt werden. ⓘ
Die arktische Region ist eine der vielen natürlichen Quellen der Treibhausgase Methan und Kohlendioxid. Die globale Erwärmung beschleunigt die Freisetzung dieser Gase durch die Freisetzung von Methan sowohl aus vorhandenen Speichern als auch durch die Methanogenese in verrottender Biomasse. Große Mengen an Methan sind in der Arktis in Erdgasvorkommen, im Permafrost und in Form von submarinen Clathraten gespeichert. Permafrost und Clathrate zersetzen sich bei Erwärmung, so dass es infolge der globalen Erwärmung zu großen Methanfreisetzungen aus diesen Quellen kommen kann. Weitere Methanquellen sind submarine Talböden, Flusstransport, der Rückzug von Eiskomplexen, submariner Permafrost und zerfallende Gashydratvorkommen. Vorläufige Computeranalysen deuten darauf hin, dass der Permafrost Kohlenstoff in einer Größenordnung von 15 % der heutigen Emissionen aus menschlichen Aktivitäten produzieren könnte. ⓘ
Eine von Sergey Zimov vertretene Hypothese besagt, dass die Verringerung der Herden großer Pflanzenfresser das Verhältnis zwischen Energieabgabe und Energieaufnahme der Tundra (Energiebilanz) in einer Weise erhöht hat, die die Tendenz zum Nettoauftauen des Permafrosts verstärkt. Er testet diese Hypothese in einem Experiment im Pleistocene Park, einem Naturschutzgebiet im Nordosten Sibiriens. ⓘ
Die Erwärmung der Temperaturen in der Arktis ermöglicht es den Bibern, ihren Lebensraum weiter nach Norden auszudehnen, wo ihre Dämme die Schifffahrt behindern, den Zugang zu Nahrung beeinträchtigen, die Wasserqualität beeinträchtigen und die Fischpopulationen flussabwärts gefährden. Die von den Dämmen gebildeten Tümpel speichern Wärme, verändern so die lokale Hydrologie und verursachen ein lokales Auftauen des Permafrosts, was wiederum zur globalen Erwärmung beiträgt. ⓘ
Voraussichtliche Veränderungsrate in der Arktis
Laut dem Sechsten Sachstandsbericht des IPCC ist es sehr wahrscheinlich, dass die globale Erwärmung der letzten Jahrzehnte zu einem weit verbreiteten Anstieg der Permafrosttemperaturen geführt hat. Die beobachtete Erwärmung betrug bis zu 3 °C in Teilen Nordalaskas (Anfang der 1980er bis Mitte der 2000er Jahre) und bis zu 2 °C in Teilen des russischen europäischen Nordens (1970-2020), und die Dicke der aktiven Schicht hat in der europäischen und russischen Arktis während des 21. In Yukon könnte sich die Zone mit durchgehendem Permafrost seit 1899 um 100 Kilometer polwärts bewegt haben, aber genaue Aufzeichnungen reichen nur 30 Jahre zurück. Es wird vermutet, dass das Auftauen des Permafrosts die globale Erwärmung durch die Freisetzung von Methan und anderen Kohlenwasserstoffen, die starke Treibhausgase sind, noch verstärken könnte. Außerdem könnte es die Erosion fördern, da der Permafrost den kargen arktischen Hängen Stabilität verleiht. ⓘ
Aufgrund der hohen Übereinstimmung zwischen Modellprojektionen, dem Verständnis grundlegender Prozesse und paläoklimatischen Belegen ist es praktisch sicher, dass die Ausdehnung und das Volumen des Permafrosts mit der globalen Klimaerwärmung schrumpfen werden. Es wird erwartet, dass die Temperaturen in der Arktis etwa doppelt so schnell ansteigen werden wie weltweit. Es wird erwartet, dass das Volumen des Permafrosts in den oberen 3 m des Bodens um etwa 25 % pro 1 °C Erwärmung abnimmt. Es gibt unterschiedliche Schätzungen darüber, wie viele Tonnen Treibhausgase von aufgetauten Permafrostböden freigesetzt werden. Der Sechste IPCC-Bericht schätzt, dass die Freisetzung von Kohlendioxid und Methan aus dem Permafrost das Äquivalent von 14-175 Milliarden Tonnen Kohlendioxid pro 1 °C Erwärmung betragen könnte. Zum Vergleich: Im Jahr 2019 betrug der gesamte anthropogene Ausstoß von Kohlendioxid in die Atmosphäre etwa 40 Milliarden Tonnen. Die Freisetzung von Treibhausgasen aus dem aufgetauten Permafrost in die Atmosphäre verstärkt die globale Erwärmung. ⓘ
Konservierung von Organismen im Permafrost
Mikroben
Wissenschaftler gehen davon aus, dass pro Jahr bis zu 1021 Mikroben, darunter neben Viren auch Pilze und Bakterien, aus dem schmelzenden Eis freigesetzt werden. Oft werden diese Mikroben direkt in den Ozean freigesetzt. Da viele Fisch- und Vogelarten Zugvögel sind, ist es möglich, dass diese Mikroben eine hohe Übertragungsrate haben. ⓘ
Im Jahr 2016 untersuchten Forscher den Permafrost in der Ostschweiz an einem alpinen Permafroststandort namens "Muot-da-Barba-Peider", der eine vielfältige mikrobielle Gemeinschaft mit verschiedenen Bakterien und eukaryotischen Gruppen aufwies. Zu den wichtigsten Bakteriengruppen gehörten die Stämme Acidobacteriota, Actinomycetota, AD3, Bacteroidota, Chloroflexota, Gemmatimonadota, OD1, Nitrospirota, Planctomycetota, Pseudomonadota und Verrucomicrobiota. Zu den wichtigsten eukaryotischen Pilzen gehören Ascomycota, Basidiomycota und Zygomycota. Bei den heutigen Arten beobachteten die Wissenschaftler eine Vielzahl von Anpassungen an die Minusgrade, darunter reduzierte und anaerobe Stoffwechselprozesse. ⓘ
Ein Ausbruch von Milzbrand im Jahr 2016 auf der Jamal-Halbinsel ist vermutlich auf das Auftauen des Permafrosts zurückzuführen. Im sibirischen Permafrost kommen auch zwei Virusarten vor: Pithovirus sibericum und Mollivirus sibericum. Beide sind etwa 30.000 Jahre alt und gelten als Riesenviren, da sie größer als die meisten Bakterien sind und ein größeres Genom als andere Viren haben. Beide Viren sind immer noch infektiös, wie ihre Fähigkeit zeigt, Acanthamoeba, eine Gattung von Amöben, zu infizieren. ⓘ
Es hat sich gezeigt, dass das Einfrieren bei niedrigen Temperaturen die Infektiosität von Viren erhält. Caliciviren, Influenza A und Enteroviren (z. B. Polioviren, Echoviren, Coxsackie-Viren) sind in Eis und/oder Permafrost konserviert worden. Wissenschaftler haben drei Merkmale ermittelt, die für die erfolgreiche Konservierung eines Virus im Eis erforderlich sind: hohe Abundanz, Fähigkeit zum Transport im Eis und Fähigkeit zur Wiederaufnahme des Krankheitszyklus nach der Freisetzung aus dem Eis. Eine direkte Infektion des Menschen durch Permafrost oder Eis wurde bisher nicht nachgewiesen; solche Viren werden normalerweise durch andere Organismen oder abiotische Mechanismen verbreitet. ⓘ
In einer Studie über sibirische Permafrostproben aus dem späten Pleistozän aus dem Kolyma-Tiefland (einem ostsibirischen Tiefland) wurde durch DNA-Isolierung und Genklonierung (insbesondere 16S rRNA-Gene) ermittelt, zu welcher Phyla diese Mikroorganismen gehören. Diese Technik ermöglichte einen Vergleich bekannter Mikroorganismen mit den neu entdeckten Proben und ergab acht Phylotypen, die zu den Phyla Actinomycetota und Pseudomonadota gehörten. ⓘ
Pflanzen
Im Jahr 2012 bewiesen russische Forscher, dass Permafrost als natürlicher Aufbewahrungsort für uralte Lebensformen dienen kann, indem sie Silene stenophylla aus 30 000 Jahre altem Gewebe wiederbelebten, das in einem eiszeitlichen Eichhörnchenbau im sibirischen Permafrost gefunden wurde. Dies ist das älteste jemals wiederbelebte Pflanzengewebe. Die Pflanze war fruchtbar und produzierte weiße Blüten und lebensfähige Samen. Die Studie zeigt, dass das Gewebe Zehntausende von Jahren im Eis überleben kann. ⓘ
Extraterrestrischer Permafrost
Permafrostpolygone auf dem Mars, aufgenommen von der Landefähre Phoenix.
Falschfarbenbild des Mars Reconnaissance Orbiters mit polygonalem Oberflächenmuster.
Gemusterter Boden auf der Erde. ⓘ
Andere Themen
Die International Conferences On Permafrost (ICOP) dienen seit 1963 dem globalen wissenschaftlichen Austausch zwischen Permafrostforschern. Die Initiative dazu ging Anfang der 60er-Jahre von US-amerikanischen, kanadischen und sowjetischen Wissenschaftlern aus, mit dem Vorsatz, diese Tagungen alle fünf Jahre stattfinden zu lassen. Das große Interesse und die jeweils umfangreichen wissenschaftlichen Veröffentlichungen der Konferenzen führten 1983 an der 4. ICOP in Fairbanks (Alaska) die über 850 Teilnehmer dazu, die International Permafrost Association (IPA) zu gründen. In ihr sind derzeit 27 Länder vertreten, in denen intensiv über Permafrost geforscht wird. Infolge der recht großen Zahl an Forschern im alpinen Permafrost und deren beachtenswerten Forschungsergebnissen gehörten schon 1983 auch die Alpenländer Schweiz, Frankreich, Deutschland und Italien zu den 24 Gründungsmitgliedern der IPA. ⓘ
Die IPA berichtet in Jahresberichten aus allen Mitgliedsländern über ihre weltweiten Aktivitäten. Ebenso lädt sie zu nationalen und internationalen Zusammenkünften ein. Die ICOP-Fachkonferenzen fanden bis 2008 jeweils im Abstand von fünf Jahren statt. Ab 2006 wechseln sich meist alle zwei Jahre eine internationale und eine regionale Konferenz ab. ⓘ
Die Internationale Permafrost-Vereinigung (IPA) ist ein Integrator von Fragen zum Permafrost. Sie beruft internationale Permafrostkonferenzen ein, führt spezielle Projekte durch, wie die Erstellung von Datenbanken, Karten, Bibliographien und Glossaren, und koordiniert internationale Feldprogramme und Netzwerke. Das IPA befasst sich unter anderem mit folgenden Themen: Probleme beim Bauen im Permafrost aufgrund der Veränderung der Bodeneigenschaften des Untergrunds, auf dem Bauwerke errichtet werden, und die biologischen Prozesse im Permafrost, z.B. die Erhaltung von in situ gefrorenen Organismen. ⓘ
Bauen auf Permafrostböden
Jakutsk ist eine von zwei Großstädten der Welt, die in Gebieten mit durchgehendem Permafrost gebaut wurden, d. h. in Gebieten, in denen der gefrorene Boden eine ununterbrochene, unter dem Nullpunkt liegende Schicht bildet. Die andere ist Norilsk in der Region Krasnojarsk, Russland. ⓘ
Das Bauen auf Permafrostböden ist schwierig, da die Hitze des Gebäudes (oder der Pipeline) den Permafrostboden erwärmen und die Struktur destabilisieren kann. Die Erwärmung kann dazu führen, dass der Boden auftaut und die Tragfähigkeit des Bauwerks dadurch geschwächt wird, dass sich der Eisanteil in Wasser umwandelt; bei Bauwerken, die auf Pfählen errichtet werden, kann die Erwärmung zu Bewegungen durch Kriechen führen, da sich die Reibung an den Pfählen ändert, auch wenn der Boden gefroren bleibt. ⓘ
Drei gängige Lösungen sind: Fundamente auf Holzpfählen, eine Technik, die von dem sowjetischen Ingenieur Mikhail Kim in Norilsk entwickelt wurde; Bau auf einer dicken Kiesschicht (in der Regel 1 bis 2 Meter dick); oder Verwendung von Heizrohren mit wasserfreiem Ammoniak. Das Trans-Alaska-Pipelinesystem verwendet Wärmerohre, die in vertikale Stützen eingebaut sind, um ein Absinken der Pipeline zu verhindern, und die Qingzang-Eisenbahn in Tibet verwendet eine Reihe von Methoden, um den Boden kühl zu halten, beide in Gebieten mit frostempfindlichem Boden. Permafrost kann spezielle Einhausungen für erdverlegte Versorgungsleitungen, so genannte "Utilidors", erforderlich machen. ⓘ
Das Melnikov-Permafrost-Institut in Jakutsk hat herausgefunden, dass das Einsinken großer Gebäude in den Boden verhindert werden kann, wenn Pfahlfundamente verwendet werden, die bis zu 15 Meter oder mehr tief reichen. In dieser Tiefe ändert sich die Temperatur nicht mit den Jahreszeiten, sondern bleibt bei etwa -5 °C (23 °F). ⓘ
Auftauender Permafrost stellt eine Bedrohung für die industrielle Infrastruktur dar. Im Mai 2020 verursachte auftauender Permafrost im Wärmekraftwerk Nr. 3 von Norilsk-Taimyr Energy den Einsturz eines Öllagertanks, wodurch 21.000 Kubikmeter (17.500 Tonnen) Dieselöl in die örtlichen Flüsse flossen. Die Norilsk-Ölpest von 2020 wurde als die zweitgrößte Ölpest in der modernen russischen Geschichte bezeichnet. ⓘ
In dem mit Permafrost bedeckten Gebiet gibt es kein Grundwasser. Jede größere Siedlung oder Anlage muss eine alternative Lösung für die Wasserversorgung finden. ⓘ
Moderne Gebäude in Permafrostgebieten können auf Pfählen gebaut werden, um zu verhindern, dass das Fundament durch die Hitze des Gebäudes zerstört wird.
Wärmerohre in vertikalen Stützen sorgen dafür, dass die vom Auftauen bedrohten Abschnitte der Trans-Alaska-Pipeline gefroren bleiben.
Pfahlfundamente in Yakutsk, einer Stadt mit durchgehendem Permafrostboden.
Fernwärmerohre verlaufen in Jakutsk oberirdisch, um auftauenden Permafrost zu vermeiden. ⓘ
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Wortherkunft
Der Ausdruck Permafrost im Sinne von „permanenter Frost“ geht zurück auf den in Russland geborenen US-amerikanischen Geologen und Paläontologen Siemon Muller (1900–1970), der damit den im Russischen für dauergefrorenen Boden der Tundra verwendeten Ausdruck вечная мерзлота („ewiger Frost“) übersetzte, als er 1943 während des Zweiten Weltkrieges dem US-Militär diente. Seine 1947 erschienene Abhandlung Permafrost or Permanently Frozen Ground and Related Engineering Problems (231 Seiten) war das erste englischsprachige Buch zum Thema auf dem Markt; ein aktualisiertes und überarbeitetes Manuskript wurde erst 2008 veröffentlicht. Obgleich die Beschreibung perennial („ganzjährig“) anstelle von permanent („fortdauernd“) anfangs mehr Anklang gefunden hatte, etablierte sich im Folgenden Permafrost als Begriffsbenennung. ⓘ
Geschichte der Permafrostforschung
Polarer Permafrost
Die Permafrostforschung gewann nach dem 2. Weltkrieg als Folge des Kalten Krieges stark an Bedeutung. Entlang der Nordküste von Alaska und durch den kanadischen Archipel hindurch bis nach Grönland wurde in den 1950er Jahren eine Kette von mehr als 30 Radarstationen auf Permafrost gebaut, die Distant Early Warning Line. Die dazu notwendige Grundlagenforschung wurde vom Cold Regions Research and Engineering Laboratory (CRREL) des United States Army Corps of Engineers koordiniert und finanziert. Dadurch standen der Permafrostforschung große finanzielle und logistische Ressourcen zur Verfügung. In der Sowjetunion übernahm die Akademie der Wissenschaften der UdSSR diese Forschungsaufgaben. ⓘ
Großes wissenschaftliches Interesse erregten seit den 1950er Jahren die Pionierarbeiten von J. Ross Mackay (1915–2014) über Pingos und Eiskeile im Delta des Mackenzie River. Er betrieb seine innovativen Projekte rund 50 Jahre lang. Der Untersuchungsraum ist zudem ein Gebiet mit einem großen Potential für Erdöl und Erdgas, was auch die angewandte Forschung begünstigte. ⓘ
Große Wissensfortschritte über polaren Permafrost brachten Arbeiten vor dem Bau der der Trans-Alaska-Pipeline von Prudhoe Bay nach Valdez 1974 bis 1977. Wegen des Permafrostbodens musste fast die Hälfte der 1287 km langen Pipeline auf Stelzen gebaut werden. Das Alaskaöl hat einen hohen Wachsgehalt und muss deshalb bei 70 bis 80 Grad transportiert werden. Über 10.000 Pipelinestützen stehen in Löchern, die in den Permafrostboden gebohrt wurden. Auswertungen der Bohrprotokolle brachten Erkenntnisse, die auch zum Bau der die Pipeline begleitenden anderen Bauwerke (Straßen, Pumpstationen Brücken) im Permafrost notwendig waren. Ein Forschungszentrum für Permafrost befindet sich noch heute an der University of Alaska Fairbanks (UAF). In der Stadt Fairbanks sind häufig Baumaßnahmen zu sehen, die auf den unter der Stadt vorkommenden Dauerfrostboden hinweisen (Gebäude auf Stützen, Wärmepumpen). ⓘ
Ein viel beachtetes Projekt wurde 1959 von Fritz Müller (Glaziologe) auf Axel Heiberg Island in der extremen kanadischen Arktis begonnen. Die 1959 errichtete Forschungsstation (McGill Arctic Research Station wird auch heute noch betrieben. ⓘ
Sie ermöglichte zahlreiche Pionierarbeiten, so eine bedeutende glaziologische Massenbilanzreihe an einem arktischen Gletscher (White Glacier) und die langjährige Vermessung einer aktiven arktischen Stauchmoräne am vorstoßenden Thompson Glacier. Die Arbeiten wurden an der McGill University begonnen und von Fritz Müller (1926–1980) an der ETH Zürich weitergeführt. Sie gaben Anlass zu Folgearbeiten auf Ellesmere Island und Ward Hunt Island durch Wissenschaftler der Universität Heidelberg, später an der JLU Gießen. Wissenschaftler erforschten in den Jahren 1975 bis 1990 auf teils langen Expeditionen einige bis dahin unerforschte Permafrostgebiete der kanadischen Arktis. ⓘ
Gliederung des Permafrosts
Geographische Verbreitung
- Zone oder Höhenstufe des kontinuierlichen Permafrosts (90 bis 100 % des Untergrunds einer Region sind gefroren)
- Zone oder Höhenstufe des diskontinuierlichen Permafrosts (mehr als 50 % des Untergrunds einer Region sind gefroren)
- Zone oder Höhenstufe des sporadischen Permafrosts (gefrorener Untergrund tritt lückenhaft auf, weniger als 50 %) ⓘ
Querschnitt durch Permafrost (von oben nach unten)
- sommerlicher Auftauboden (active layer), der bei höheren Temperaturen aufgetaut ist (Mächtigkeit: wenige Zentimeter bis etwa drei Meter) und im nachfolgenden Winter wiederum gefriert.
- eigentlicher Dauerfrostboden ⓘ
Ein nicht gefrorener Bereich innerhalb des Dauerfrostbodens wird als Talik bezeichnet. Dabei werden offene und geschlossene Taliki unterschieden, letztere haben keinen Kontakt zum Auftauboden. ⓘ
weiß: Vergletscherung; rosa Strichellinie: Südgrenze der Tundra; weiße Punktlinie: Südgrenze der Permafrostvorkommen; grüne Linie: Grenze nördliche Steppe/Baumgrenze; gelbe Schraffur: Lösswüste ⓘ
Kohlenstoffspeicher
In den Permafrostgebieten der Arktis, Antarktis und der Hochgebirge sind zwischen 1.300 und 1.600 Gigatonnen Kohlenstoff gespeichert, etwa doppelt so viel wie in der gesamten Erdatmosphäre (etwa 800 Gigatonnen): Beim durch den Klimawandel beschleunigten Auftauen des Permafrosts wird dieser als Treibhausgas Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Das Auftauen von Permafrost gilt als eines der bedeutendsten Kippelemente der globalen Erwärmung. Die Untersuchung der Kohlenstoff-Dynamik in permafrostbeeinflusstem Untergrund und die Abschätzung der dort lagernden Kohlenstoffmengen sind Gegenstand aktueller Forschung. ⓘ
Rückgang von Permafrost
Schäden an Gebäuden und Infrastruktur
Zu den unmittelbaren Folgen eines Rückgangs von Permafrost zählen Schäden an Straßen, Häusern und Infrastruktur. Gebäude können so ganz oder teilweise einsinken und zerstört werden. Ökologisch besonders bedrohlich sind Schäden an Industrieanlagen, wo die Gefahr besteht, dass große Mengen von Schadstoffen in die empfindlichen arktischen Ökosysteme freigesetzt werden, die sich aufgrund der kurzen Vegetationsperiode nur schlecht regenerieren können. 2020 kam es in der sibirischen Stadt Norilsk zu einer schweren Ölpest, als ein Öltank für ein Kraftwerk infolge auftauenden Permafrosts barst und mehr als 20.000 Tonnen Öl ausliefen. Etwa 5.000 Tonnen Öl verseuchten das Erdreich, der Großteil des Öls gelangte in Gewässer, insbesondere den Fluss Ambarnaja. Der Unfall gilt als bisher größtes Unglück infolge auftauenden Permafrosts. Gemäß Greenpeace Russland handelte es sich dabei um die größte Ölkatastrophe der Arktis seit der Havarie der Exxon Valdez im Jahr 1989. Zuvor hatte Sibirien mit bis zu 6 Grad über dem langjährigen Durchschnitt den wärmsten Winter seit Beginn der Aufzeichnungen vor 130 Jahren erlebt. In Russland lagen die Temperaturen zwischen Januar und Mai 2020 5,3 °C über dem Durchschnitt der Jahre 1951–1980; zudem wurde der bisherige Rekordwert um 1,9 °C übertroffen. ⓘ
Veränderungen der Topographie
Das Auftauen von Permafrosts hat bereits erhebliche und bedrohliche Veränderungen der Topographie verursacht (Thermokarst). Vor allem im Norden Russlands sind große ebene Flächen innerhalb kurzer Zeit abgesunken, als das gefrorene Wasser auftaute und dadurch an Volumen verlor, eingeschlossenes Gas entwich und das durchlöcherte Erdreich in der Folge unter dem eigenen Gewicht in sich zusammensank. Weite Flächen sind seitdem eine Kraterlandschaft mit schiefen und entwurzelten Bäumen sowie Seen mit Tauwasser. Auch der unter der Meeresoberfläche liegende („submarine“) Permafrost vor der sibirischen Küste taut durch den Zufluss warmen Wassers beschleunigt auf und lässt Gase entweichen. ⓘ
Das oberflächliche Auftauen des Untergrunds bereitet viele Probleme beim Bau von Gebäuden. In Permafrostgebieten werden deshalb Gebäude auf Pfähle gesetzt, die bis in die permanent gefrorenen Bereiche des Bodens hinabreichen und somit auf festem Grund stehen. Luft kann dann unter dem Gebäude durchziehen und die vom Gebäude abgestrahlte Wärme abtransportieren. Der Boden wird zudem beschattet, ein weiterer Schutz vor dem Auftauen. ⓘ
Das Auftauen der Permafrosts in den Alpen kann ganze Berghänge in Bewegung setzen (Massenbewegung). Am Bliggferner in den Alpen rutschten 2007 etwa vier Millionen Kubikmeter Gestein und Eis in Richtung Tal. In Gebirgslagen Norwegens zeigt der Permafrost eine Temperatur von 0 bis −3 °C. Deshalb sind auch dort bei anhaltender Klimaerwärmung massive Erdrutsche wahrscheinlich, da das gefrorene Wasser als Bindemittel loses Gestein, Sand und dergleichen zusammenhält. Als Folge von Bergstürzen und Hangrutschungen könnten in engen Fjordschluchten Megatsunamis mit Auflaufhöhen von 100 m und mehr entstehen. ⓘ
Freisetzen von Krankheitserregern wie Milzbrand
In Sibirien kam es 2016 nach 75 Jahren zu einem Milzbrand-Ausbruch; ein Kind war an der von Anthrax-Bakterien verursachten Erkrankung gestorben, 23 Menschen wurden infiziert. Die Sporen von Bacillus anthracis können jahrzehntelang in Kadavern überleben, die im Permafrost begraben sind. Die ungewöhnlich hohen Temperaturen führten zum Auftauen des Bodens, sodass die Bakterien wieder zum Leben erweckt wurden. ⓘ
Maßnahmen zum Erhalt von Permafrost
Um den Permafrost zu schützen, wurde in deutsch-russischer Kooperation die Pleistocene-Park-Stiftung ins Leben gerufen. Mit der Wiederherstellung von Flora und Fauna aus der Pleistozän-Ära wird dem Schmelzen von Permafrost entgegengewirkt. Der Erhalt des Permafrosts wird durch zwei Hauptfaktoren verwirklicht: 1. Im Pleistozän-Park werden verschiedene Pflanzenfresser angesiedelt. Bei der Futtersuche im Winter zerstören die Tiere die isolierende Schneeschicht und verdichten diese gleichzeitig. Kälte kann auf diese Weise besser in die Böden eintreten und die gespeicherte Wärme besser austreten. Allein die Anwesenheit der Tiere reicht also aus, um den Permafrost zu erhalten. ⓘ
2. Durch Albedo (Rückstrahlung) wird mehr eingehende Sonnenstrahlung direkt reflektiert und steht dem System nicht als Energie zur Verfügung. Die Steppentundra ist heller als die aktuell vorherrschende Vegetation, daher wird ein höherer Anteil der Sonnenwärme reflektiert. Der Permafrost wird im Sommer daher weniger stark erwärmt. ⓘ