Permafrost

In den kalten Regionen der Erde liegen riesige Gebiete, in denen der Frost den Untergrund beherrscht: Überall, wo die Bodentemperatur für mindestens zwei aufeinanderfolgende Jahre unter dem Gefrierpunkt bleibt, erstreckt sich der sogenannte Permafrost. Nur eine dünne Bodenschicht darüber taut im Sommer auf, der tiefere Untergrund bleibt als Permafrost das ganze Jahr hindurch gefroren. Der Klimawandel aber lässt das Verbreitungsgebiet des Permafrosts zunehmend schrumpfen. Und das hat eine ganze Reihe von gravierenden Folgen.

Wie sieht Permafrost aus?

Manche Landschaften in den Permafrost-Gebieten erinnern ein wenig an den ausgetrockneten Boden nach einer Dürre: Risse durchziehen die Oberfläche in einem gleichmäßigen, netzartigen Muster. Solche Strukturen entstehen hier aber nicht durch Trockenheit, sondern durch die extrem kalten Temperaturen der arktischen Winter, durch die sich der gefrorene Boden zusammenzieht und aufreißt. Im Frühjahr füllt das Wasser der Schneeschmelze diese in die Tiefe zeigenden Risse, gefriert sofort wieder und bildet so im Laufe von Jahrzehnten bis Jahrtausenden immer größer werdende Eiskeile. Genauso vielfältig wie an der Oberfläche ist der Permafrost auch darunter: Er kann aus festem Gestein oder Sedimenten bestehen und unterschiedlich große Eismengen enthalten. Im nordöstlichen Sibirien und einigen anderen Regionen der Arktis gibt es zum Beispiel Gebiete, in denen 70 Prozent und mehr des Untergrundes aus Eis bestehen. Das Auftauen hat dann entsprechend dramatische Folgen für die Landschaft, weil die großen Eismassen abschmelzen und die Landschaft absacken lässt. Die große Vielfalt des Permafrosts macht es besonders schwierig, die Vorgänge beim Auftauen zu überblicken und für die Zukunft vorherzusagen.

Wo gibt es Permafrost?

Auf der Nordhalbkugel erstreckt sich der Permafrost auf etwa 15 Prozent aller Landflächen. Dazu gehören zum Beispiel Teile von Nord-Kanada und Alaska, Grönland und der Norden Sibiriens sowie das Tibet-Plateau. Kleinere Flächen finden sich auch in vielen Hochgebirgen. So verfügt Deutschland über ein Flecken Permafrost auf der Zugspitze. In der südlichen Hemisphäre gibt es auf Grund der geringeren Landfläche weniger Permafrost als in der nördlichen. Die Antarktis bietet zwar die nötigen tiefen Temperaturen. Doch die Fläche, auf der diese den Untergrund dauerhaft gefrieren können, ist begrenzt. Denn riesige Gebiete sind von Eispanzern bedeckt, die den Untergrund isolieren von der kalten Luft und so vielerorts das Entstehen von Permafrost verhindern.

Zahlen und Fakten

1.460 - 1.600

Gigatonnen

Permafrost enthält zwischen 1460 und 1600 Gigatonnen Kohlenstoff.

1024

Gigatonnen

Davon sind etwa 1024 Gigatonnen Kohlenstoff derzeit eingefroren.

882

Gigatonnen

Zum Vergleich: Die gesamte Atmosphäre enthält derzeit rund 882 Gigatonnen Kohlenstoff.

FAQ

Gibt es Permafrost nur an Land?

Da Wasser und Meereis den Grund der Ozeane in der Arktis isolieren, könnte man vermuten, dass es dort keinen Permafrost gibt. Das stimmt aber nicht: Auch am Grund einiger flacher Küsten-Meere bleibt in der Arktis der Untergrund dauerhaft gefroren. Diese Form des Permafrosts ist in der letzten Eiszeit entstanden. Damals war so viel Wasser in den ausgedehnten Inland-Eisschilden Skandinaviens und Nordamerikas eingefroren, dass der Meeresspiegel um bis zu 120 Meter tiefer lag als heute. Wo mittlerweile Meereswellen schwappen, war damals festes und Gletscher-freies Land, und die Kälte konnte dort große Flächen in Permafrost verwandeln. Als die Inland-Eisschilde später schmolzen und der Meeresspiegel wieder stieg, wurden diese flachen Bereiche überschwemmt. Obwohl das relativ warme Meerwasser und die Hitze aus dem Erdinneren diesen submarinen Permafrost von oben und unten anknabbern, hat er sich mancherorts bis heute gehalten. Allerdings umfasst er nur etwa ein Zehntel der Fläche wie an Land. Der größte Teil davon liegt unter den flachen Küstenmeeren der sibirischen Arktis.

Wie tief reicht der Permafrost in den Untergrund?

Im Nordosten Sibiriens herrschten während der Eiszeit vor 100.000 bis 10.000 Jahren besonders kalte und lange Winter. Gleichzeitig wurde der Untergrund dort nicht von Gletschern geschützt, so dass dieser stark und ungehindert auskühlen konnte. Dadurch ist der Untergrund besonders weit gefroren, der Permafrost reicht mancherorts noch bis circa 1,6 Kilometer in die Tiefe.

Bis in welche Tiefe taut der Boden im Sommer auf?

Je nach Region und Bodenbeschaffenheit tauen im Sommer die obersten 15 bis 200 Zentimeter auf. Da sich hier der Großteil der biologischen und biochemischen Aktivitäten abspielt, nennt man diesen Bereich auch die „aktive Schicht“, die als Auftauschicht nicht mit zum Permafrost zählt. Darunter folgt dann der ganzjährig gefrorene Bereich. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler messen regelmäßig die Temperaturen beider Schichten und die Auftautiefe. Während letztere Aufschluss über kurzfristige Klimaschwankungen gibt, kann man an den Temperaturen der gefrorenen Schicht längerfristige Klimaveränderungen ablesen. So kann man einen Überblick darüber gewinnen, welche Auswirkungen die globale Klimaerwärmung auf die Polargebiete und Hochgebirgsregionen hat. Die Ergebnisse solcher Untersuchungen werden in einer Datenbank namens „Global Terrestrial Network for Permafrost“ veröffentlicht, die vom AWI mit koordiniert wird. In diesen Daten zeigt sich ein klarer Trend: Vielerorts taut der Boden im Sommer immer tiefer auf. Entscheidend ist das vor allem im Bereich der obersten zehn Meter. Denn dort lauern die größten Risiken für das Welt-Klima und die Infrastruktur der betroffenen Regionen.

Warum beeinflusst der tauende Permafrost das Klima?

Der Permafrost hat einen großen Einfluss auf das Klima. Denn die Böden sind gigantische Tiefkühltruhen, in denen die Überreste von längst verstorbenen Pflanzen und Tieren, und damit viel Kohlenstoff-haltige organische Substanz, eingefroren sind. Über Jahrausende hat die Kälte sie konserviert. Doch wenn der Permafrost taut, beginnen Bakterien und andere Mikroorganismen, dieses Material zu zersetzen. Dabei wandeln sie die darin enthaltenen Kohlenstoffverbindungen in Treibhausgase um: Bei trockenen Bedingungen entsteht Kohlendioxid, bei feuchten, sauerstoffarmen Bedingungen Kohlendioxid und Methan. Letzteres macht zwar nur gut zwei Prozent der freigesetzten Treibhausgase aus, allerdings ist es extrem wirksam: Das globale Erwärmungspotential von Methan ist über eine Zeitspanne von hundert Jahren gerechnet 28- bis 36-mal so hoch wie das von Kohlendioxid.

Wie viel Kohlenstoff steckt im Permafrost?

Fachleute nehmen an, dass im Untergrund in Permafrost-Gebieten allein an Land zwischen 1460 und 1600 Gigatonnen (Milliarden Tonnen) organischer Kohlenstoff enthalten sind. Davon sind etwa 1024 Gigatonnen derzeit eingefroren. Ein Großteil dieses Kohlenstoffs befindet sich in den obersten Bodenschichten. Dazu kommt noch weiterer Kohlenstoff, der im submarinen Permafrost steckt, aber in seiner Menge bisher nur schwer zu bestimmen ist. Zum Vergleich: Die gesamte Atmosphäre enthält derzeit rund 870 Gigatonnen Kohlenstoff.

Wie schnell taut der Permafrost?

Um das herauszufinden, messen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Permafrosttemperatur in Tiefen unterhalb von etwa 6 bis 20 Metern – also dort, wo sie nicht mehr von Jahr zu Jahr schwankt. Die so erhobenen Daten des internationalen Monitoring-Programms „Global Terrestrial Network for Permafrost“ (GTN-P) zeigen, dass sich der Permafrost zwischen den Jahren 2007 und 2016 durchschnittlich um 0,29 Grad Celsius erwärmt hat. Das ist der weltweite Durchschnittswert, je nach Region gibt es in dieser Hinsicht große Unterschiede. Die stärksten Temperaturanstiege finden sich dabei in den kältesten Gebieten. Betroffen sind zum Beispiel der Norden Kanadas und Grönlands sowie der Osten Sibiriens. Dort hat sich der Permafrost zwischen 2007 und 2016 um 0,39 Grad Celsius erwärmt. Im Untergrund der relativ wenigen Dauerfrostböden in der Antarktis liegen die Werte mit 0,37 Grad Celsius knapp darunter. Im Permafrost der Gebirge außerhalb der Polargebiete verzeichnet das GTN-P dagegen „nur“ eine Temperaturerhöhung von 0,19 Grad Celsius. Das heißt allerdings nicht, dass die Entwicklung dort weniger kritisch wäre – im Gegenteil: Da der Untergrund dort ohnehin wärmer ist als in den hohen Breiten der Arktis oder der Antarktis, genügt eine geringere Erwärmung, um ihn auftauen zu lassen.

Warum zerfallen Permafrostküsten zunehmend?

Die Küstenerosion in der Arktis hat sich in den letzten Jahrzehnten verstärkt. Das liegt an der geringeren Meereisbedeckung des Arktischen Ozeans im Sommer, an höheren Wasser- und Lufttemperaturen und am steigenden Meeresspiegel. Weniger Meereis bedeutet zum Beispiel, dass bei Wind größere Wellen entstehen, die auf die arktischen Küsten treffen. Im Durchschnitt zieht sich die arktische Küstenlinie um etwa einen halben Meter pro Jahr zurück. Einzelne Küstenabschnitte jedoch, die aus sehr eisreichem Permafrost bestehen, werden um bis zu 50 Meter pro Jahr durch Erosion abgetragen. Diese schnellen Veränderungen haben große Auswirkungen auf das küstennahe arktische Ökosystem und die dort lebende Bevölkerung.

Welche Folgen hat das Tauen des Permafrosts für die Menschen in diesen Regionen?

Die Permafrost-Regionen der Arktis sind keineswegs ein unbewohntes Niemandsland. Im Jahr 2017 lebten dort schätzungsweise 2,3 Millionen Menschen. Mehr als die Hälfte aller arktischen Siedlungen sind auf Permafrost erbaut. Angebunden sind diese Orte über 22000 Kilometer Straße und 235 Flughäfen. Doch das Leben dort verändert sich. Nach Einschätzung von AWI-Expert:innen wird im Jahr 2050 nur noch gut die Hälfte der heutigen Permafrost-Siedlungen auf gefrorenem Untergrund stehen, mit ungefähr 860.000 Menschen, die dort noch leben. Die übrigen müssen sich darauf einstellen, dass der Boden unter ihren Füßen bis dahin auftauen wird. 

Durch das Auftauen wird vor allem eisreicher Permafrost instabil: Wenn das Eis verschwindet, sackt das Erdreich zusammen. Dadurch werden Gebäude oft stark in Mitleidenschaft gezogen: Schäden an Fassaden machen Gebäude instabil, Risse in den Wänden führen zu strukturellen Schäden, die die Gebäudesicherheit gefährden können aber auch zu einer schlechten Isolierung, die zu Schimmelbildung in den Räumen und entsprechenden Gesundheitsrisiken führen kann. Dadurch sind beispielsweise im Ort Qaanaaq an der Westküste von Grönland 40 Prozent der Gebäude in einen Zustand geraten, den man anderswo als unbewohnbar einstufen würde. Zudem führt die starke Erosion an den Küsten dazu, dass ganze Häuser ins Meer stürzen und auch viele Friedhöfe und andere Kulturstätten bedroht sind. Durch die Gefährdung von Pipelines und Treibstofftanks kann es zu weitreichenden Umweltverschmutzungen sensibler arktischer Ökosysteme im überregionalen Ausmaß kommen. Und in Gebirgen kommt es durch das Tauen des Permafrosts häufiger zu Felsstürzen.

Welche Folgen hat das Tauen des Permafrosts für die Wirtschaft?

In der Arktis werden Gas, Öl und andere Rohstoffe gewonnen, was nur mit einer intakten Infrastruktur möglich ist. Doch wo der Untergrund instabil wird, drohen massive Schäden an Straßen und Bahnschienen, Flughäfen und Gas- und Ölleitungen. Nach Einschätzung von AWI-Fachleuten liegen derzeit ein Drittel der gesamten arktischen Infrastruktur und 45 Prozent der Öl- und Gasfelder Russlands in Gebieten mit einem hohen Schadensrisiko. Dadurch dürfte die Unterhaltung der Infrastruktur künftig viel teurer und auch viel gefährlicher werden als bisher. Bis 2060 könnten die Instandhaltungs- und Reparaturkosten bei Straßen und Schienen, Häfen und Flughäfen um mehr als 40 Prozent steigen, bei Pipelines sogar um mehr als 60 Prozent.

In welchem Ausmaß wird der Permafrost künftig zum Klimawandel beitragen?

Die Vorgänge in den komplexen und vielfältigen Permafrost-Landschaften sind schwer zu modellieren. Deshalb gibt es bisher nur recht ungenaue Vorstellungen davon, welche Mengen Kohlenstoff diese Landschaften künftig freisetzen könnten. Eine grobe Schätzung findet sich im 2021 veröffentlichten Bericht des Weltklimarates IPCC. Demnach könnten für jedes Grad globale Erwärmung Treibhausgase mit der Wirkung von 14 bis 177 Gigatonnen CO2 in die Atmosphäre strömen. Noch drastischer könnten die Folgen sein, wenn der Permafrost in einigen Gebieten abrupt auftaut. In diesem Fall könnte jedes zusätzliche Grad 50 bis 240 Gigatonnen CO2-Äquivalente aus den Dauerfrostböden freisetzen. 

Je wärmer es auf der Erde wird, umso mehr Treibhausgase entweichen also aus diesen Regionen in die Atmosphäre und umso schwieriger wird es, eine weitere Erwärmung zu verhindern. Computermodellen zufolge könnte der tauende Permafrost bis zum Ende des 21. Jahrhunderts zu einem zusätzlichen Temperaturanstieg von bis zu 0,29 Grad Celsius führen. Bis zum Jahr 2300 wäre allein durch diesen Prozess sogar eine Erwärmung von 0,4 Grad Celsius möglich. Wenn man das berücksichtigt, werden die im Abkommen von Paris formulierten Klimaschutzziele noch schwerer zu erreichen sein als ohnehin schon.

Was passiert bei einem globalen Temperaturanstieg von mehr als 1,5 Grad Celsius mit dem Permafrost?

Ob die Menschheit den Klimaschutz schnell genug vorantreiben kann, um die Erwärmung nicht über 1,5 Grad Celsius ansteigen zu lassen, ist fraglich. Bei zwischenzeitlich stärkeren Temperaturanstiegen, die in manchen Modellen akzeptiert werden, müsste man durch noch nicht erfundene, weder ausgereifte noch skalierbare technische Innovationen genügend Treibhausgase aus der Atmosphäre entfernen, um den Temperaturanstieg wieder bis auf 1,5 Grad Celsius zurückzudrehen. Das Tauen des Permafrostes bei höheren Temperaturen aber könnte dazu führen, dass diese Strategie nicht aufgeht. Denn zum einen könnten die Temperaturen dadurch noch höher über die eigentliche Zielmarke hinausschießen als geplant. Zum anderen dürfte der einmal verschwundene Permafrost und sein teils seit Jahrtausenden eingelagerter Kohlenstoff nicht so schnell zurückkommen. Selbst wenn die Menschheit ihre Treibhausgas-Emissionen stoppt, dürfte es Jahrzehnte dauern, bis die Fläche des Permafrostes nicht mehr weiter schrumpft. Und die riesigen Gebiete, die dann schon aufgetaut sind, dürften noch Jahrhunderte lang die Treibhausgase Kohlenstoffdioxid und Methan freisetzen. Das Problem, das der menschengemachte Klimawandel einmal angestoßen hat, lässt sich womöglich also nicht so schnell wieder auffangen, zumal gerade in den Permafrostgebieten irreversible Veränderungen stattfinden. Das heißt, wenn der alte Permafrost erst einmal aufgetaut ist und die Küsten erodiert sind, kann dies auch mit Renaturierungsprozessen nicht wieder rückgängig gemacht werden. Es wird noch Generationen nach uns beschäftigen.

Wird die Tundra bei steigender Temperatur grüner?

In einer wärmeren Arktis werden mehr Pflanzen gedeihen, die zum Wachsen CO2 brauchen. Diese grünen Klimaschützer werden also künftig mehr Kohlenstoff aus der Atmosphäre holen und in ihren Blättern, Stängeln und Wurzeln speichern. Das kann den Treibhausgas-Emissionen aus dem Permafrost zunächst entgegenwirken. Doch über längere Zeiträume und bei weiter steigenden Temperaturen werden die Mikroorganismen durch Zersetzungsprozesse mehr Treibhausgase freisetzen, als die Pflanzen im Gegenzug aufnehmen können.

Kann man das weitere Tauen des Permafrosts verhindern?

Einige kleine Permafrost-Flächen in den Alpen werden im Sommer bereits mit weißen Planen abgedeckt, um sie vor dem Auftauen zu schützen. In der Arktis gibt es zudem Experimente mit großen Pflanzenfressern, die sich ebenfalls als Klimaschützer betätigen können. In der Theorie könnten große Herden von Bisons, Pferden und Rentieren die relativ dunkle Taiga mit der Zeit in ein helleres Grasland verwandeln, das mehr Sonnenlicht reflektiert und sich nicht so stark aufheizt. Und im langen Winter trampeln sie die Schneedecke zusammen, so dass sie den Untergrund nicht mehr so gut isoliert. Dadurch dringt die Kälte tiefer in den Boden, der dann nicht mehr so leicht auftaut. Dass man mit diesem lokalen Ansatz den globalen Rückzug des Permafrosts arktisweit bekämpfen könnte, ist allerdings schwer vorstellbar. Dazu sind die bedrohten Flächen zu groß, der Klimawandel zu schnell, und die dafür benötigte Anzahl der Tiere völlig unrealistisch. Es gibt bisher nur eine praktikable Möglichkeit, das große Tauen zu bremsen: Die Menschheit muss die Emission von Treibhausgasen deutlich drosseln.

Links

Links in die Forschung

Kontakt

Portrait von Prof. Dr. Guido Grosse.

Guido Grosse

Prof. Dr. Guido Grosse, Experte für Permafrost
Porträt des AWI-Permafrostforschers 
Prof. Dr. Hugues Lantuit, Leiter der Helmholtz-Nachwuchsgruppe COPER.

Portrait of AWI permafrost expert Prof Dr Hugues Lantuit, Coastal Permafrost Geomorphologist, Leader, COPER - HGF Young Investigator Group

Hugues Lantuit

Prof. Dr. Hugues Lantuit, Experte für Permafrostforschung und polare Küstendynamik