Eine bedeutende Quelle von Treibhausgasen hat begonnen, an einem unwahrscheinlichen Ort in die Erdatmosphäre zu entweichen. Oberhalb des Polarkreises hat das seit Zehntausenden von Jahren gefrorene Land zum ersten Mal zu tauen begonnen. Aktuellen Schätzungen zufolge enthält der dauerhaft gefrorene Boden, Permafrost genannt, mehr als doppelt so viel Kohlenstoff wie die heutige Atmosphäre. Wenn der Permafrostboden auftaut, könnte eine große Menge dieses gespeicherten Kohlenstoffs als Kohlendioxid oder Methangas freigesetzt werden.
In gemäßigteren Klimazonen gelangt der meiste Kohlenstoff aus abgestorbenem Pflanzenmaterial dank der Tätigkeit von Mikroben, die organisches Material abbauen, relativ schnell wieder in die Atmosphäre. Die Überreste abgestorbener Pflanzen haben sich jedoch über Jahrtausende in den Permafrostböden und -sedimenten in Regionen wie dem Nordhang Alaskas und Sibiriens angesammelt.
„Sobald organisches Material in den Permafrost eingeschlossen wird, ist es so gut wie aus dem System verschwunden. Es ist so, als würde man Lebensmittel im Gefrierschrank aufbewahren – die Zersetzungsrate wird dramatisch verlangsamt“, sagte Julie Jastrow, Ökologin am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE).
„Solange der Boden oder das Sediment gefroren bleibt, gibt es nur sehr wenig mikrobielle Aktivität, um das organische Material zu zersetzen“, so Jastrow weiter. „Sobald der Boden jedoch auftaut, nimmt die mikrobielle Aktivität zu, und wenn sich die Mikroben von den organischen Stoffen ernähren, wird ein Teil des Kohlenstoffs an die Atmosphäre abgegeben. Die Befürchtung ist, dass diese zusätzliche Quelle von Treibhausgasen den Erwärmungsprozess beschleunigen und zu einem noch stärkeren Auftauen von noch mehr Permafrost führen könnte.“
Die Frost-Tau-Zyklen in der arktischen Tundra führen zu einem Phänomen, das als Kryoturbation bekannt ist und bei dem sich die oberen Bodenschichten mit den unteren Schichten vermischen. Jastrow zufolge wurden durch diesen Prozess vor Tausenden von Jahren abgestorbene Pflanzen durch das Sediment nach unten in den Permafrostboden transportiert, bevor sie zersetzt werden konnten.
„Das Problem ist, dass dort unten eine Menge relativ leicht abbaubarer Kohlenstoff vergraben ist, der aber durch den gefrorenen Zustand geschützt ist. Wenn er auftaut und die Mikroben auf ihn einwirken, wird – genau wie bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe – Kohlenstoff freigesetzt, der lange Zeit aus dem globalen Kreislauf ausgeschieden war und nicht mehr in den ursprünglichen Zustand zurückgeführt werden kann. Was wir noch nicht wissen, ist, wie viel von diesem alten Kohlenstoff freigesetzt wird, wie schnell und in welcher Form – Kohlendioxid oder Methan“, sagte sie.
Für Forscher und politische Entscheidungsträger, die sich um den Klimawandel sorgen, ist ein besonders beunruhigender Aspekt des Auftauens von Permafrostböden die Tatsache, dass diese Böden und Sedimente in der Regel eine große Menge Eis enthalten. Wenn das Wasser aus dem auftauenden Eis abfließt, besteht der Kohlenstoffausstoß hauptsächlich aus Kohlendioxid. Doch in schlecht entwässerten Gebieten staut sich das Wasser und es kann eine erhebliche Menge Methan freigesetzt werden. Wenn Kohlenstoff in Form von Methan freigesetzt wird, hat er im Laufe eines Jahrhunderts eine 25-mal stärkere Erwärmung zur Folge, als wenn er in Form von Kohlendioxid freigesetzt würde.
Jastrow und ihre Kollegen in Argonne und an der University of Alaska-Fairbanks nahmen Proben von Permafrostböden am North Slope von Alaska zwischen der Brooks Range und Prudhoe Bay. Durch die genaue Untersuchung der chemischen Formen von Kohlenstoff und Mineralien in Permafrostböden und die Beobachtung des Verhaltens von Mikroben, die sich vom Kohlenstoff ernähren, wenn diese Böden unter verschiedenen Entwässerungsbedingungen langsam erwärmt werden, wollen die Forscher Indikatoren für die Zersetzbarkeit und Vorhersagemodelle entwickeln, mit denen sich das Schicksal des Kohlenstoffs im auftauenden Permafrostboden besser vorhersagen lässt.
Die Forschungsarbeiten in Argonne werden sich auf das gesamte nördliche Permafrostgebiet konzentrieren, das neben der Tundra auch Buschland, boreale Wälder und Torfland unterhalb des Polarkreises umfasst. „Unser Auftrag ist es, sowohl die Menge des Kohlenstoffs als auch seine potenzielle Abbaubarkeit zu untersuchen. Permafrost-Forscher gehen heute davon aus, dass es in diesen Regionen wesentlich mehr Kohlenstoff gibt, als bisher angenommen wurde, aber wir haben immer noch nur sehr grobe Schätzungen“, sagte sie.
Die Arbeiten in Argonne werden letztlich das Ziel des DOE unterstützen, Klimamodelle zu entwickeln, die die Auswirkungen auf verschiedene Biome besser vorhersagen können. Um das langfristige Verhalten terrestrischer Ökosysteme zu verstehen, ist ein umfassenderes Bild der verschiedenen Faktoren erforderlich, die den Kohlenstoffkreislauf zwischen dem Land und der Atmosphäre in verschiedenen Regionen steuern. „Wir stehen häufig vor der Frage, ob unsere Messungen oder unsere Modelle falsch sind, und typischerweise ist es etwas von beidem“, sagte Jastrow.
Die Argonne-Studien werden die wertvollen „Ground Truthing“-Daten liefern, die benötigt werden, um die Kohlenstoffkreislaufmodelle zu testen und zu verbessern, die für Permafrostregionen entwickelt werden. Zukünftige Forschungen werden die Beprobung weiterer Standorte beinhalten, insbesondere in Tieflandgebieten, die feuchter und weniger zugänglich sind, da das DOE seine Bemühungen fortsetzt, Kohlenstoffmodelle mit Klimamodellen zu verbinden.