Klimaerwärmung Bauwerke in der Arktis bedroht

Das rapide Abschmelzen des Meereises im hohen Norden, das sich wegen der überproportionalen Erwärmung der Arktis in den vergangenen drei Jahrzehnten deutlich beschleunigt hat, wird in dieser polaren Region von nicht weniger dramatischen Veränderungen in den obersten Schichten der Erdkruste begleitet. Der zum Teil seit Tausenden von Jahren tiefgefrorene Boden, der Permafrostboden, schmilzt immer mehr auf. Verstärkte Erosion, sinkende Bauwerke und der Verlust ganzer Ökosysteme können die Folge sein.

Auf etwa einem Viertel der Landfläche der Nordhemisphäre ist der Boden dauernd gefroren. So gehören beispielsweise sowohl Sibirien als auch Alaska nahezu vollständig zu den Permafrostgebieten. Ebenso ist der Boden unter 42 Prozent der Landfläche Kanadas und in den höher gelegenen Gebieten Skandinaviens seit der letzten Eiszeit ununterbrochen gefroren.

Erhebliche Veränderungen in der Landschaft

Zu Permafrost kommt es, wenn die Lufttemperatur in einem Gebiet im Jahresmittel so niedrig ist, dass der Boden nicht taut. Bei Durchschnittstemperaturen oberhalb von minus 1,5 Grad gleicht der Boden einem Flickenteppich. Er gefriert nicht überall und nicht gleichmäßig, sondern nur stellenweise. Sinkt die Quecksilbersäule im Jahresmittel dagegen unter minus sechs Grad, unterliegt der Boden dauerhaft dem Frost. Je länger die Kälte anhält, desto tiefer gefriert das Erdreich. In manchen Gegenden Sibiriens und Kanadas, die in den vergangenen zwei Millionen Jahren nahezu ununterbrochen von Eis bedeckt waren, kann die Permafrostschicht bis zu 1,5 Kilometer dick sein.

Ebenso wie Permafrost nicht entstehen kann, wenn eine Kältewelle nur einen oder zwei Winter anhält, taut der dauernd gefrorene Boden auch nicht gründlich auf, wenn es einige Jahre lang wärmer als gewöhnlich wird. Der Boden reagiert dafür aber umso mehr auf langfristige Veränderungen der Temperatur. So hat beispielsweise der in den vergangenen 45 Jahren in Alaska und Kanada nördlich des Polarkreises gemessene Anstieg der mittleren Sommertemperaturen um 1,4 Grad zu einem deutlichen Tauen geführt. Das kann zu erheblichen Veränderungen in der Landschaft führen.

Oberfläche wird zu einer Art Karstlandschaft

Geomorphologen der Universität von Alaska in Fairbanks haben beispielsweise auf der kanadischen Insel Bylot unterirdische Flüsse von Schmelzwasser entdeckt, die aus tauendem Permafrostboden kamen. Sie unterhöhlten den aufgeweichten Boden. Es bildeten sich Hohlräume, die im Laufe der Zeit einstürzten. Die ursprünglich hartgefrorene und weitgehend glatte Oberfläche des Bodens auf der Insel verwandelte sich dadurch zunächst in eine Art Karstlandschaft. Im Laufe der Jahre fräste das Schmelzwasser dann immer mehr am tauenden Permafrostboden, so dass die Insel jetzt von bis zu vier Meter tiefen und fast einen Kilometer langen Erosionsrinnen durchzogen ist.

Was an Veränderungen der Landschaft beobachtet wurde, ist durch Messungen bestätigt worden. Bei Analysen der Temperatur in 400 Meter tiefen Bohrlöchern im Norden der kanadischen Provinz Quebec fanden Mitarbeiter der McGill-Universität in Montreal, dass die obersten Bodenschichten in dieser Gegend in den vergangen 150 Jahren um knapp drei Grad wärmer geworden sind.

In Sibirien wurden große Permafrostgebiete überflutet

Eine ähnliche Erwärmung ist auch in Permafrostschichten außerhalb der Arktis messbar. So stieg die Bodentemperatur im Altai-Gebirge in der Mongolei und im Tian Shan-Gebirge in Zentralasien in den vergangenen dreißig Jahren um etwa 0,6 Grad. Im Sommer tauen die Böden im Tian Shan inzwischen bis zu fünf Meter tief auf. Vor drei Jahrzehnten machte sich die Sommerwärme nur etwa halb so tief bemerkbar.

Weitgehend unbekannt sind die Verhältnisse dagegen in den submarinen Permafrostgebieten vor der sibirischen Küste. Vor allem im Flachwasser der Kara- und der Laptewsee ist der Meeresboden bis in einige hundert Meter Tiefe gefroren. Auch diese untermeerischen Permafrosterscheinungen sind eine Folge der Eiszeit. Als der Meeresspiegel gegen Ende der Eiszeit wegen der schmelzenden Eismassen zu steigen begann, wurden vor allem in Sibiren große Permafrostgebiete überflutet.

Durchweg Temperatur von nur minus einem Grad

Eine Forschergruppe um Volker Rachold von der Forschungsstelle Potsdam des Alfred-Wegener-Institutes hat nun den submarinen Permafrostboden in der Laptewsee untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass die Dicke der Permafrostschicht mit der Entfernung von der Küste erheblich abnimmt. Während der betroffene Boden am Strand noch einige hundert Meter mächtig war, betrug seine Dicke zwölf Kilometer vor der Küste nur noch etwa dreißig Meter.

Wie die Forscher kürzlich in „Eos“ (Bd. 88, S. 139) schrieben, hatte der gefrorene Bereich des Meeressedimentes durchweg eine Temperatur von lediglich minus einem Grad. Zum großen Teil ist der submarine Permafrostboden dabei aber nicht hartgefroren. Im Gegensatz zu seinem Pendant an Land sind die Schichten weich und verformbar. Das liegt nach Meinung der Forscher daran, dass Salzwasser erst bei niedrigeren Temperaturen gefriert. Weil das Meeressediment aber mit Salzwasser gesättigt ist, härtet es trotz der Temperaturen von unter null Grad nicht aus.