Alaska Wehe, wenn die Tundra gammelt

, Toolik, Alaska. "Bloß aufpassen, das ist ein Teufelszeug." Breck Bowden wirkt mit rund 1,90 Meter Körpergröße, grauem Schnauzbart und beträchtlichem Bauchumfang eigentlich nicht ängstlich. Doch vor der Flachmoortundra hat er Respekt. "Tritt man auf diese hochstehenden Grasinseln, geben sie nach, und man verknackst sich die Knöchel. Tritt man dazwischen, sackt man in den Matsch ein und verknackst sich auch die Knöchel." Mit dieser Warnung stapft der Professor für Hydrologie an der Universität von Vermont voran. Wie über weiche Kissen läuft es sich auf den Gräsern, Moosen und Flechten. Die Miniaturpflanzen sondern dabei einen würzigen Kräuterduft ab - und strapazieren untrainierte Beinmuskeln mehr als jede Aerobicstunde.

"Das Laufen auf der Tundra haben schon die historischen Polarforscher verflucht", schnauft Bowden eine halbe Stunde später und stoppt an einer Stelle, wo der Boden auf etwa 50 Meter Länge zwei Meter tief eingebrochen ist. Man blickt auf viel Erde und ein Rinnsal fließendes Wasser. Solch ein Matschloch heißt in der Wissenschaft "Thermokarst" und ist ein arktisches Klimawandel-Phänomen, das Bowden selbst vor sechs Jahren entdeckt hat. Normalerweise ist der Boden in diesen Breiten - 250 Kilometer nördlich des Polarkreises - auch im Sommer bis kurz unter die Oberfläche gefroren. An manchen Stellen bildet eingedrungenes Wasser auch Kerne oder Keile aus purem Eis im Untergrund. Bei wärmeren Durchschnittstemperaturen und längeren Sommern schmelzen jedoch zunehmend größere Teile der Permafrostschichten. "Da kann es passieren, dass die Erdoberfläche nachgibt und einstürzt, so wie hier", sagt Bowden.

Was im Permafrost steckt

Anhand von Luftbildern lässt sich nachweisen, dass die Zahl der Thermokarste in der Arktis in den vergangenen Jahren stark zugenommen hat. Und so unspektakulär sie aus der Nähe erscheinen, für das Ökosystem der Tundra hat das Phänomen völlig unabsehbare Folgen. Wie viele andere Veränderungen der Region vermag die Entstehung der Thermokarst-Strukturen mächtige natürliche Rückkoppelungsmechanismen in Gang zu setzen. Sie können nicht nur die Arktis, sondern das gesamte Weltklima beeinflussen.

"Durch diese aufgebrochene Oberfläche kommt viel mehr Erde als sonst mit Sauerstoff und Wärme in Verbindung", sagt Bowden, "das aktiviert Bodenorganismen und beschleunigt so die Zersetzung organischen Materials, das im Permafrostboden nur sehr langsam verrotten würde." Dabei werden die Treibhausgase Kohlendioxid und Methan frei, wie viel, das kann Bowden noch nicht beziffern. Womöglich sehr viel: "Prinzipiell steckt im arktischen Permafrost bis zu zweimal so viel CO2 als momentan in der Erdatmosphäre. Und wenn sich alles so weiterentwickelt wie bisher, dann könnte in den kommenden 50 Jahren etwa die Hälfte des Permafrostbodens auftauen", sagt Bowden.

Die klimaschädlichen Folgen wären gigantisch. Das ist einer der Gründe, warum die amerikanische National Science Foundation ein millionenschweres Thermokarst-Forschungsprogramm gestartet hat. Breck Bowden ist einer von 16 Projektleitern. Teile des Sommers verbringen die Wissenschaftler in Alaska, um vor Ort Proben zu entnehmen. Ihre Basis ist die Toolik Field Station, eine Forschungsstation des Instituts für arktische Biologie der Universität von Alaska. Sie liegt fernab der Zivilisation, 600 Kilometer nördlich von Fairbanks am Dalton Highway, der einzigen Straße weit und breit. Die Schotterpiste wurde in den 1970ern zum Bau der Trans-Alaska-Ölpipeline angelegt, 1975 gründeten Biologen die Forschungsstation am Toolik Lake, um die Natur der Tundra zu beobachten.

Düngungsexperimente

Heute ist die Ansammlung von Laborcontainern, Wohnquartieren und einer Sauna am Seeufer ein weltweit anerkanntes Zentrum für die Erforschung der ökologischen Folgen des Klimawandels - nicht zuletzt aufgrund einiger Experimente, welche die Stationsgründer schon vor rund 30 Jahren begannen.

Die Forscher hatten damals keineswegs die globale Erwärmung im Sinn, als sie anfingen, abgesteckte Tundraflächen jedes Jahr mit Stickstoff zu düngen und kleine Mengen Phosphat in einen Fluss zu kippen. "Wir wollten vor allem herausfinden, wie sich ein so extremen Bedingungen ausgesetztes Biotop entwickelt, wenn man einen in der Natur nur sehr begrenzt verfügbaren Nährstoff zusetzt", sagt Syndonia Bret-Harte, die wissenschaftliche Direktorin der Station. Tatsächlich aber warfen die Wissenschaftler damit einen Blick in die mögliche Zukunft der arktischen Tundra.

Denn der Dauerfrost hält die Tundra nährstoffarm, tote Pflanzenteile werden tiefgefroren und zersetzen sich extrem langsam. Die Temperaturen sind nicht besonders gedeihlich für die Mikroorganismen, die diesen Job normalerweise erledigen, indem sie Nährstoffe recyceln und dem Ökosystem wieder zur Verfügung stellen. Die Düngungsexperimente simulieren also einen Teil dessen, was passieren könnte, wenn sich diese Bedingungen im Zuge der Erwärmung ändern: Mehr Zersetzung würde mehr verfügbare Nährstoffe bedeuten.

Starke Rückkoppelungsmechanismen

Wozu das führt, lässt sich auf den alten Versuchsfeldern nahe der Toolik-Forschungsstation auf den ersten Blick erkennen: Besteht die Flachmoortundra der Umgebung zu jeweils einem Drittel aus Gräsern, Moosen und knöchelhohen Büschen, sind die gedüngten Areale überwuchert von größeren Sträuchern und zahlreichen Zwergbirken. Noch frappierender ist der Unterschied an Stellen, wo die Forscher zusätzlich einfache Gewächshäuser aufgestellt haben, um eine wärmere Umgebung zu simulieren. Unter den Plastikplanen ist über die Jahre ein kleiner Wald gewachsen.

"Vom Klimastandpunkt aus gesehen, hielten viele Wissenschaftler das zunächst für eine positive Entwicklung", sagt Syndonia Bret-Harte. "Denn diese Sträucher nehmen mehr CO2 aus der Luft auf als Gräser und Moose. Man hatte die Vorstellung, diese Entwicklung würde dazu führen, dass die Arktis mehr Treibhausgase aufnehmen und in Form von Biomasse speichern kann."

Doch dann bewiesen Bret-Harte und ihre Kollegen in Langzeitversuchen das Gegenteil. Auf den von Büschen überwucherten Arealen wird sogar mehr Kohlendioxid aus dem Boden freigesetzt. "Wir vermuten, das liegt daran, dass die Sträucher im Winter über die Schneedecke herausragen. Die Landoberfläche ist dadurch nicht mehr weiß, sondern dunkel und absorbiert mehr Licht und Wärme, wenn die Sonne daraufscheint", erklärt Bret-Harte. "Außerdem tendiert der Schnee auch dazu, sich unter den Sträuchern anzusammeln, während er in der offenen Tundra eher weggeweht wird. Das isoliert den Boden und hält ihn wärmer." Zwei Kilogramm Kohlenstoff pro Quadratmeter gingen über einen Zeitraum von 20 Jahren zusätzlich verloren. "Das birgt Potential für sehr starke, natürliche Rückkopplungsmechanismen", sagt Bret-Harte. "Die lassen sich durch kein Klimaabkommen der Welt regulieren."

Folgen der Thermokarstbildung

Auch in der freien Natur sind die Sträucher inzwischen auf dem Vormarsch. Auf Luft- und Satellitenaufnahmen haben sich die Flecken mit buschigerer Vegetation in den vergangenen Jahren deutlich ausgedehnt. Selbst die Baumgrenze rückt Stück für Stück weiter nach Norden vor, auf der Seward-Halbinsel im Westen Alaskas beispielsweise um ganze zehn Kilometer in den vergangenen 80 bis 100 Jahren.

Die Entwicklung könnte durch die zahlreichen neuen Thermokarste noch beschleunigt werden, vermuten Breck Bowden und seine Forschungspartner. "Wenn Pflanzen diese Flecken aufgerissener Erde zurückerobern, ist es nicht unwahrscheinlich, dass sich dort eine andere Vegetation ansiedelt", sagt Bowden. "Das ist typisch bei solchen Störungen im Ökosystem. Und wenn dort mehr Sträucher wachsen, werden sie den Boden besser isolieren und so für einen weiteren Kohlenstoff- und Methanverlust sorgen."

Dies ist im Moment nur eine Prognose. Andere Folgen der Thermokarstbildung sind bereits unübersehbar. "Jetzt ist da nur ein Rinnsal", sagt Bowden und deutet in den Matsch. "Sobald es aber regnet, kommt ein ganzer Wasserfall herunter." Bei solchen Bedingungen, kurz nach einem Regenguss, hat Bowden den Thermokarst entdeckt: Die ausgeschwemmte Erde verwandelte das Wasser des normalerweise glasklaren Toolik River auf einer Länge von 40 Kilometern in rotbraune Brühe.

In den Flüssen der Tundra

Das beeinträchtigt nicht nur Wasserorganismen, die ihre Nahrung auf Sicht suchen. Zusammen mit dem Sediment werden auch Nährstoffe in den Fluss geschwemmt, die den Lebensraum längerfristig komplett verändern können. "Normalerweise sind diese Flüsse recht nährstoffarm, weil das zulaufende Wasser aus der Tundra kommt und dadurch gefiltert wird", sagt Heidi Golden vom Marine Biology Laboratory im amerikanischen Woods Hole. Seit über einem Jahrzehnt untersucht sie die Lebensweise der arktischen Äschen, Fische, die in den Flüssen der Tundra leben.

"Die Äschen verbringen den Winter in Seen, im Sommer wandern sie dann wieder in die Flüsse und paaren sich", erklärt Golden, während sie am Flussufer einen betäubten Fisch aus einem Eimer nimmt, vermisst und wiegt. Dann ritzt sie mit einem Skalpell seinen Unterleib auf und schiebt einen dünnen, etwa drei Zentimeter langen Sender hinein. Rund 1000 Äschen haben Golden und ihre Kollegen in diesem Sommer bereits markiert, um ihre Wanderungen verfolgen zu können.

Aus einem seit 1983 andauernden Langzeit-Düngungsexperiment am nahen Kuparuk-Fluss weiß man, dass die Äschen von einem höheren Nährstoffgehalt des Wassers zunächst profitieren. Nach einiger Zeit gediehen mehr Algen und auch mehr Insekten, von denen sich die Äschen ernähren. "Trotzdem beobachten wir im Kuparuk genauso wie in nichtgedüngten Flüssen der Region sinkende Äschenbestände", meint Golden und zählt auf, was den bis zu 40 Zentimeter langen Fischen zusetzt: Die wärmeren, trockeneren Sommer machen sie träge und lassen Flussläufe an manchen Stellen austrocknen, gerade wenn die Äschen auf Wanderschaft sind und sich vermehren. Das wiederum lockt Fressfeinde wie Grizzlybären an. "Kommen jetzt noch mehr und regelmäßige Sedimenteinspülungen durch Thermokarste hinzu, kann das fragile biologische Gleichgewicht vollends aus den Fugen geraten", sagt Golden.

Und das gilt nicht nur für arktische Äschen. "Alles, einfach alles hier im Norden wird von den scheinbar so kleinen Veränderungen beeinflusst", sagt Breck Bowden. "Die Natur wird sich daran irgendwie anpassen, viele Arten werden vermutlich einfach verschwinden. Wir Menschen werden zusehen müssen, wie wir damit zurechtkommen."