Warum tauender Permafrost in Sibirien verborgene Kohlenstoffbomben in Seen freisetzt

Die Arktis erwärmt sich in beispiellosem Tempo

Tief unter der weitläufigen Tundra vollzieht sich eine stille, aber gewaltige Verwandlung. Boden, der jahrtausendelang dauerhaft gefroren war, beginnt langsam aufzutauen und öffnet dabei uralte Kohlenstoffspeicher. Diese jahrtausendealten organischen Substanzen, lange im Eis eingeschlossen, werden nun in großem Ausmaß in neu entstehende Gewässer freigesetzt. Klimatologen schlagen Alarm, denn dieser unscheinbare Prozess könnte bald zu einem der mächtigsten verborgenen Antreiber der globalen Erwärmung werden.

Die Temperaturen in den nördlichen Polarregionen steigen weitaus steiler als im Rest der Welt. Aktuelle Messungen belegen, dass die Erwärmung dort drei- bis viermal schneller verläuft als der weltweite Durchschnitt. Dieser dramatische Temperaturanstieg trifft vor allem den Permafrost – eine spezifische Bodenschicht, die mindestens zwei aufeinanderfolgende Jahre gefroren bleibt, in vielen Gebieten aber seit Jahrtausenden nicht aufgetaut ist.

Dieser dauerhaft gefrorene Boden besteht nicht nur aus Gestein und festen Eiskristallen. Er ist buchstäblich vollgestopft mit einer riesigen Menge gefrorener Pflanzenreste, verwobener Wurzeln und weiteren biologischen Materialien. Man kann ihn sich wie einen gigantischen Gefrierschrank vorstellen, der mit abgestorbener Natur gefüllt ist und enorme Kohlenstoffmengen konserviert. Sobald sich diese natürliche Gefriertruhe öffnet, kommt das biologische Material mit fließendem Wasser, frischer Luft und hungrigen Bakterien in Kontakt.

Das Auftauen verursacht ein ständiges Absinken des Geländes. Es entstehen tiefe Mulden und Risse, die sich rasch mit Wasser füllen. Diese neu gebildeten Wasserkörper – in der Fachsprache Thermokarstsseen genannt – breiten sich oft aggressiv in die umliegende Landschaft aus und verschlucken weitere zerfallende Permafrostblöcke.

Bahnbrechende Forschung im Herzen Sibiriens

Ein internationales Expertenteam reiste unlängst ins zentrale Jakutien in Ostsibirien. Die Forscher wählten ein Gebiet, in dem die Permafrostschicht außerordentlich mächtig ist und sich Landschaftsveränderungen buchstäblich vor ihren Augen vollziehen. Im Rahmen des spezialisierten Projekts PRISMARCTYC versuchten die Wissenschaftler präzise zu kartieren, wie viel Kohlenstoff aus dem auftauenden Boden in die dortigen Seen gelangt und welches Schicksal ihn dort erwartet.

Während der Feldarbeit verglichen sie mehrere unterschiedliche Gewässertypen:

• Junge Thermokarst-Seen, die sich vor weniger als fünfzig Jahren gebildet haben.
• Uralte Seen, die bereits seit mehreren Jahrtausenden existieren.
• Alte Seen mit frisch eingestürzten Ufern, wo der Permafrostrückgang kürzliche Erdrutsche ausgelöst hat.

Von all diesen Standorten entnahmen die Forscher Proben, um sowohl gelösten organischen Kohlenstoff als auch mikroskopisch kleine feste Partikel organischer Materie zu untersuchen. Mithilfe fortschrittlicher chemischer und isotopenbasierter Analysen konnten sie den genauen Ursprung des gefundenen Kohlenstoffs zurückverfolgen. So ließ sich feststellen, ob er aus prähistorisch tauendem Boden stammt oder ob er sich erst im Wasser selbst gebildet hat – etwa durch die biologische Aktivität lokaler Algen.

Junge Seen weisen extreme Kohlenstoffkonzentrationen auf

Die gewonnenen Daten lieferten schier verblüffende Ergebnisse. In den jüngsten Seen und in jenen mit frisch abgebrochenen Ufern entdeckten die Forscher Konzentrationen an gelöstem organischem Kohlenstoff, die auf Hunderte von Milligramm pro Liter ansteigen. Für natürliche Gewässer sind solche Werte absolut ungewöhnlich und außerordentlich hoch.

Die detaillierten Analysen zeigten, dass bis zu drei Viertel dieses gelösten Kohlenstoffs direkt aus dem zerfallenden Permafrost stammen. Die molekulare Zusammensetzung und der Isotopenabdruck verraten eindeutig, dass Reste von Pflanzen ins Wasser gelangen, die seit Hunderten bis Tausenden von Jahren im Eis ruhten.

Bei den festen Partikeln enthüllte sich jedoch eine völlig andere Geschichte. Der überwiegende Teil der im Wasserkörper schwebenden organischen Materie entsteht lokal. Verschiedene Algenarten, Mikroben und andere kleine Organismen synthetisieren diesen Kohlenstoff eigenständig mithilfe von Sonnenlicht und verfügbaren Nährstoffen im Wasser. Der Eintrag fester Partikel von den zerfallenden Ufern ist überraschenderweise weit geringer als die interne Produktion des Seenökosystems selbst.

Nicht der gesamte Kohlenstoff wird sofort zu Gas

Die entscheidende Frage für Klimamodellierer lautet recht direkt: Welcher Anteil des freigesetzten Kohlenstoffs verwandelt sich in gefährliche Treibhausgase? Gewöhnliche Wassermikroorganismen bauen organische Materie ab und produzieren dabei Kohlendioxid (CO₂) sowie Methan (CH₄). Insbesondere Methan stellt ein enormes Risiko dar, da es die Atmosphäre kurzfristig weitaus aggressiver aufheizt als CO₂.

Die neuen Felddaten bestätigen zwar, dass ein gewisser Anteil des gelösten Kohlenstoffs tatsächlich als Gas in die Atmosphäre entweicht und die Seeoberflächen dabei wie natürliche Schornsteine funktionieren, die uralten Kohlenstoff zurück in die Luft blasen. Dabei stieß man jedoch auf ein höchst überraschendes Phänomen.

Ein beträchtlicher Teil des alten Kohlenstoffs verdunstet nämlich nicht sofort. Ein bedeutender Anteil bleibt stabil im Wasser gelöst, und ein weiterer Teil sinkt auf den Seegrund, wo er langfristig in tiefen Schichten dunklen Schlamms und Sediments begraben wird.

Das Auftauen des Permafrostes löst also eher eine komplexe Umverteilung des uralten Kohlenstoffs zwischen Luft, Wasser und Ablagerungen aus, als dass eine einfache und vollständige Umwandlung in Treibhausgase stattfände. Das Ökosystem der arktischen Seen birgt nicht nur eine massive Emissionsquelle, sondern fungiert auch als vorübergehendes biologisches Speichermedium. Wie lange das Material dort eingeschlossen bleibt, hängt vor allem von der weiteren Temperaturentwicklung, dem Sauerstoffgehalt und künftigen Veränderungen der nordischen Landschaft ab.

Warum diese Erkenntnisse für Klimamodelle entscheidend sind

Gängige globale Klimasimulationen konzentrierten sich lange vorrangig auf Wälder, Ozeane und weitläufige Ackerflächen. Thermokarst-Seen wurde entweder keine ausreichende Aufmerksamkeit gewidmet, oder sie fehlten in den Gesamtberechnungen völlig. Die neuen Entdeckungen belegen jedoch klar, dass diese nordischen Gewässer im globalen Kohlenstoffkreislauf eine eigenständige und äußerst komplexe Rolle spielen.

Die aktuelle Studie deckt eine Reihe wesentlicher Erkenntnisse auf:

• Neue Seen und Standorte mit Ufererosion sind gigantischen Kohlenstoff-Schockwellen ausgesetzt.
• Das Verhältnis zwischen festem und gelöstem Kohlenstoff variiert von See zu See erheblich.
• Die Herkunft des biologischen Materials unterscheidet sich stark, je nachdem, um welche Form von Kohlenstoff es sich handelt.
• Enorme Mengen uralten Kohlenstoffs werden überhaupt nicht zu Methan oder CO₂ umgewandelt, sondern verbleiben dauerhaft im Seegrund gespeichert.

Für die Entwickler komplexer mathematischer Modelle bedeutet dies eine klare Aufgabe: Sie müssen die enorme Variabilität in ihre Berechnungen einbeziehen. Es gibt schlichtweg keinen universellen Arktis-See, auf den sich einfache Regeln anwenden ließen. Eine sorgfältige Berücksichtigung der vielfältigen Typen und Entwicklungsphasen ist unerlässlich. Dabei spielt auch der Zeitraum eine entscheidende Rolle, denn ein frisch überflutetes Gebiet reagiert naturgemäß völlig anders als ein Gewässer, das seit Jahrhunderten stabil existiert und erst in den letzten Jahren gestört wurde.

Was genau bildet den arktischen Permafrost?

Häufig stellen wir uns Permafrost fälschlicherweise als eine durchgehende Eisschicht vor, die an der Oberfläche der Landschaft liegt. Tatsächlich handelt es sich um den Boden selbst, der dauerhaft tief gefroren bleibt. Seine Zusammensetzung ist äußerst vielfältig und umfasst:

• Zerbröckeltes Gestein und verschiedene mineralische Bestandteile.
• Verborgene Eislinsen und mächtige Eiskerne.
• Torfschichten, die einst in der Zeit eingefroren wurden.
• Überreste uralter Vegetation, verworrene Wurzeln und gelegentlich prähistorische tierische Überreste.

An unzähligen Stellen erreichen diese Eismassen Mächtigkeiten von Dutzenden Metern. Wenn sie allmählich auftauen, verlieren sie drastisch an Volumen und die gesamte Landschaft sackt sichtbar ein. In der Folge reißen Gebäude unvermittelt auf, wertvolle Infrastruktur bricht zusammen, Bäume neigen sich gefährlich in alle Richtungen, und in flachen Senken entstehen bislang unbekannte Seen.

Die Bedrohung durch einen sich beschleunigenden Teufelskreis

Was Experten am meisten beunruhigt, ist die sogenannte positive Rückkopplung. Steigende Temperaturen beschleunigen das Auftauen, das wiederum in enormem Tempo Methan und CO₂ freisetzt, was die weitere unerwünschte Erwärmung des Planeten logischerweise antreibt. Thermokarst-Seen stellen in diesem verhängnisvollen Kreislauf ein absolut kritisches Element dar.

Die neue Erkenntnis, dass ein Teil des heimtückischen Kohlenstoffs zumindest vorübergehend sicher in den Seesedimenten verweilen kann, dämpft diese Bedrohung glücklicherweise etwas ab. Es verlangsamt sich dadurch das Gesamttempo, mit dem das gesamte uralte biologische Material auf einmal in die Erdatmosphäre gelangt. Die gesamten natürlichen Vorräte, die im Eis verborgen sind, sind jedoch so gigantisch, dass selbst ein teilweises und allmähliches Entweichen sehr bald spürbare globale Auswirkungen auf den gesamten Planeten haben kann.

Folgen, mit denen wir in den kommenden Jahrzehnten konfrontiert sein werden

Auf den ersten Blick mag es scheinen, als ob die sibirische Tundra von unserer Region zu weit entfernt sei, um uns ernsthaft über ihr Auftauen Sorgen machen zu müssen. Dennoch beeinflussen die Umweltprozesse, die dort gerade ablaufen, intensiv Phänomene, die auch wir in Europa hautnah spüren. Sie wirken sich nämlich negativ auf den Anstieg der Weltmeere aus und lösen direkt extreme Wetterschwankungen aus, an die wir uns zunehmend gewöhnen müssen.

Ein schnelleres und massiveres Entweichen arktischer Treibhausgase kann das Abschmelzen der Polareisschilde und die unumkehrbare Erwärmung riesiger Ozeanmassen erheblich beschleunigen. Dies spiegelt sich kettenartig in unerwarteten Zugbahnen verheerender Stürme, längeren Hitzewellen und völlig unvorhersehbaren Niederschlägen wider. Aufgrund dieser starken natürlichen Emissionen verengt sich das globale Kohlenstoffbudget radikal und rasch, was die gewissenhafte Einhaltung der in dem Pariser Abkommen verankerten internationalen Klimaziele extrem erschwert.

Für die heutige Wissenschaftsgemeinschaft stellt das tauende Sibirien ein faszinierend weitläufiges Naturlabor dar. Durch detailliertes und langfristiges Monitoring lokaler Veränderungen ermitteln Experten präzise, wie sensibel der alte Kohlenstoff auf jede kleinste Erwärmung reagiert. Dieses ungemein wertvolle Wissen ermöglicht es anschließend, weitaus genauer zu berechnen, wie viel tatsächlicher Spielraum uns Menschen noch für Emissionen aus Industrie, Verkehr und intensiver Landwirtschaft verbleibt.

Die neueste Forschung liefert damit eine sehr klare und deutliche Lehre. Jede politische und persönliche Maßnahme, die die globale Erwärmung heute wirksam bremst, verringert unmittelbar und direkt das Risiko, das von den verborgenen Kohlenstoffbomben in den arktischen Seen ausgeht.