Die Arktis erwärmt sich mit beispielloser Geschwindigkeit
Tief unter der sibirischen Tundra vollzieht sich ein stiller, aber folgenschwerer Wandel. Boden, der jahrtausendlang gefroren war, beginnt aufzutauen – und mit ihm öffnen sich uralte Kohlenstoffspeicher. Organische Substanzen, die lange im Eis eingeschlossen waren, gelangen nun massenhaft in neu entstehende Gewässer. Klimaforscher warnen, dass dieser unscheinbare Prozess bald zu einem der bedeutendsten verborgenen Treiber der globalen Erwärmung werden könnte.
Die Temperaturen in arktischen Regionen steigen deutlich schneller als im Rest der Welt. Aktuelle Messungen bestätigen, dass die Erwärmung dort drei- bis viermal schneller voranschreitet als der weltweite Durchschnitt. Dieser dramatische Anstieg trifft vor allem den Permafrost – eine Bodenschicht, die seit mindestens zwei aufeinanderfolgenden Jahren dauerhaft gefroren ist, an vielen Stellen jedoch seit Jahrtausenden nicht aufgetaut ist.
Dieser gefrorene Boden ist dabei kein bloßer Eisblock. Er ist buchstäblich vollgepackt mit riesigen Mengen gefrorener Pflanzenreste, verwobener Wurzeln und weiteren biologischen Materialien. Man kann ihn sich wie einen gigantischen Gefrierschrank vorstellen, der abgestorbene Natur und Kohlenstoffvorräte über Jahrtausende konserviert. Sobald dieser natürliche Gefrierschrank aufgeht, gerät das biologische Material in Kontakt mit Wasser, Luft und nährstoffhungrigen Bakterien.
Das Auftauen verursacht zudem ein ständiges Absinken des Untergrunds. Es entstehen tiefe Mulden und Risse, die sich rasch mit Wasser füllen. Diese neu gebildeten Gewässer – als Thermokarsteseen bezeichnet – breiten sich aggressiv in die umliegende Landschaft aus und verschlingen weitere zusammenbrechende Permafrostblöcke.
Wegweisende Forschung im Herzen Sibiriens
Ein internationales Wissenschaftlerteam reiste unlängst in das zentrale Jakutien in Ostsibirien. Sie wählten ein Gebiet, in dem die Permafrostschicht außergewöhnlich mächtig ist und sich der Landschaftswandel buchstäblich vor den Augen der Forscher vollzieht. Im Rahmen des spezialisierten Projekts PRISMARCTYC versuchten sie präzise zu kartieren, wie viel Kohlenstoff aus dem tauenden Boden in die dortigen Seen gelangt und was anschließend damit geschieht.
Während der Feldforschung verglichen die Wissenschaftler mehrere verschiedene Typen von Gewässern:
- Junge Thermokarst-Seen, die vor weniger als fünfzig Jahren entstanden sind.
- Uralte Seen, die bereits seit mehreren Jahrtausenden existieren.
- Ältere Seen mit kürzlich eingebrochenen Ufern, wo das Zurückweichen des Permafrosts frische Erdrutsche ausgelöst hat.
Von all diesen Standorten entnahmen die Forscher Proben zur Untersuchung sowohl des gelösten organischen Kohlenstoffs als auch mikroskopisch kleiner fester Partikel organischer Substanz. Mithilfe fortgeschrittener chemischer und isotopischer Analysen konnten sie den genauen Ursprung des gefundenen Kohlenstoffs zurückverfolgen – ob er aus dem prähistorischen Auftauprozess stammt oder direkt im Wasser durch die biologische Tätigkeit lokaler Algen entstanden ist.
Junge Seen zeigen extrem hohe Kohlenstoffkonzentrationen
Die gewonnenen Daten lieferten absolut verblüffende Ergebnisse. In den jüngsten Seen und in jenen mit frisch abgebrochenen Ufern maßen die Forscher Konzentrationen gelösten organischen Kohlenstoffs von mehreren Hundert Milligramm pro Liter. Für natürliche Gewässer sind solche Werte außerordentlich ungewöhnlich und extrem hoch.
Detailanalysen zeigten, dass bis zu drei Viertel dieses gelösten Kohlenstoffs direkt aus dem schwindenden Permafrost stammen. Die molekulare Zusammensetzung und der Isotopenabdruck belegen eindeutig, dass Reste von Pflanzen ins Wasser gelangen, die seit Hunderten bis Tausenden von Jahren im Eis eingeschlossen lagen.
Bei den festen Partikeln zeigte sich hingegen eine völlig andere Geschichte. Der überwiegende Teil der im Wasserkörper schwebenden organischen Substanz entsteht direkt vor Ort. Verschiedene Algenarten, Mikroben und andere Kleinstorganismen synthetisieren Kohlenstoff selbst mithilfe von Sonnenlicht und verfügbaren Nährstoffen. Der Eintrag fester Partikel aus zerfallenden Ufern ist überraschenderweise deutlich geringer als die interne Produktion des Seenökosystems selbst.
Nicht aller Kohlenstoff wird sofort zu Gas
Für die Entwickler von Klimamodellen ist eine entscheidende Frage vergleichsweise klar: Welcher Anteil des freigesetzten Kohlenstoffs verwandelt sich in gefährliche Treibhausgase? Wasserorganismen zersetzen nämlich organische Substanz und produzieren dabei Kohlendioxid (CO₂) sowie Methan (CH₄). Methan ist besonders besorgniserregend, da es die Atmosphäre kurzfristig deutlich stärker aufheizt als CO₂.
Die neuen Felddaten bestätigen zwar, dass ein Teil des gelösten Kohlenstoffs tatsächlich als Gas in die Atmosphäre entweicht – Seeoberflächen fungieren dabei wie natürliche Schornsteine, die uralten Kohlenstoff zurück in die Luft blasen. Dennoch stießen die Forscher auf eine höchst überraschende Beobachtung.
Ein beträchtlicher Teil des alten Kohlenstoffs verdunstet nämlich nicht sofort. Ein erheblicher Anteil bleibt stabil im Wasser gelöst, ein weiterer sinkt auf den Seegrund, wo er für sehr lange Zeit in tiefen Schlamm- und Sedimentschichten begraben wird.
Das Auftauen des Permafrosts löst demnach eher eine komplexe Umverteilung des alten Kohlenstoffs zwischen Atmosphäre, Wasser und Ablagerungen aus, als dass es zu einer einfachen und vollständigen Umwandlung in Treibhausgase käme. Arktische Seen sind nicht nur eine massive Emissionsquelle, sondern fungieren gleichzeitig als vorübergehende biologische Speicher. Wie lange das Material dort eingeschlossen bleibt, hängt vor allem von der weiteren Temperaturentwicklung, dem Sauerstoffgehalt des Wassers und künftigen Veränderungen der nordischen Landschaft ab.
Warum diese Erkenntnisse für Klimamodelle entscheidend sind
Gängige globale Klimasimulationen konzentrierten sich lange vorwiegend auf Wälder, Ozeane und landwirtschaftliche Flächen. Thermokarst-Seen wurde nicht ausreichend Aufmerksamkeit gewidmet oder fehlten in den Gesamtberechnungen vollständig. Die neuen Erkenntnisse beweisen jedoch eindeutig, dass diese nordischen Gewässer im globalen Kohlenstoffkreislauf eine eigenständige und äußerst komplexe Rolle spielen.
Die aktuelle Studie deckt eine ganze Reihe wesentlicher Sachverhalte auf:
- Neue Seen und Stellen mit Ufererosion sind gewaltigen schlagartigen Kohlenstoffeinträgen ausgesetzt.
- Das Verhältnis zwischen festem und gelöstem Kohlenstoff unterscheidet sich von See zu See erheblich.
- Der Ursprung des biologischen Materials variiert stark, je nachdem um welche Form von Kohlenstoff es sich handelt.
- Eine große Menge uralten Kohlenstoffs wird gar nicht zu Methan oder CO₂ umgewandelt, sondern verbleibt im Seegrund gespeichert.
Für Klimamodellierer ergibt sich daraus eine klare Aufgabe: Sie müssen die enorme Variabilität in ihre Berechnungen einbeziehen. Es gibt keinen einheitlichen arktischen See, auf den man einfache Regeln anwenden könnte. Es gilt, ein breites Spektrum an Typen und Entwicklungsphasen zu berücksichtigen. Der Zeitfaktor spielt ebenfalls eine zentrale Rolle – ein frisch überflutetes Gebiet verhält sich vollkommen anders als ein seit Jahrtausenden stabiles Gewässer.
Woraus besteht arktischer Permafrost eigentlich?
Permafrost wird häufig irrtümlich als einheitliche Eisschicht vorgestellt. Tatsächlich handelt es sich um Boden, der dauerhaft tief gefroren bleibt. Seine Zusammensetzung ist dabei äußerst vielfältig und umfasst:
- Zerklüftetes Gestein und verschiedene mineralische Bestandteile.
- Verborgene Eislinsen und massive Eiskerne.
- In der Zeit eingefrorene Torfschichten.
- Reste urzeitlicher Vegetation, verwobene Wurzeln und gelegentlich prähistorische Tierreste.
An vielen Stellen erreichen diese Eismassen eine Dicke von mehreren Dutzend Metern. Beim Auftauen kommt es zu einem deutlichen Volumenverlust und die gesamte Landschaft sackt sichtbar ab. Gebäude reißen auf, Infrastruktur bricht zusammen, Bäume neigen sich gefährlich und in den Senken entstehen bislang unbekannte Seen.
Die Bedrohung durch sich beschleunigende Rückkopplungseffekte
Am meisten besorgt Experten die sogenannte positive Rückkopplung. Steigende Temperaturen beschleunigen das Auftauen, das setzt Methan und CO₂ frei, was die Erwärmung des Planeten weiter anheizt. Thermokarst-Seen sind in diesem gefährlichen Kreislauf ein absolut zentrales Element.
Die neue Erkenntnis, dass ein Teil des Kohlenstoffs zumindest vorübergehend in Seesedimenten verweilen kann, dämpft diese Bedrohung glücklicherweise etwas. Sie verlangsamt das Tempo, mit dem das gesamte uralte biologische Material in die Atmosphäre gelangt. Die im Eis gebundenen Gesamtvorräte sind jedoch so gigantisch, dass selbst ein teilweises und langsames Entweichen schon bald spürbare globale Auswirkungen haben kann.
Folgen, mit denen wir in den kommenden Jahrzehnten konfrontiert sein werden
Auf den ersten Blick mag die sibirische Tundra zu weit entfernt erscheinen, als dass ihr Auftauen uns ernsthaft betreffen würde. Dennoch beeinflussen die Prozesse, die sich dort gerade abspielen, direkt Phänomene, die wir auch in Europa spüren – sie tragen zum Anstieg der Weltmeere bei und lösen extreme Wetterereignisse aus.
Ein schnelleres Entweichen arktischer Treibhausgase beschleunigt das Abschmelzen polarer Eismassen und die Erwärmung der Ozeane. Das schlägt sich kettenartig in unerwarteten Zugbahnen verheerender Stürme, längeren Hitzewellen und unberechenbaren Niederschlägen nieder. Die massiven natürlichen Emissionen schränken außerdem das globale Kohlenstoffbudget erheblich ein, was die Einhaltung der internationalen Klimaziele des Pariser Abkommens deutlich erschwert.
Für die Wissenschaft stellt das tauende Sibirien ein faszinierendes Naturlabor gigantischen Ausmaßes dar. Durch detailliertes Monitoring der lokalen Veränderungen ermitteln Forscher, wie empfindlich alter Kohlenstoff auf jede Erwärmung reagiert. Diese wertvollen Erkenntnisse erlauben es, präziser zu berechnen, wie viel Spielraum uns noch für Emissionen aus Industrie, Verkehr und Landwirtschaft bleibt.
Die jüngste Forschung vermittelt damit eine absolut klare Botschaft. Jede Maßnahme – politischer wie persönlicher Natur –, die heute die globale Erwärmung wirksam bremst, senkt unmittelbar das Risiko, dass diese verborgenen Kohlenstoffvorräte sich in eine unkontrollierbare klimatische Zeitbombe verwandeln.
