Er ist so etwas wie der Eisschrank der Erde: Im Permafrostboden, einem dauernd gefrorenen Boden, der im Sommer nur oberflächlich auftaut, ist ein Großteil der Erdvergangenheit tiefgefroren und somit konserviert. Jahrtausende alte Überreste von Pflanzen und Tieren sind dort genauso zu finden wie vereinzelte historische Zeugnisse, aber auch große Mengen des auf der Erde befindlichen Kohlenstoffs. So ist in den Permafrostböden genauso viel Kohlenstoff gespeichert wie in der Atmosphäre (als Kohlendioxid) und der Vegetation zusammen. Aufgrund des Klimawandels haben diese Permafrostböden zu tauen begonnen. Dies führt zum Risiko einer verstärkten Freisetzung klimarelevanter Treibhausgase wie Kohlendioxid und Methan. Jetzt haben Wissenschaftler der Leibniz Universität Hannover in einem internationalen Forschungsprojekt herausgefunden, dass die organische Substanz besonders in den permanent gefrorenen Bodenzonen sehr gut mikrobiell abbaubar ist und damit die Klimaerwärmung beschleunigen kann.
In drei Gelände-Expeditionen in die Tundra-Landschaften Nordsibiriens haben Prof. Dr. Georg Guggenberger, Dr. Robert Mikutta, Dr. Olga Shibistova und Norman Gentsch vom Institut für Bodenkunde Bodenproben entnommen und diese untersucht. Der Boden in Permafrostgebieten, bei denen die obere Schicht in den kurzen nördlichen Sommern zwischen ca. 30 und 150 Zentimeter tief auftauen kann, ist immer in Bewegung. „Durch Frier- und Auftauprozesse der nassen Böden kommt es über Volumenänderungen und hieraus wirkender vertikaler und horizontaler Kräfte zur Einarbeitung des Oberbodens in den Unterboden“, erklärt Professor Guggenberger. Dort sind die Bedingungen für einen Abbau der organischen Substanz durch die Boden-Mikroorganismen aufgrund tiefer Temperaturen und Sauerstoffarmut stark eingeschränkt. Wassersättigung und Sauerstoffarmut ist neben der Dauergefrornis im Permafrost selbst ein wichtiger Grund, weshalb Permafrostböden so viel Kohlenstoff enthalten.
Die Hoffnung der Wissenschaftler war, dass die organische Substanz über Bindung an Bodenminerale auch bei Tauen des Permafrosts gegenüber mikrobiellen Abbau geschützt ist. In wärmeren Regionen binden organische Substanzen sich verstärkt an reaktive Minerale wie etwa Eisen- und Aluminiumoxide, was zu derer Stabilisierung führt. Es zeigte sich jedoch, dass dies im Gegensatz zu tropischen und temperierten Böden nur zum Teil der Fall ist. Zwar binden insbesondere Tonminerale die organische Substanz in Permafrostböden, jedoch haben reaktive Eisenverbindungen nur einen verminderten Einfluss. Die Wissenschaftler konnten durch Analyse der Zusammensetzung und der Abbaubarkeit der organischen Substanz zeigen, dass ein Teil hiervon bei veränderten Umweltbedingungen rasch als Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangen kann.
Allerdings begründen sich diese Ergebnisse zunächst auf Kurzzeiteffekte im Boden. Weitere Studien am Institut für Bodenkunde sollen zeigen, ob es in den sich erwärmenden Böden längerfristig nicht doch zur Stabilisierung der organischen Substanz durch Bildung von Komplexen zwischen Eisenoxiden und organischer Substanz bzw. durch eine zunehmende Aggregierung der Bodenbestandteile kommt.
Ihre Ergebnisse gleichen die Bodenkundler auch mit dem Institut für Erdmessung (Prof. Jürgen Müller, Dr. Akbar Shabanloui) der Leibniz Universität ab; die Forscherinnen und Forscher beobachten die Zu- und Abnahme des Wassers in flüssigem und gefrorenem Zustand via Satellit. Die Satellitenmission Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) ist seit dem Jahr 2002 im Orbit. Die lange Zeitspanne der GRACE-Beobachtungen erlaubt nun auch die Bestimmung von kleinen langperiodischen und mehrjährigen Signalen. Anhand der GRACE-Monatslösungen wurden daher die Massenvariationen in der Region des sibirischen Permafrosts bestimmt und untersucht. Dabei konnte im Einzugsgebiet der Lena, das nordöstlich des Baikalsees gelegen ist, bis zum Jahr 2008 eine starke Massenzunahme detektiert werden; seitdem nimmt die Masse wieder leicht ab. Dies ist ein Anzeichen für langfristige hydrologische Veränderungen im Sibirischen Permafrostregime. In den vergangenen Jahren wurde außerdem eine überdurchschnittliche Erwärmung, verbunden mit einer Zunahme im Niederschlag, in diesem Gebiet beobachtet.
Die Analyse von multispektralen Satellitenbildern zeigte, dass sich Bodensenken, die durch Thermokarst entstanden sind, mit Wasser füllten. Damit nahm die Oberfläche der Seen signifikant zu. Die Seezunahme kann jedoch nur einen Teil der Massenzunahme erklären. Andere mögliche Ursachen sind eine zusätzliche Speicherung von Wasser im aufgetauten Untergrund. Die Auftautiefe hat in den letzten Jahren um etwa zehn Zentimeter pro Jahr zugenommen. Daher sind die Untersuchungen zur Wasserspeicherung im Untergrund Gegenstand weiterer Forschung. GRACE kann dabei helfen, indem er Randwerte für hydrologische Modelle liefert.
Hinweis an die Redaktionen
Für weitere Informationen stehen Ihnen Prof. Dr. Georg Guggenberger, Institut für Bodenkunde, Telefon +49 511 762 2623, E-Mail guggenberger@ifbk.uni-hannover.de, und Prof. Dr.-Ing. Jürgen Müller, Institut für Erdmessung, Telefon +49 511 762 3362, E-Mail mueller@ife.uni-hannover.de gern zur Verfügung.
