Landschaftsfaktoren beeinflusst, zum Beispiel Mikroklima, Hangneigung, Vegetation, Schneebedeckung sowie Typ, Textur und Feuchtigkeit des Bodens.

Transkript

1 Mathias Ulrich Böden im Permafrost Tauender Untergrund: Ursachen, Folgen, Schutz Etwa ein Viertel der Landfläche der Nordhalbkugel ist von Permafrost unterlagert. Aber der dauergefrorene Boden erwärmt sich aufgrund der Erderwärmung, die in arktischen und subarktischen Regionen besonders ausgeprägt ist, zunehmend und taut teilweise auf. Auch tragen lokale Aktivitäten der Bewohner zur Störung des thermischen Gleichgewichts des Dauerfrostbodens bei. Welche Bedeutung haben diese Prozesse und Effekte für die Umwelt und die Bevölkerung arktischer und subarktischer Permafrostlandschaften? Verbreitung und Charakteristik von Permafrost Permafrost bezeichnet jeglichen Untergrund (Boden und Gestein), der mindestens über zwei aufeinanderfolgende Jahre negative Temperaturen aufweist. Im Sinne dieser Definition sind rund 22,8 Mio. km 2 (etwa 24 %) des Festlandes der Nordhalbkugel der Erde von Permafrost unterlagert. Permafrostgebiete umfassen die unterschiedlichsten Landschaften: Steppe, Taiga, Tundra und Gebirge. Hauptverbreitungsgebiete sind neben den polaren und subpolaren Festlandsgebieten die Inseln Eurasiens und Nordamerikas. Zudem tritt Permafrost in vielen Hochgebirgen, je nach Hanglage, ab m über NN auf (vgl. Krautblatter/Hauck 2012). Anhand der Geschlossenheit der Permafrostdecke wird eine kontinuierliche, diskontinuierliche, sporadische und inselartige Permafrostzone unterschieden (s. Abb. 1). Die Mächtigkeit des Dauerfrostbodens variiert von wenigen Metern bis hin zu über 1000 m. Die Existenz von tiefem und mächtigem Permafrost ist ein Beweis für schon seit langem anhaltende kalte Klimabedingungen einer Region und stellt damit ein Relikt klimatischer Bedingungen während des Eiszeitalters dar. Außer von den überregionalen Faktoren wird die Verbreitung und Mächtigkeit von Permafrost auch durch verschiedene lokale Landschaftsfaktoren beeinflusst, zum Beispiel Mikroklima, Hangneigung, Vegetation, Schneebedeckung sowie Typ, Textur und Feuchtigkeit des Bodens. Vertikale Gliederung des Untergrundes Vertikal gliedert sich der Untergrund in Permafrostgebieten in eine obere saisonale (sommerliche) Auftauzone und einem darunter liegenden dauergefrorenen Bereich, dem eigentlichen Permafrost (s. Abb. 2). Die sommerliche Auftauschicht kann, je nach Region und Klimabedingungen sowie Vegetationsbedeckung und Bodenbeschaffenheit, unterschiedlich mächtig sein. Die tiefsten Auftauzonen mit bis zu 2 3 m findet man in der Regel in subarktischen Gebieten oder in grobkörnigen Sedimenten, zum Beispiel Sanddünen. Die geringsten Auftautiefen mit wenigen Zentimetern sind in hochpolaren Regionen oder zum Beispiel unter Moos-Vegetation zu finden. In der sommerlichen Auftauzone geschehen die meisten Frostwirkungsprozesse, wie zum Beispiel Kryoturbation (d. h. durch Frostwirkung beeinflusste Durchmischung des Bodens), sowie physikalische Verwitterung und Bodenbildung. Chemische und biologische Verwitterung sind in Permafrostgebieten aufgrund der anhaltend niedrigen Temperaturen geringer ausgeprägt. Der Permafrost taut auf Im Zuge des aktuellen Klimawandels nimmt die Mächtigkeit der sommerlichen Auftauzone im Durchschnitt zu. Die Folge ist, dass das thermische Gleichgewicht des darunter liegenden Permafrostes dauerhaft gestört wird und dieser auftaut. Meistens gehen damit die Bildungen bestimmter Landschaftsformen einher, da der Boden zum Beispiel durch das Schmelzen des Bodeneises absackt. Man fasst die Prozesse und entstehenden Landschaftsformen unter dem Begriff Thermokarst zusammen. Permafrostgebiete zählen zu den Regionen mit der weltweit stärksten gemessenen Erwärmung über die letzten Jahrzehnte. Basierend auf Klimamodellanalysen wird für diese Regionen prognostiziert, dass sich der bereits eingeleitete Erwärmungsprozess noch deutlich verstärken wird und damit große Teile der Arktis und vor allem der Subarktis bis ins Jahr 2100 von tauendem Permafrost betroffen sein werden. Böden in Permafrostgebieten Im Zusammenhang mit den Reliefeigenschaften der oft weiten und flachen Landschaften und dem Wasserstaueffekt des Permafrostes sind Böden in Permafrostgebieten im Allgemeinen schlecht drainiert. Die Folge ist eine flächenmäßige Dominanz hydromorpher Böden. Gut drainierte Böden sind weniger verbreitet, können sich jedoch vor allem in südlicheren Taigaregionen gut entwickeln. Die Differenzierung arktischer und subarktischer Tundra- und Taigaböden ist abhängig von der hydrologischen Situation, den pedoklimatischen Bedingungen und den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Ausgangssubstrats. Die 40 geographie heute

2 aus der forschung Bodenbildung beschränkt sich auf die sommerliche Auftauzone. Sie ist jedoch eng mit dem oberflächennahen Permafrost verbunden. Aufgrund der niedrigen Temperaturen werden die chemische und biologische Verwitterung gehemmt. Der langsame Abbau von Humus und die damit verbundene Freisetzung von mineralischen Nährstoffen führen zu teils enormen Humusanreicherungen. Besonders in geschlossenen Senken wird dies an ausgeprägten Moor- und Torfböden deutlich. Mit zunehmender Bodenfeuchte steigt der Einfluss kryogener Durchmischungs- und Verlagerungsprozesse wie Kryoturbation und Solifluktion. Die pedogenen Merkmale der Böden werden stellenweise durch kryogene überprägt oder abgelöst (vgl. Zubrzycki et al. 2012). Mit dem Vorhandensein von Permafrost innerhalb der obersten 200 cm des Bodens werden die zonalen Böden der Arktis nach dem internationalen Referenzsystem der World Reference Base (WRB; vgl. FAO 2007) als Cryosols (griech. cryos = kalt) und nach dem amerika nischen Klassifikationssystem Keys to Soil Taxo nomy (vgl. Soil Survey Staff 2014) als Gelisols (lat. gelus = Eis) bezeichnet. Häufigste Böden der Tundra sind Gleyböden. Auf besser drainierten Standorten trifft man auch auf unvergleyte Böden und bei vegetationsarmen Flächen auf Rohböden. In südlicheren Breiten und der Taiga dominieren von Permafrost beeinflusste Pod sole (Versauerungsböden), Cambisole (verbraunte Böden) und Leptosole (Festgesteinsböden). Die Böden in arktischen Regionen gelten aufgrund des reduzierten Kohlenstoffabbaus als eine der wichtigsten Senken für Kohlendioxid und Quellen für Methan. Gegenwärtigen Schätzungen zufolge, ist in den weltweiten Permafrostablagerungen in etwa so viel Kohlenstoff eingefroren, wie sich derzeit in der Atmosphäre befindet. Dies ist vor allem in Bezug auf eine globale Erwärmung im Zusammenhang mit Treib hausgasemissionen von Bedeutung: Die Erwärmung führt in Permafrostgebieten nicht nur zu einer Zunahme der sommerlichen Auftauzone, sondern wahrscheinlich auch zu einem verstärkten mikrobiellen Abbau der organischen Substanz und der damit verbundenen Freisetzung klimarelevanter Spurengase wie Kohlenstoffdioxid und Methan (vgl. Zubrzycki et al. 2012). Quelle: eigene Darstellung nach Brown et al Thermokarst und Permafrostdegradation Unter Thermokarst versteht man sowohl den Prozess des Abschmelzens massiver Grundeiskörper und der Degradation (Abbau/Tauen) des Permafrostes, als auch die dabei entstehenden charakteristischen Oberflächenformen. Thermokarst tritt vor allem in den arktischen und subarktischen Tiefländern und den dort vorkommenden eisreichen Feinsedimenten auf. Thermokarstsenken und -seen sind in den Permafrostlandschaften Nordamerikas und Sibiriens weit verbreitet. Thermokarstseen treten häufiger auf und nehmen in manchen Regionen mehr als 40 % der Landoberfläche ein. Entstehung von Thermokarst Thermokarst entsteht durch die Störung des thermischen Gleichgewichts in der oberen Permafrostzone und durch die Zunahme der sommerlichen Auftauzone als Folge erhöhter Boden- und Lufttemperaturen. Natürliche Ursachen für die Degrada tion des Permafrostes können zum Beispiel Klimaveränderungen sein oder sich lokal verändernde Oberflächenbedingungen der Hydrologie und Vegetation zum Beispiel aufgrund von Erosionsprozessen an Ufern und Hängen, Waldbränden oder Überflutungen. Zudem kann die Degradation des Permafrostes anthropogen verursacht sein, direkt infolge von Landnutzung, bei der die obere Permafrostschicht gestört wird, zum Beispiel durch die Errichtung von Gebäuden, Verkehrswegen und Rohrleitungen oder landwirtschaftliche Aktivitäten, aber auch indirekt zum Beispiel durch den menschlich verstärkten Klimawandel. Thermokarst ist ein sich selbst verstärkender Prozess. Das heißt, wenn die Permafrostdegradation (Permafrostabbau) einmal begonnen hat, wird sie vor allem durch stehendes oder fließendes Wasser und den Verlust der isolierenden Vegetationsdecke verstärkt und ist kaum aufzuhalten. Eine entscheidende Rolle spielt hier die höhere Wärmeleitfähigkeit von Wasser gegenüber Eis oder trockenen Sedimenten. Abb. 1: Karte der Permafrostverbreitung und Zonierung in der Nordhemissphäre sowie eine Auswahl verschiedener Städte und Hauptstädte in Permafrostregionen geographie heute

3 Quelle: eigene Darstellung nach Weise 1983 Abb. 2: Vertikale Gliederung des Permafrostes in Bezug zu (a) den Temperaturbedingungen im Boden und (b) der breitengradabhängigen Permafrostzonierung Ein viel entscheidender Aspekt bei der Degradation des Permafrostes durch Thermokarst ist jedoch der Abbau von Grundeis und die damit verbundene Subsidenz (Absenkung) der Oberfläche. Dies geschieht vor allem in relativ ebenen Gebieten, deren Sedimente mit Eis übersättigt sind. Dabei spielt der Eisgehalt eine wesentliche Rolle, da sich die Oberfläche nur so weit einsenken kann, wie sich das Sediment setzt. Weite Teile Sibiriens und Alaska s (ca. 1,4 Millionen km 2 ) werden von sehr eisreichen Sedimenten unterlagert, die größtenteils am Ende des Pleistozäns vor etwa Jahren entstanden sind. Der hohe Eisgehalt dieser Ablagerungen (bis zu etwa 80 Vol.-%) wird vor allem durch bis zu mehrere Zehnermeter mächtige Eiskeile gebildet (s. Abb. 3). Diese sind gleichzeitig mit Ablagerung und dem damaligen Einfrieren des Sediments entstanden. Aufgrund des hohen Eisgehaltes sind diese Sedimente besonders anfällig gegenüber Tauprozessen. Von Bedeutung sind dabei auch große Mengen organischen Kohlenstoffs, die vor allem in diesen eisreichen Sedimenten gebunden sind. Die Folgen der Freisetzung der Kohlenstoffe und deren Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf werden derzeit intensiv diskutiert, da dieser Kohlenstoffspeicher in bisherigen Klimaprognosen nicht berücksichtigt wurde (vgl. z. B. Strauss et al. 2013). Stadien der Thermokarstentwicklung Derzeit wird eine verstärkt ablaufende Degradation des Permafrostes beobachtet. Diese ist jedoch aus geologischer Sicht nicht einzigartig. Bereits am Ende der letzten Eiszeit vor ca Jahren und während des Holozänen Klimaoptimums (ca Jahren v. h.) kam es großräumig zu Tauprozessen, was die damaligen Permafrostlandschaften und deren hydrologischen Systeme drastisch veränderte. Diese Prozesse können zyklisch sein und folgen häufig einem bestimmten Ablauf aus dem sich neue charakteristische Landschaftsformen ergeben. Hierbei werden verschiedene Stadien unterschieden (s. Abb. 4): 1. Durch das initiale, lokale Auftauen von Eiskeilen kommt es zunächst zur Absenkung der Oberfläche und zur Bildung sogenannter Thermokarsthügel. Wasser sammelte sich häufig in kleinen Tümpeln zwischen den Hügeln oberhalb der tauenden Eiskeile. 2. Mit dem Zusammenwachsen der sich vergrößernden Tümpel und der weiteren Absenkung der Oberfläche bilden sich größere Thermokarstseen. 3. Zunehmende Oberflächenabsenkung durch Tauprozesse unter wachsenden Thermokarstseen führt zur Bildung großer Becken mit steilen Hängen. 4. Als Folge der Entwässerung großer Thermokarstseen bilden sich bis zu m tiefe Thermokarstsenken, die in jakutischer Sprache als Alase bezeichnet werden. Sie weisen Durchmesser von bis zu mehreren Kilometern auf und enthalten häufig kleinere Restseen. Dieser Thermokarstprozess kann mehrere tausend Jahre andauern, aber auch durch lokale Störungen der isolierenden Vegetationsbedeckung, zum Beispiel durch landwirtschaftliche Tätigkeit, in nur we nigen Jahrzehnten ablaufen. Permafrost und Mensch Trotz ihrer wenig lebensfreundlichen Umweltbedingungen, wurden Permafrostlandschaften schon frühzeitig vom Menschen besiedelt. Allein in den russischen Permafrostgebieten lebt heute etwa die Hälfte der Bevölkerung der Arktis (insgesamt rund vier Millionen Menschen). Die Erwärmung des Permafrostes hat daher womöglich auch schwerwiegende sozioökonomische Konsequenzen, zum Beispiel in Bezug auf die Infrastruktur und die Landnutzung. Gleichzeitig sind diese Regionen besonders bedeutend hinsichtlich menschlicher Einwirkung auf den Permafrost. Die Erschließung der Permafrostgebiete in der jüngeren Vergangenheit durch Siedlungen, Straßen, Eisenbahnstrecken und 42 geographie heute

4 aus der forschung Rohrleitungen geschah in erster Linie mit dem Ziel, die im gefrorenen Untergrund gespeicherten Bodenschätze zu gewinnen. Der Abbau der Rohstoffe bedeutet jedoch häufig erhebliche Störungen im Ökosystem und den Verlust von Lebensräumen einheimischer Bevölkerungsgruppen. Zusammen mit den extremen Wetterund Temperaturbedingungen ist die Vielfalt an geologischen und geomorphologischen Gegebenheiten unter verschiedensten Landschaftstypen (z. B. Tundra, Taiga, Sümpfe, Flusstäler, Gebirge) allerdings auch heute für den Menschen nur schwer beherrschbar. Die komplexen Wechselbeziehungen zwischen Permafrost und Mensch führen häufig zu Verzögerungen zwischen dem Entstehen und dem Erkennen einer Gefährdung sowie der anschließenden Entscheidungsfindung und Umsetzung einer Gegenstrategie. Deshalb wurden in den letzten Jahren Richtlinien für das Bauen auf und im Permafrost entwickelt. Diese berücksichtigen die mit der globalen Erwärmung einhergehenden geotechnischen Veränderungen des sich erwärmenden Permafrostes (s. Abb. 5). Indigene Urvölker haben sich schon immer auf die saisonal wechselnden Gefrierund Tauzyklen der oberflächlichen Auftauzone eingestellt. Schon frühe Siedler nutzten den dauergefrorenen Boden, um ihre Lebensmittel zu lagern und die Stabilität ihrer Behausungen zu sichern. Die Folgen der globalen Erwärmung und deren Aus Mathias Ulrich Abb. 3: Eisreiche Permafrostablagerungen (Yedoma) an einem Hauptarm der Lena im Lena- Delta, Nordost-Sibirien. Diese Sedimente reagieren besonders sensibel auf Temperaturveränderungen und stellen enorme Kohlenstoffspeicher dar. Die blau-gräulichen Bereiche im oberen Teil der etwa 20 m hohen Sedimentsequenz stellen riesige Eiskeile dar wirkungen auf die Permafrostlandschaften werden jedoch von der einheimischen Bevölkerung zunehmend verspürt. Zum Beispiel berichten ethnographische Langzeitstudien in indigenen Gemeinschaften der zentraljakutischen Permafrostgebiete von zahlreichen Umweltveränderungen im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung (vgl. z. B. Crate et al. 2017). Die bedeutendsten beobachteten Veränderungen beziehen sich auf drastische Schwankungen der Lufttemperatur. Die Winter werden als milder empfunden, die Sommer dagegen als kälter. Es gibt mehr Überflutungen und Starkregenereignisse. Die Landoberfläche wird, im Vergleich zur Vergangenheit, generell als feuchter beschrieben mit direkten Auswirkungen auf die landwirtschaftliche Nutzung (s. Abb. 6). Wie werden sich die Permafrostgebiete verändern? Zahlreiche Faktoren führen derzeit zur Initiierung von Tauprozessen in Permafrost Quelle: eigene Darstellung nach Grosse et al Abb. 4: Stadien der Thermokarstentwicklung geographie heute

5 Abb. 5: Infrastruktur in Permafrostregionen: Durch Permafrostdegradation deformierte Gebäude in Jakutsk Abb. 6: Beispiel für Interaktion von Mensch und Permafrost in Jakutien: Traditionelle Heuwirtschaft in einer Thermokarstsenke. Im Hintergrund ist ein Pingo (Eiskernhügel) zu sehen landschaften. Ihre Wechselwirkungen sind bis heute jedoch nicht vollständig geklärt. Im Vergleich zum Ende der letzten Eiszeit zeigt die gegenwärtige Permafrostdegradation jedoch deutliche Unterschiede. Zum einen ist die Geschwindigkeit des aktuellen Klimawandels einzigartig, zum anderen werden die Folgen durch erhöhte Landnutzung sowie die Bevölkerungszunahme in Permafrostgebieten verstärkt. Deshalb kann die derzeitige Degradation der Permafrostböden als ein einzigartiger Prozess betrachtet werden, der häufig sehr rasch und teilweise katastrophal verläuft. Ein Beispiel hierfür sind die 2014 in Nordwestsibirien entdeckten Erdfälle. Die sogenannten Yamal-Krater sind mit großer Wahrscheinlichkeit durch plötzliche Ausgasungen des Treibhausgases Methan entstanden, das im Permafrost gespeichert war und durch zunehmende Tauprozesse im Untergrund freigesetzt wurde. Auch in Gebirgsregionen wird die Zunahme von Hangrutschungen und Felsstürzen beobachtet. Da Permafrost wie eine Art Zement für die meisten oberflächennahen Gesteine und Sedimente wirkt, führt das Tauen des Permafrostes dort zum Aufheben des Zusammenhalts großer Felsmassive. Entlang der Küsten kommt es durch tauenden Permafrost zur Zunahme der Küstenerosion. Hier werden Tauprozesse durch die erodierende Aktivität des Wassers noch verstärkt und führen zur Zerstörung großer Landabschnitte, die auch die Infrastruktur der Menschen bedroht. Die Auswirkungen der klimabedingten und anthropogenen Landschaftsveränderungen sind sowohl in ökonomischen als auch in sozialen Maßstäben schwer zu beurteilen. Klar ist jedoch, dass die mit dem Mathias Ulrich Mathias Ulrich Tauen des Permafrostes zusammenhängenden Landschaftsveränderungen vor allem die Lebensbedingungen der ländlichen, meist indigenen Bevölkerung verschlechtern. Die Folge daraus ist, dass traditionelle Lebensweisen aufgegeben werden müssen und es zunehmend zu Migration in die Städte kommt. Die komplexe Natur der Wechselbeziehungen zwischen Permafrost, Klima und Mensch wird deshalb auch zukünftig ein wesentlicher Forschungsschwerpunkt sein. Literatur und Internetquellen Brown, J., O. J. Ferrians, Jr., J. A. Heginbottom, und E. S. Melnikov (1998, überarbeitet Februar 2001): Circum-arctic map of permafrost and ground ice conditions. Boulder, CO: National Snow and Ice Data Center/World Data Center for Glaciology. Digital media Crate, S., Ulrich, M., Habeck, J.O., Desyatkin, A.R., Desyatkin, R.V., Fedorov, A.N., Hiyama, T., Iijima, Y., Ksenofontov, S., Mészaros, C. und Takakura, H. (2017): Permafrost livelihoods: A transdisciplinary review and analysis of thermokarst-based systems of indigenous land use. Anthropocene, 18, S FAO Food and Agriculture Organization (2007): WRB World reference base for soil resources First update Rom: FAO, templates/nr/images/resources/pdf_documents/wrb2007_red.pdf (letzter Zugriff: ) Grosse, G., B. Jones und Arp, C. (2013): Thermokarst Lakes, drainage, and drained basins. In: Shroder, J. F. (Hrsg.): Treatise on Geomorphology, San Diego: Academic Press, S Krautblatter, M. und Hauck, C. (2012): Neue Forschungsansätze zur räumlichen und zeitlichen Dynamik des Gebirgspermafrostes und dessen Naturgefahrenpotentials. In: Polarforschung, 81. Jg., H. 1, S Lantuit, H. und Schirrmeister, L. (2012): Permafrost und Mensch. In: Polarforschung 81. Jg., H. 1, S Soil Survey Staff (2014): Keys to soil taxonomy., Washington, D.C: USDA und NRCS, Consumption/download?cid=stelprdb &ext=pdf (letzter Zugriff: ) Strauss, J., Schirrmeister, L., Grosse, G., Wetterich, S., Ulrich, M., Herzschuh, U. und Hubberten, H.-W. (2013): The deep permafrost carbon pool of the Yedoma region in Siberia and Alaska. Geophysical Research Letters 40 (23), S Weise, O. R. (1983): Das Periglazial. Berlin, Stuttgart: Gebrüder Bornträger Zubrzycki, S., Kutzbach, L. und Pfeiffer, E.-M. (2012): Böden in Permafrostgebieten der Arktis als Kohlenstoffsenke und Kohlenstoffquelle. In: Polarforschung 81. Jg., H. 1, S geographie heute