Forschungsbericht 2018 - Max-Planck-Institut für Biogeochemie

Wasser, Eis und Schnee: Treibende Kräfte beim Klimawandel in der Arktis

Autoren
Dr. Mathias Göckede
Abteilungen

Arbeitsgruppe Skalenübergreifende Messung und Modellierung von Austauschprozessen zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre, Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena

Zusammenfassung
Wie stabil Kohlenstoff zukünftig im arktischen Permafrost gebunden bleibt anstatt als Treibhausgas in die Atmosphäre zu entweichen, ist von höchster Bedeutung für das globale Klima. Hierbei spielen Wasser, Eis und Schnee eine wichtige Rolle. Unsere Feldforschung in Sibirien erklärt anhand neuer Daten und Modelle, wie die Umverteilung der Wassermassen und eine erhöhte Schneebedeckung, zwei bekannte Folgen des momentanen Klimawandels, den Kohlenstoffhaushalt in der Arktis weiter destabilisieren können. Die Ergebnisse helfen, die Rolle der Arktis im globalen Klimawandel verlässlicher zu bewerten.

Die Arktis mit ihren Dauerfrostböden spielt eine zentrale Rolle im Klimawandel. Hier ist etwa die Hälfte des weltweit im Boden gespeicherten Kohlenstoffs gelagert. Selbst wenn dieser Vorrat nur teilweise freigesetzt würde, könnte sich der CO2-Gehalt in der Atmosphäre merklich erhöhen. In der Tat ist die Kohlenstoffspeicherung im Permafrost durch die globale Erwärmung bedroht: In den vergangenen Jahrzehnten stieg die mittlere Temperatur in der Arktis sogar stärker an als im globalen Mittel, ein Trend der sich laut Vorhersagen fortsetzen oder sogar beschleunigen soll.

Abb. 1: Erodierende Permafrost-Klippen am Standort Duvanni Yar, entlang der Ufer des Kolyma-Flusses in Nordost-Sibirien. Auftauender Oberboden rutscht auf den noch gefrorenen, glänzenden Permafrost-Schichten nach unten. Der darin gespeicherte Kohlenstoff wird letztendlich vom Flusswasser fortgespült, und somit wieder in den Kreislauf des Klimasystems integriert. 

Damit drohen die heute noch gefrorenen Bodenschichten aufzutauen, den Kohlenstoff in Form von Treibhausgasen freizusetzen und den Klimawandel weiter anzukurbeln. Das uns bekannte Erscheinungsbild der Arktis würde nachhaltig zerstört, mit unabsehbaren ökologischen, sozialen und wirtschaftlichen Folgen, auch über die Region hinaus. Um die arktischen Ökosysteme besser zu schützen, müssen wir herausfinden, welche Umweltfaktoren ihre Stabilität beeinflussen. Neben der steigenden Lufttemperatur spielt das Wasser in seinen unterschiedlichen Erscheinungsformen eine entscheidende Rolle. Veränderungen im Wasserhaushalt, insbesondere in der Schneebedeckung, können den Einfluss einer sich erwärmenden Atmosphäre sowohl verstärken als auch abmildern.

Feldexperimente zeigen: Die Umverteilung des Wassers kann den Klimawandel verstärken

Viele Landschaftsformen in der Arktis waren bislang nur deshalb stabil, weil lediglich die obersten Dezimeter bis Meter des Oberbodens im Verlauf des Sommers auftauten. Tiefer liegende Schichten blieben dauerhaft gefroren. Deren verstärktes Auftauen durch den fortschreitenden Klimawandel führt allerdings zu dramatischen Veränderungen in den Ökosystemen: Permafrost-Klippen entlang der Flussufer und der Nordpolarmeerküste werden zunehmend durch Erosion abgetragen (siehe Abb. 1) und oberflächliche Thermokarst-Seen entstehen, wenn unterirdische Eislinsen auftauen. Durch das Abschmelzen im Boden liegender Eiskeile entstehen untereinander verbundene Grabensysteme, wodurch sich das verfügbare Wasser umverteilt.

Im Verlauf eines einzigartigen, mittlerweile 14 Jahre andauernden Feldexperiments untersuchen wir ein Permafrost-Feuchtgebiet, das mit künstlichen Wassergräben drainiert wurde. Wir konnten nachweisen, dass diese langfristige Umverteilung des Wassers nicht nur die Zusammensetzung der Pflanzenwelt und der Bodenorganismen nachhaltig umbildet [1], sondern auch den Energiehaushalt deutlich verändert (siehe Abb.2) [2]. Wie erwartet werden durch die trockeneren Bedingungen im Boden nun nur noch kleinere Mengen des hochgradig klimawirksamen Treibhausgases Methan freigesetzt. Dagegen steigerte sich die CO2-Emission deutlich [3]. Die Gesamtbilanz ergibt, dass eine Austrocknung der arktischen Tundra, ausgelöst durch eine Umstrukturierung der Landschaft infolge der Erwärmung, den Klimawandel weiter verstärken würde.

Eine höhere Schneedecke gefährdet den Permafrost

Die Schneebedeckung isoliert den Boden vor den extrem niedrigen Temperaturen der winterlichen arktischen Atmosphäre. Somit bleiben Bodentemperaturen oft vergleichsweise mild, selbst wenn die Lufttemperatur längerfristig bei -30°C bis -50 °C verweilt. Eine höhere Schneedecke, bedingt durch verstärkten Niederschlag im Winter, könnte das Erkalten der Böden verringern und somit im Sommer ein stärkeres Auftauen unterstützen.

Unsere langjährigen Messdaten aus Nordost-Sibirien bestätigen diesen Zusammenhang: Im Verlauf der letzten fünf Winter hat sich die mittlere Schneehöhe insgesamt verdoppelt. Im gleichen Zeitraum ergaben präzise Messungen einen Anstieg der Bodentemperatur von bis zu 6 °C sowie eine um mehr als 50 Prozent erhöhte Kohlenstoff-Emission aus dem Boden. Damit belegen unsere Untersuchungen, dass wenige schneereiche Jahre ausreichen, um die Permafrostböden selbst in sehr kalten arktischen Regionen zu destabilisieren. Da für große Teile der Arktis erhöhte Niederschläge prognostiziert werden, ist dieser Prozess äußerst wichtig für die weitere Entwicklung der Permafrost-Landschaften und deren Kohlenstoff-Bilanz.

Abb. 2: Das Schema zeigt, wie sich das untersuchte Permafrost-Ökosystem als Folge der langfristigen Drainage verändert hat. Im Vergleich zum ursprünglich nassen Zustand (obere Abbildung) zeigt sich nach Drainage (trocken, untere Abbildung) im Sommer ein deutlich niedrigerer Wasserspiegel (blaue Linie). Als Folge davon setzte sich nach und nach ein höherer Pflanzenbewuchs durch. Auch der Verlauf der Bodentemperatur, dargestellt als farb-kodierte Mittelwerte von je zwei Monaten, wurde dadurch verändert.

Unsere langjährigen Messdaten aus Nordost-Sibirien bestätigen diesen Zusammenhang: Im Verlauf der letzten fünf Winter hat sich die mittlere Schneehöhe insgesamt verdoppelt. Im gleichen Zeitraum ergaben präzise Messungen einen Anstieg der Bodentemperatur von bis zu 6 °C sowie eine um mehr als 50 Prozent erhöhte Kohlenstoff-Emission aus dem Boden. Damit belegen unsere Untersuchungen, dass wenige schneereiche Jahre ausreichen, um die Permafrostböden selbst in sehr kalten arktischen Regionen zu destabilisieren. Da für große Teile der Arktis erhöhte Niederschläge prognostiziert werden, ist dieser Prozess äußerst wichtig für die weitere Entwicklung der Permafrost-Landschaften und deren Kohlenstoff-Bilanz.

Verbesserte Modelle basieren auf unseren Messdaten

Mit geeigneten Computermodellen können wir den weiteren Verlauf des Klimawandels auf der Basis aktueller Messergebnisse abschätzen. Dazu simulieren wir die wichtigsten Prozesse innerhalb eines Ökosystems und wenden sie auf zukünftige Klima-Szenarien an. Für unsere Zwecke haben wir das Landoberflächenmodell des Max-Planck-Erdsystemmodells, JSBACH, erweitert, um die Auswirkungen des Wasserhaushalts auf die Methanemissionen in arktischen Permafrostgebieten zu ermitteln [4]. Hierbei war entscheidend, die Umverteilung des verfügbaren Wassers in trockene beziehungsweise überflutete Gebiete anhand der vorherrschenden Topographie exakt im Modell abzubilden. Dabei haben wir erkannt, dass der Einfluss der Bodenfeuchte auf die simulierten Bodentemperaturen in den kalten Jahreszeiten in den bisher vorhandenen Datensätzen und Modellen nur mangelhaft repräsentiert und berücksichtigt wurde. Unser verbessertes Modell stellt einen deutlichen Fortschritt für die prozessbasierte Simulation von zukünftigen arktischen Methan-Emissionen dar, da es die Auswirkungen trockenerer beziehungsweise nasserer Bedingungen auf den Kohlenstoffkreislauf sehr detailliert umsetzen kann.

Schlussfolgerungen

Mit den Forschungsergebnissen aus den sibirischen Permafrostgebieten können wir die wesentlichen Faktoren und Mechanismen besser entschlüsseln, die die Stabilität dieser Ökosysteme mit ihrem enormen Kohlenstoff-Speicher aufrechterhalten. Die Verfügbarkeit und Verteilung von Wasser spielt hierbei eine besondere Rolle: Sie beeinflusst nahezu alle Funktionen der arktischen Ökosysteme. Veränderte Wasserhaushalte, die wir über viele Jahre untersuchten, waren meist mit einer Verstärkung von Treibhausgas-Emissionen verbunden. Diese Erkenntnisse müssen in verbesserte Modelle einfließen, um die Rolle von Kohlenstoff-Emissionen aus Permafrostgebieten in zukünftigen Klimawandel-Prognosen richtig einzuordnen. Die Stabilität der arktischen Permafrostgebiete wird entscheidend sein für die zukünftigen Lebensbedingungen in vielen Regionen der Erde. Die Erforschung der zugrunde liegenden Prozesse ist wesentlich, um sie effektiv schützen zu können.

Literaturhinweise

1.
Kwon, M.J.; Beulig, F.; Ilie, I.; Wildner, M.; Küsel, K;  Mahecha, M.D.; Zimov, N.; Zimov, S.; Heimann, M.; Schuur, E.A.G.; Kostka, J.E.; Kolle, O.; Hilke, I.; Göckede, M.
Plants, microorganisms, and soil temperatures contribute to a decrease in methane fluxes on a drained Arctic floodplain
Global Change Biology 23, 2396-2412 (2017).
2.
Göckede, M.; Kittler, F.; Kwon, M.J.; Burjack, I.; Heimann, M.; Kolle, O.; Zimov, N.; Zimov, S.
Shifted energy fluxes, increased Bowen ratios, and reduced thaw depths linked with drainage-induced changes in permafrost ecosystem structure
The Cryosphere 11, 2975-2996 (2017)
3.
Kittler, F.; Heimann, M.; Kolle, O.; Zimov, N.; Zimov, S.; Göckede, M.
Long-Term Drainage Reduces CO2 Uptake and CH4 Emissions in a Siberian Permafrost Ecosystem
Global Biogeochemical Cycles 31, 1704-1717 (2017)
4.
Castro-Morales, K.; Kleinen, T.; Kaiser, S.; Zaehle, S.; Kittler, F.; Kwon, M.J.; Beer, C.; Göckede, M.
Year-round simulated methane emissions from a permafrost ecosystem in Northeast Siberia
Biogeosciences 15, 2691-2722 (2018)
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