Permafrost: Tauender Untergrund setzt Gifte, Mikroben und Klimagase frei

Wenn Permafrost taut, werden Bakterien und Mikroorganismen freigesetzt.

Wenn Permafrost taut, werden Bakterien und Mikroorganismen freigesetzt.

Potsdam. Permafrost gibt es in bis zu einem Viertel der Landfläche der nördlichen Hemisphäre – noch. Der Klimawandel bringt die gewaltige Tiefkühltruhe zum Tauen. Eine Konsequenz ist, dass über startende Zersetzungsprozesse im aufgetauten Boden Treibhausgase wie Methan freigesetzt werden. Doch im tauenden Grund lauern noch andere Gefahren: antibiotikaresistente Bakterien, über Jahrzehnte angesammelte Schadstoffe und radioaktive Abfälle aus dem Kalten Krieg zum Beispiel. Zudem bröckelt die Infrastruktur auf den eishaltigen Böden, die beim Auftauen nachgeben – wovon künftig auch die Gasversorgung Europas betroffen sein könnte, die zu einem guten Teil aus Permafrostregionen des arktischen Russlands kommt.

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Ungeachtet der Risiken werde in Permafrostregionen überraschend viel gebaut, sagt Guido Grosse vom Alfred-Wegener-Institut (AWI), Standort Potsdam. Dabei stiegen die Kosten zur Beseitigung von Schäden etwa an Straßen schon jetzt rapide. In Alaska werde für einige kleine Dörfer sogar bereits eine Umsiedlung diskutiert – für jede der Siedlungen stünden dabei Hunderte Millionen Dollar Kosten im Raum. „Und wir sind erst ganz am Anfang dieser Entwicklung.“

Wie stark sind Siedlungen bedroht?

Entlang arktischer Küsten wird nach wie vor weitere Infrastruktur unter anderem für die Öl- und Gasindustrie geschaffen, vor allem in Russland, aber auch in Kanada und den USA, wie Forschende um Annett Bartsch vom Austrian Polar Research Institute (APRI) kürzlich im Fachjournal „Environmental Research Letters“ erläuterten.

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In gut der Hälfte der erfassten vom Menschen beeinflussten Permafrostgebiete könnte die Bodentemperatur in zwei Metern Tiefe demnach jedoch bis zum Jahr 2050 über null Grad Celsius liegen. Umso dringlicher sei es, besser zu verstehen, wie stark Infrastruktur und Siedlungen durch das Auftauen des Untergrunds bedroht sind.

Permafrost aus der Eiszeit

Als Permafrost gilt für mindestens zwei Jahre durchgängig gefrorener Untergrund, darüber kann der Boden im Sommer auftauen. Der Großteil stammt noch aus der letzten Eiszeit oder hat sich direkt danach gebildet. Es gibt ihn in großen Teilen von Russland, Kanada, Alaska, China und Grönland, zudem in europäischen Hochgebirgen – auch in Deutschland. Hier allerdings nur auf der Zugspitze, während er etwa in Russland noch fast zwei Drittel der Fläche umfasst.

Allein in den arktischen Permafrostgebieten existieren einer im Januar 2021 veröffentlichten Studie zufolge mehr als 1100 Siedlungen, in denen insgesamt rund fünf Millionen Menschen leben – eine Million davon in Küstenorten. Bis zum Jahr 2050 könnten gut 40 Prozent der Siedlungen permafrostfrei werden, rund 3,3 Millionen Menschen wären betroffen, erläutert das Team um Justine Ramage vom Forschungsinstitut Nordregio in Stockholm im Fachjournal „Population and Environment“.

Schadstoffe werden freigesetzt

Im Fachjournal „Nature Climate Change“ präsentierte ein Team um Kimberley Miner vom Nasa Jet Propulsion Laboratory kürzlich eine Übersicht der drohenden Probleme. Dazu gehört, dass der Permafrost über lange Zeiträume ein Sammelbecken für vom Menschen freigesetzte Giftstoffe war – das könnte sich nun in vergleichsweise kurzer Zeit leeren, die Schadstoffe könnten über Wasser und Luft verteilt werden. Ökosysteme können sich in der Folge verändern, die Gesundheit von Tieren und Menschen beeinträchtigt werden.

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„Die Risiken der Schadstofffreisetzung werden komplett unterschätzt“, betont Grosse, Leiter der Sektion Permafrostforschung am AWI. Weil man sich lange nicht vorstellen konnte, dass der Permafrost wieder wegtauen könnte, sei er bei wirtschaftlichen oder militärischen Aktivitäten in der Arktis im 20. Jahrhundert als ideale Müllhalde angesehen worden. Gewaltige Mengen Industrieabfälle etwa von Bohrungen wurden dort ebenso verklappt wie radioaktiver Abfall, Mülldeponien wurden geschaffen, Atomwaffentests durchgeführt – nicht nur in Russland. „Für viele Regionen ist unbekannt, was da überhaupt liegt und wohin das Material gelangen wird, wenn es dort taut.“

Allein der jahrzehntelange Abbau von Metallen wie Arsen, Quecksilber und Nickel habe zu enormer Verschmutzung durch Abfälle auf zig Millionen Hektar geführt, schreibt das Team um Miner. Hinzu kämen – inzwischen teils verbotene – Schadstoffe und Chemikalien wie die Insektizide DDT (Dichlordiphenyltrichlorethan) und HCH (Hexachlorcyclohexan), die über die Atmosphäre in die Arktis gelangten und im Permafrost eingeschlossen wurden.

Persistente organische Schadstoffe (POP) wie DDT, HCH, polychlorierte Biphenyle (PCB) und Perfluoroktansulfonsäure (PFOS) können den Wissenschaftlern zufolge Krebs, angeborene Behinderungen und langfristige Gesundheitsprobleme verursachen, Schwermetalle wie Blei, Quecksilber und Cadmium Organschäden, Entwicklungsstörungen, Krebs und direkte Todesfälle. Es gebe erste Nachweise dafür, dass die im Laufe des letzten Jahrhunderts eingebrachten Substanzen zunehmend wieder aus dem Permafrost freigesetzt werden.

Die schlimmsten Auswirkungen bekannter Toxine auf Menschen lägen womöglich noch vor uns, so die Wissenschaftler. Betroffen sind zunächst Umwelt und Bevölkerung in direkter Umgebung – aber über den Fischfang, Wasserströme, die Atmosphäre und wandernde Tierarten wie Zugvögel gelangen die Substanzen auch in weiter entfernte Regionen.

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Das gilt nicht nur für die vielen chemischen Stoffe, sondern auch für radioaktives Material: Seit Beginn der Atomtests in den 1950er Jahren lagerten sich in der Arktis radioaktive Substanzen ab, mit zusätzlichen Einträgen durch Unfälle, Waffentests und absichtliche Verklappung von Atommüll, wie die Forschenden um Miner erläutern. Allein die Sowjetunion habe im Umfeld der Doppelinsel Nowaja Semlja zwischen 1955 und 1990 rund 130 Atomwaffentests durchgeführt.

Die USA wiederum hätten an der atombetriebenen, unter Eis gebauten und inzwischen verlassenen Militärbasis Camp Century in Grönland riesige Mengen radioaktive Abfälle und anderen gefährlichen Müll zurückgelassen. Das Eis des grönländischen Eisschilds – in diesem Fall Gletschereis, kein Permafrost – aber schwinde rasch. Es bleibe nur noch wenig Zeit für die Beseitigung, durch das fortschreitende Eindringen von Schmelzwasser könne das Material schon bald weit verstreut werden.

Mikroorganismen verursachen Krankheiten

Aus weitaus längerer Ruhe im Permafrost tauchen Mikroorganismen auf – mit unabsehbaren Folgen. Ein Vorfall im Nordosten Sibiriens zeigt die Brisanz. Dort starb 2016 auf der Jamal-Halbinsel ein Zwölfjähriger, mehr als 70 Menschen kamen ins Krankenhaus. Ursache waren Milzbranderreger, aufgenommen über das Fleisch kranker Rentiere. Mit steigenden Temperaturen sei das Bakterium aus dem Boden freigesetzt worden und habe zunächst Tiere infiziert, hieß es.

Und vor gut einem Jahrzehnt fanden Forschende in einem Dorf in der Permafrostregion Alaskas eine vor mehr als 75 Jahren begrabende Frau mit Viruspartikeln in der Lunge. Diese waren so gut erhalten, dass sich Erbmaterial des Erregers der Spanischen Grippe daraus extrahieren ließ – der Krankheit, die der Welt vor gut 100 Jahren eine schwere Pandemie bescherte.

Bakterien in tieferen Permafrostschichten sind meist nie mit modernen Antibiotika in Berührung gekommen – dagegen resistent machende Eigenschaften können sie aber dennoch zufällig besitzen. Gegen Mittel wie Chloramphenicol und Streptomycin resistente Bakterien wurden bereits in Permafrostböden gefunden, wie das Team um Miner berichtet. „Wir wissen nur sehr wenig darüber, welche Art von Extremophilen – Mikroben, die über lange Zeit unter sehr unterschiedlichen Bedingungen leben – das Potenzial haben, wieder aufzutauchen“, erklärt die Nasa-Forscherin. Sie hätten sich mit Lebewesen wie etwa Riesenfaultieren oder Mammuts gemeinsam entwickelt, „und wir haben keine Ahnung, was sie anrichten könnten, wenn sie in unsere Ökosysteme freigesetzt werden“.

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Der Klimawandel als Kettenreaktion

Ein weiterer Faktor ist der Klimawandel. Eine selbstverstärkende und irreversible Rückkopplung nimmt gerade ihren Lauf: Während und seit der letzten Eiszeit wurden gigantische Mengen organischer Tier- und Pflanzenreste im Permafrost eingefroren. Unfassbare 850 Gigatonnen (Milliarden Tonnen) Kohlenstoff sind dort auf diese Weise direkt im Permafrost gebunden, wie AWI-Experte Grosse erklärt. Das sei in etwa so viel wie in der Atmosphäre, wo die Menge allerdings durch unsere eigenen Emissionen rapide steige. In der gesamten lebenden Biomasse weltweit seien hingegen nur etwa 550 Gigatonnen Kohlenstoff gebunden.

„Der Permafrostkohlenstoff sollte also unbedingt im Boden bleiben, mit mehr Vegetation ließe sich sein Freiwerden keinesfalls auffangen“, betont Grosse. Doch wenn der Permafrost taut, beginnen Mikroorganismen das enthaltene organische Material abzubauen. Bei diesen Zersetzungsvorgängen gelangen die Treibhausgase Kohlendioxid und Methan in die Atmosphäre. Der Klimawandel wird dadurch weiter beschleunigt, wodurch wiederum der Permafrost noch stärker taut – eine nicht zu stoppende Rückkopplung. Gefördert wird das Geschehen noch durch die im Zuge des Klimawandels vermehrt und heftiger wütenden Waldbrände, wie es sie in diesem Jahr in bisher unbekanntem Ausmaß in Russland und Kanada gab.

Permafrost kann bis zu etwa eineinhalb Kilometer in die Tiefe reichen, besteht aus Gestein, Sedimenten oder Erde und enthält unterschiedlich große Mengen Eis, das die Schicht wie Zement zusammenbindet. Darüber liegt eine oft etwa 30 bis 200 Zentimeter dicke Auftauschicht aus Boden, die im Sommer taut und im Winter wieder gefriert.

Brennt der Wald, geht die schützende Vegetationsschicht auf der Auftauschicht verloren und die Sommerhitze kann tiefer in den Boden vordringen – was das Tauen beschleunigt, die Auftauschicht vertieft, und bisher dauerhaft gefrorenen Kohlenstoff freisetzt. Mehr Schnee im Winter im Zuge des Klimawandels wiederum bedeutet Grosse zufolge, dass die Winterkälte vom Boden abgeschirmt wird und nicht mehr so tief eindringen kann, was ebenfalls zu tieferem Auftauen führt.

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Das ist umso problematischer, als der Klimawandel Regionen mit Dauerfrostböden meist deutlich stärker trifft als viele andere Erdteile: Die Erwärmung schreite in arktischen Regionen mehr als doppelt so schnell voran wie im globalen Mittel, so Grosse. Bis zum Ende des Jahrhunderts könne dort ein Plus von acht Grad erreicht werden. Bis dahin könnten in arktischen Regionen dadurch bis zu zwei Drittel des oberflächennahen Permafrosts verschwunden sein.

Das Problem mit der Wasserversorgung

Die Grenze der Auftauschicht habe sich bereits einige bis dutzende Zentimeter tiefer in den Permafrost hinein verschoben, sagt Grosse. Das klinge nicht nach viel, man müsse aber berücksichtigen, dass das auf einer gewaltigen, zig Millionen Quadratkilometer umfassenden Fläche passiere und Prognosen zufolge könne die Grenze sich noch in diesem Jahrhundert um mehrere Meter nach unten verlagern. Ein kaum vorstellbares Volumen an tauender Tiefkühltruhe.

Angesichts der tauenden Böden hoffen einige Experten auf landwirtschaftlich nutzbare Gebiete im Norden Kanadas, in Alaska und in Sibirien. Grosse ist da skeptisch: „Aus Permafrost wird nicht einfach so nutzbarer Boden.“ In Zentral-Jakutien etwa wurden demnach von der Sowjetunion im 20. Jahrhundert gezielt Flächen in den von Permafrost unterlagerten Taigaregionen entwaldet, um sie für die Landwirtschaft verfügbar zu machen – viel davon sei längst wieder aufgegeben worden. Das Problem: Ungleichmäßig verteiltes Eis im Untergrund sorgt beim Schmelzen für Verwerfungen. „Eine unbearbeitbare Buckelpiste oder sogar kleine Seen entstehen.“

Ein weiteres Problem könne die Wasserversorgung sein. Viele der Permafrostregionen seien eigentlich klimatisch gesehen Halbwüsten, es falle dort gerade im Sommer wenig Niederschlag. Die derzeit vorhandenen Feuchtgebiete und Seen gibt es dem AWI-Forscher zufolge vor allem, weil der Permafrost eine Barriere für das Oberflächenwasser bildet – taut er tiefgründig auf, versickert das Wasser und die Reservoire verschwinden. Und im Zuge des Klimawandels verschlimmert sich der sommerliche Wassermangel noch.

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Mehr Fischfang in arktischen Gewässern, die Chance auf neue Agrarflächen – es gebe mitunter ein Klammern an solche möglichen positiven Aspekte schwindenden Permafrosts, sagt Grosse. „Das Gesamtbild ist aber leider ein ganz anderes.“

RND/dpa

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