Der Klimawandel verändert die Arktis schneller als fast jede andere Region der Erde. Besonders stark betroffen ist der Permafrostboden. Dabei handelt es sich um Böden, die normalerweise ganzjährig gefroren bleiben. In Nordschweden, Sibirien, Alaska oder Kanada taut dieser Boden inzwischen jedoch immer häufiger auf.
Permafrostboden taut auf: Neue Pflanzen verstärken den Klimawandel
Was zunächst wie ein rein geologischer Prozess klingt, hat enorme Auswirkungen auf das Klima. Denn mit dem Auftauen verändert sich nicht nur der Boden selbst. Auch die Vegetation auf dem Permafrostboden wandelt sich deutlich. Langsam wachsende Sträucher verschwinden, während Gräser und Seggen die Flächen übernehmen. Genau diese Veränderung kann die Emission von Treibhausgasen deutlich erhöhen.
Ein Forschungsteam der Universität Tübingen hat untersucht, wie stark dieser Effekt tatsächlich ist. Die Ergebnisse zeigen: Zwar binden die neuen Pflanzenarten zunächst mehr Kohlendioxid, langfristig führen sie jedoch zu deutlich höheren Methanemissionen. Dadurch wird der Permafrostboden vom Kohlenstoffspeicher zur zusätzlichen Quelle für Treibhausgase.
- Im auftauenden Permafrostboden verändern sich die Pflanzenarten.
- Sträucher und Moose werden zunehmend von Gräsern verdrängt.
- Diese Gräser fördern die Entstehung von Methan.
- Methan wirkt deutlich stärker auf das Klima als Kohlendioxid.
- Dadurch steigen die gesamten Treibhausgasemissionen erheblich an.
Was ist Permafrostboden?
Permafrostboden ist dauerhaft gefrorener Boden, der mindestens zwei Jahre in Folge Temperaturen unter null Grad Celsius aufweist. Große Permafrostgebiete befinden sich in:
- Nordschweden
- Alaska
- Kanada
- Grönland
- Sibirien
Diese Böden enthalten enorme Mengen organischer Substanz. Über Jahrtausende hinweg wurden Pflanzenreste, Torf und andere organische Materialien konserviert, weil sie im gefrorenen Zustand kaum zersetzt werden konnten.
Schätzungen zufolge speichern Permafrostböden fast die Hälfte des weltweit im Boden gebundenen Kohlenstoffs. Genau deshalb gelten sie als besonders wichtiger Faktor im globalen Klimasystem.
Solange der Boden gefroren bleibt, bleiben auch die darin enthaltenen Kohlenstoffvorräte eingeschlossen. Taut der Permafrostboden auf, beginnen Mikroorganismen damit, die organischen Stoffe zu zersetzen. Dabei entstehen Kohlendioxid und Methan.
Warum verändert sich die Vegetation auf dem Permafrostboden?
Mit steigenden Temperaturen taut der Boden zunehmend auf. Dadurch verändert sich auch der Wasserhaushalt. Viele ehemals trockene Flächen werden feucht oder sogar sumpfig.
Im schwedischen Stordalen-Moor, das nahe der Ortschaft Abisko liegt, lässt sich dieser Prozess besonders gut beobachten. Dort bestehen die Landschaften ursprünglich aus trockenen Torfhügeln. Diese liegen auf einer gefrorenen Bodenschicht, sodass Wasser abfließen kann.
Wenn das Bodeneis schmilzt, funktioniert dieser Wasserabfluss nicht mehr richtig. Die Flächen werden feuchter. Aus den trockenen Torfhügeln entstehen erst Moore und später sogar nasse Marschlandschaften.
Dadurch verändern sich auch die Pflanzenarten:
- Auf trockenem Permafrost wachsen langsam wachsende Sträucher wie Zwergbirke oder Rosmarinheide.
- In feuchteren Bereichen breiten sich zunächst Torfmoose aus.
- Wird der Boden noch nasser, dominieren schließlich Gräser, Wollgräser und Seggen.
Genau diese Entwicklung stand im Mittelpunkt der aktuellen Untersuchung der Universität Tübingen.
Die Studie aus Nordschweden: Was wurde untersucht?
Das Forschungsteam untersuchte das Stordalen-Moor in Nordschweden über eine gesamte Vegetationsperiode hinweg. Ziel war es, herauszufinden, wie sich unterschiedliche Pflanzengemeinschaften auf die Treibhausgasbilanz auswirken.
Dafür verglichen die Forschenden drei verschiedene Zustände des Permafrostbodens:
- Trockene Torfhügel mit Sträuchern
- Feuchte Moore mit Torfmoosen
- Nasse Marschen mit Gräsern und Seggen
Gemessen wurden unter anderem:
- Die Menge an Kohlendioxid, die Pflanzen aufnehmen
- Die Freisetzung von Methan und Kohlendioxid
- Die Stoffe, die Pflanzen über ihre Wurzeln in den Boden abgeben
- Die Aktivität von Mikroorganismen im Boden
- Veränderungen im Verlauf der Jahreszeiten
Die Ergebnisse wurden anschließend miteinander verglichen.
Wie Pflanzen die Treibhausgasemissionen beeinflussen
Pflanzen nehmen bei der Fotosynthese Kohlendioxid aus der Luft auf. Dadurch wirken sie grundsätzlich zunächst klimafreundlich. Allerdings geben Pflanzen auch Stoffe über ihre Wurzeln in den Boden ab. Dazu gehören zum Beispiel Zucker oder Aminosäuren.
Diese Stoffe dienen Mikroorganismen im Boden als Nahrung. Vor allem in nassen, sauerstoffarmen Böden können bestimmte Mikroben daraus Methan erzeugen.
Methan ist ein besonders starkes Treibhausgas. Über einen Zeitraum von 20 Jahren wirkt Methan etwa 80-mal stärker auf die Erderwärmung als Kohlendioxid.
- Kohlendioxid bleibt lange in der Atmosphäre.
- Methan wirkt kurzfristig deutlich stärker.
- Schon kleine Mengen Methan können große Klimawirkungen haben.
- Deshalb ist die Methanfreisetzung aus auftauendem Permafrostboden besonders problematisch.
Warum Gräser besonders viel Methan fördern
Die Untersuchung zeigte, dass vor allem Gräser und Seggen die Methanbildung fördern. Dafür gibt es mehrere Gründe:
- Gräser wachsen schneller und produzieren mehr Biomasse.
- Sie geben größere Mengen organischer Stoffe an den Boden ab.
- Ihre Wurzeln reichen oft tiefer in die nassen Bodenschichten.
- Sie transportieren Methan teilweise direkt aus dem Boden in die Atmosphäre.
Dadurch entstehen in den nassen Marschflächen deutlich höhere Methanemissionen als in den ursprünglichen Torfhügeln.
Von der Kohlenstoffsenke zur Kohlenstoffquelle
Lange Zeit galten arktische Moore und Permafrostlandschaften als sogenannte Kohlenstoffsenken. Das bedeutet: Sie nahmen mehr Kohlenstoff auf, als sie freisetzten.
Durch den Klimawandel kann sich dieses Verhältnis jedoch umkehren. Die Studie zeigt deutlich, dass auftauender Permafrostboden immer stärker zur Kohlenstoffquelle wird.
Besonders problematisch ist, dass die Gräser im Sommer zwar viel Kohlendioxid binden, dieser positive Effekt später aber durch die Methanemissionen mehr als aufgehoben wird.
Im Spätsommer und Herbst verschärft sich die Situation zusätzlich:
- Die Fotosynthese nimmt ab.
- Die Pflanzen sterben teilweise ab.
- Abgestorbenes Pflanzenmaterial wird zersetzt.
- Dabei werden zusätzlich Kohlendioxid und Methan freigesetzt.
Nach Angaben der Forschenden stiegen die Treibhausgasemissionen im Herbst auf das Neunfache der ursprünglichen Werte.
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Warum die Jahreszeit eine entscheidende Rolle spielt
Viele frühere Klimamodelle betrachteten lediglich Durchschnittswerte über das ganze Jahr. Die neue Untersuchung macht jedoch deutlich, dass der Zeitpunkt entscheidend ist.
Im Frühsommer wirken die Gräser zunächst positiv, weil sie viel Kohlendioxid aufnehmen. Im Laufe des Sommers verschiebt sich die Bilanz jedoch zunehmend.
Frühsommer
- Starke Fotosynthese
- Hohe CO2-Aufnahme
- Noch relativ geringe Methanemissionen
Hochsommer
- Weiterhin hohe CO2-Aufnahme
- Steigende Methanemissionen
- Wachsende Aktivität der Mikroorganismen
Spätsommer und Herbst
- Fotosynthese sinkt
- Methanemissionen erreichen ihren Höhepunkt
- Zusätzliche CO2-Freisetzung durch absterbende Pflanzen
Gerade diese saisonalen Unterschiede machen deutlich, warum sich die Vegetationsveränderung auf dem Permafrostboden so stark auf das Klima auswirkt.
Welche Mikroorganismen dabei eine Rolle spielen
Die eigentlichen Produzenten des Methans sind Mikroorganismen im Boden. Vor allem sogenannte methanogene Archaeen spielen hier eine wichtige Rolle. Das sind winzige Einzeller, die in sauerstoffarmen Umgebungen leben.
Sie nutzen die Stoffe, die von den Pflanzenwurzeln stammen, als Nahrung. Je mehr leicht verfügbare Stoffe vorhanden sind, desto mehr Methan können diese Mikroorganismen bilden.
In nassen Moorböden fehlen oft größere Mengen Sauerstoff. Genau dort fühlen sich die Methanbildner besonders wohl.
Es entsteht also eine Kettenreaktion:
- Der Permafrostboden taut auf.
- Die Landschaft wird feuchter.
- Gräser breiten sich aus.
- Die Pflanzen geben mehr Stoffe an den Boden ab.
- Mikroorganismen produzieren mehr Methan.
- Das Methan verstärkt den Klimawandel.
Warum das für den globalen Klimawandel relevant ist
Die Ergebnisse aus Nordschweden sind nicht nur für diese Region wichtig. Ähnliche Entwicklungen finden derzeit in vielen Permafrostgebieten der Erde statt.
Wenn große Flächen von Sträuchern zu grasreichen Mooren werden, könnte die Freisetzung von Treibhausgasen weltweit deutlich stärker steigen als bisher angenommen.
Für die Klimaforschung bedeutet das:
- Klimamodelle müssen die Vegetationsveränderung stärker berücksichtigen.
- Die Methanfreisetzung darf nicht unterschätzt werden.
- Der saisonale Verlauf muss in Berechnungen einfließen.
Die Untersuchung zeigt, dass nicht nur das Auftauen des Permafrosts selbst problematisch ist. Entscheidend ist auch, welche Pflanzen anschließend auf diesen Flächen wachsen. Besonders Gräser können die Klimawirkung deutlich verstärken.
Für wen sind diese Erkenntnisse wichtig?
Die Ergebnisse betreffen verschiedene Gruppen:
Klimaforschung
Forschende erhalten neue Daten, um zukünftige Entwicklungen realistischer einzuschätzen.
Politik
Politische Entscheidungen zum Klimaschutz müssen berücksichtigen, dass Permafrostgebiete zusätzliche Treibhausgasquellen werden könnten.
Umweltschutz
Organisationen und Naturschutzprojekte können empfindliche Moor- und Permafrostregionen gezielter überwachen.
Öffentlichkeit
Für die Gesellschaft wird deutlich, dass der Klimawandel oft komplexe Folgen hat. Selbst Pflanzen, die zunächst positiv erscheinen, können langfristig negative Auswirkungen haben.
Rechtliche und politische Einordnung
Rechtlich gibt es bislang keine direkten internationalen Regelungen speziell zum Schutz auftauender Permafrostgebiete. Dennoch spielen diese Regionen in mehreren Abkommen eine Rolle.
Dazu gehören unter anderem:
- Das Pariser Klimaabkommen
- Internationale Vereinbarungen zum Schutz arktischer Regionen
- Nationale Klimaschutzprogramme
- EU-Klimastrategien
Das Problem: Viele bisherige Emissionsziele berücksichtigen die zusätzlichen Treibhausgase aus auftauendem Permafrostboden nur unzureichend.
Dadurch besteht die Gefahr, dass die tatsächliche Erwärmung künftig stärker ausfällt als in bisherigen Prognosen.
Welche Grenzen die Forschung noch hat
Auch wenn die Ergebnisse sehr deutlich sind, gibt es weiterhin offene Fragen.
- Die Studie bezieht sich auf ein bestimmtes Moorgebiet in Schweden.
- Andere Regionen könnten sich teilweise anders entwickeln.
- Langfristige Veränderungen über mehrere Jahrzehnte sind noch schwer vorherzusagen.
- Auch Niederschläge, Temperaturanstieg und andere Pflanzenarten beeinflussen die Entwicklung.
Die Forschenden gehen jedoch davon aus, dass ähnliche Prozesse in vielen anderen Permafrostregionen auftreten dürften.
Medizinische Grenzen und indirekte Folgen für den Menschen
Die Studie selbst untersucht keine direkten gesundheitlichen Auswirkungen. Trotzdem gibt es indirekte Folgen für den Menschen.
Wenn mehr Methan und Kohlendioxid freigesetzt werden, steigt die globale Erwärmung weiter an. Das kann wiederum gesundheitliche Risiken verstärken:
- Häufigere Hitzewellen
- Mehr Waldbrände
- Steigende Belastung durch Luftverschmutzung
- Veränderungen bei Infektionskrankheiten
- Psychische Belastungen durch Umweltveränderungen
Wichtig ist jedoch die Einordnung: Die Vegetationsveränderung auf Permafrostboden ist nur ein Baustein im gesamten Klimasystem. Sie allein verursacht den Klimawandel nicht, kann ihn aber deutlich beschleunigen.
Praktisches Beispiel: Warum ein grünes Moor nicht automatisch klimafreundlich ist
Viele Menschen verbinden grüne Landschaften automatisch mit Klimaschutz. Im Fall auftauender Permafrostgebiete stimmt das jedoch nur bedingt.
Ein dicht bewachsenes Moor mit vielen Gräsern sieht zwar lebendig und gesund aus. Tatsächlich kann es aber mehr Methan freisetzen als eine trockene, scheinbar weniger grüne Fläche.
Das zeigt, wie wichtig eine differenzierte Betrachtung ist. Nicht jede Pflanze wirkt automatisch positiv auf das Klima. Entscheidend ist, wie sie mit dem Boden und den Mikroorganismen zusammenwirkt.
Zusammenfassung: Warum auftauender Permafrostboden ein Warnsignal ist
Die neue Studie der Universität Tübingen liefert wichtige Erkenntnisse zum Zusammenhang zwischen Vegetation und Klimawandel. Wenn Permafrostboden auftaut, verändern sich die Pflanzenarten. Gräser und Seggen verdrängen Sträucher und Moose.
Diese neuen Pflanzen nehmen zwar zunächst mehr Kohlendioxid auf. Gleichzeitig fördern sie aber die Bildung von Methan in nassen Böden. Vor allem im Spätsommer und Herbst steigen die Treibhausgasemissionen dadurch stark an.
Der Permafrostboden wird dadurch zunehmend von einer Kohlenstoffsenke zu einer Kohlenstoffquelle. Für Klimamodelle, Umweltpolitik und den globalen Klimaschutz ist dieses Wissen von großer Bedeutung.
Die wichtigste Erkenntnis lautet: Nicht nur das Auftauen des Permafrosts selbst ist problematisch. Auch die Pflanzen, die danach wachsen, können den Klimawandel zusätzlich beschleunigen.
Quelle / Infos / Pressemitteilung: https://idw-online.de/de/news868311 und https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.70783
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Autor und Bild: Chad Gregor Paul Thiele
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