Methan im Permafrost: Unterschied zwischen den Versionen

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[[Bild:Permafrostprofil.gif|thumb|420px|Profil der Permafrostzone in Alaska zwischen 60° und 70° n.Br. ]]
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== Veränderung der Permafrostgebiete ==
25% der Landgebiete der nördlichen Hemisphäre sind von [[Permafrost]] eingenommen. Gegenwärtig bedeckt der Permafrost weltweit ungefähr 30 Mio. km<sup>2</sup>, wovon sich 13-18 Mio. km<sup>2</sup> in der Arktis, 1 Mio. km<sup>2</sup> im Hochland von Tibet und 16-21 km<sup>2</sup> unter dem Meeresboden in arktischen Schelfgebieten befinden. 1 Mio. km<sup>2</sup> sind von Yedoma-Permafrost eingenommen, einem bis 40 m und mehr tiefreichenden gefrorenen Boden, der während des Eiszeitalters gebildet wurde. In den oberen drei Metern hat sich der Permafrost in jüngster Zeit um ca. 0,4 °C pro Jahrzehnt erwärmt, wodurch der Permafrost sich in Feuchtgebiete umwandelt. Ein typisches Lanschaftsmerkmal sind daher Thermokarstseen, die bei dem Auftauen von Permafrost entstehen und gegenwärtig rund 1 Mio. km<sup>2</sup> bedecken. Modellsimulationen gehen von einem Permafrost-Verlust von 3-5 Mio. km<sup>2</sup> bis 2100 nach einem mittleren Szenario aus.<ref name="Miner 2022">Miner, K.R., Turetsky, M.R., Malina, E. et al. (2022): Permafrost carbon emissions in a changing Arctic. Nat Rev Earth Environ 3, 55–67 (2022). https://doi.org/10.1038/s43017-021-00230-3</ref>
== Auftauen von Permafrost ==
== Auftauen von Permafrost ==
Besondere Verhältnisse herrschen in den [[Permafrost|Permafrostböden]] der hohen Breiten vor allem der Nordhalbkugel. In Gebieten, in denen die Temperatur über mehrere Jahre unter 0 °C liegt, bildet sich dauerhaft gefrorener Boden, der so genannte Permafrost. In den letzten Jahrzehnten ist die Temperatur im Permafrost der Nordhalbkugel um 2-3° C gestiegen.<ref>ACIA (2005): [http://www.acia.uaf.edu/ Arctic Climate Impact Assessment 2005], Chapter 6: Cryosphere and Hydrology</ref>  Die Folgen der [[Aktuelle Klimaänderungen|Erwärmung]] sind in vielen Gebieten eine Verringerung der räumlichen Ausdehnung der Permafrostgebiete und der Mächtigkeit des dauerhaft gefrorenen Bodens sowie eine Vertiefung des über dem Permafrost liegenden Auftaubodens. [[Klimamodelle|Modellprojektionen]] ergeben eine Verringerung der Permafrostgebiete der Nordhemisphäre bis 2080 um ca. ein Drittel. Die Ausdehnung der zusammenhängenden Permafrostzone von gegenwärtig 10,5 km<sup>2</sup> könnte sich sogar auf etwa 1 Million km<sup>2</sup> reduzieren. Außerdem wird die saisonale Tiefe des Auftaubodens um bis zu 50% und mehr zunehmen.<ref>Lawrence, D.M., and A.G. Slater (2005): A projection of severe near-surface permafrost degradation during the 21st century, Geophys. Res. Lett., 32</ref>


Besondere Verhältnisse herrschen in den [[Permafrost|Permafrostböden]] der hohen Breiten vor allem der Nordhalbkugel. In Gebieten, in denen die Temperatur über mehrere Jahre unter 0 °C liegt, bildet sich dauerhaft gefrorener Boden, der so genannte Permafrost. In den letzten Jahrzehnten ist die Temperatur im Permafrost der Nordhalbkugel um 2-3° C gestiegen.<ref>ACIA (2005): [http://www.acia.uaf.edu/ Arctic Climate Impact Assessment 2005], Chapter 6: Cryosphere and Hydrology</ref> Die Folgen der [[Aktuelle Klimaänderungen|Erwärmung]] sind in vielen Gebieten eine Verringerung der räumlichen Ausdehnung der Permafrostgebiete und der Mächtigkeit des dauerhaft gefrorenen Bodens sowie eine Vertiefung des über dem Permafrost liegenden Auftaubodens. [[Klimamodelle|Modellprojektionen]] ergeben eine Verringerung der Permafrostgebiete der Nordhemisphäre bis 2080 um ca. ein Drittel. Die Ausdehnung der zusammenhängenden Permafrostzone von gegenwärtig 10,5 km2 könnte sich sogar auf etwa 1 Million km<sup>2</sup> reduzieren. Außerdem wird die saisonale Tiefe des Auftaubodens um bis zu 50% und mehr zunehmen.<ref>Lawrence, D.M., and A.G. Slater (2005): A projection of severe near-surface permafrost degradation during the 21st century, Geophys. Res. Lett., 32</ref>
== Kohlenstoffgehalt ==
Permafrostgebiete speichern auf 15% der globalen Bodenfläche 60% des weltweiten Boden-Kohlenstoffs. Der arktische Permafrost enthält auf 25% der Fläche der Nordhalbkugel ca. 1.700 Mrd. t Kohlenstoff.<ref name="Miner 2022" /> Im Boden der Permafrostregion befindet sich damit doppelt so viel Kohlenstoff wie in der Atmosphäre. Organischer Kohlenstoff ist besonders gespeichert in wassergesättigten Sümpfen, ebenso in mineralischen Permafrostböden unterhalb von 1 m. Aber auch unterhalb von 3 m gibt es Permafrost-Kohlenstoff. In den tieferen Yedoma-Schichten in Alaska und Sibirien wird er auf 327-466 PgC geschätzt, in den arktischen Flussdeltas auf ca. 96 PgC. Hinzu kommen ~560 PgC im untermeerischen Permafrost der Arktis, der ebenfalls während der letzten Eiszeit, als der Meeresspiegel deutlich tiefer lag, gebildet wurde.<ref name="Schuur 2022">Schuur, E.A.G., B.W. Abbott, R. Commane et al. (2022): [https://doi.org/10.1146/annurev-environ-012220-011847 Permafrost and Climate Change: Carbon Cycle Feedbacks From the Warming Arctic.] Annual Review of Environment and Resources, 47(1), 343–371</ref>  
 
Die natürlichen Ökosysteme der nördlichen Permafrostregionen wie Feuchtgebiete und boreale Wälder sind eine Netto-Senke für CO<sub>2</sub>. Dem gegenüber steht eine Netto-Quelle für CH<sub>4</sub> durch Emissionen aus Feuchtgebieten und Gewässern im Binnenland. Bezogen auf das Gewicht sind die nördlichen Permafrostregionen insgesamt eine Kohlenstoffsenke. Bezogen auf das Treibhausgaspotential der einzelnen Gase (CO<sub>2</sub>=1, CH<sub>4</sub>=28), das sich auf den [[Strahlungsantrieb]] von Kohlendioxid und Methan bezieht, sind sie eine Quelle. Modellsimulationen zeigen, dass die Emissionen aus natürlichen Ökosystemen und anthropogenen Quellen in der nördlichen Permafrostregion eine Treibhausgasquelle von 147 Tg CO<sub>2</sub>Äq/Jahr sind – zusammengesetzt aus einer CO<sub>2</sub>-Senke von -237 Tg CO<sub>2</sub>Äq/Jahr und einer CH<sub>4</sub>-Quelle von 343 Tg CO<sub>2</sub>Äq/Jahr.<ref name="Hugelius 2023">Hugelius, G., J.L. Ramage, E.J. Burke et al. (2023): Two decades of permafrost region CO2, CH4, and N2O budgets suggest a small net greenhouse gas source to the atmosphere. ESS Open Archive. DOI: 10.22541/essoar.169444320.01914726/v1</ref>  


== Kohlenstoffemissionen ==
== Kohlenstoffemissionen ==
Wenn Permafrost im Sommer oberflächlich auftaut, wird bei der Zersetzung von organischem Material [[Kohlendioxid]] gebildet und unter anaeroben Bedingungen, z.B. unter der Wasseroberfläche, [[Methan]] (CH<sub>4</sub>). Beim nächsten Gefrieren werden beide Kohlenstoffverbindungen im gefrorenen Boden gespeichert. Die gesamte im Permafrost der Nordhalbkugel gespeicherte Menge an Kohlenstoff wird auf etwa 1000 Gigatonnen<ref>Eine Gigatonne entspricht einer Milliarde (10<sup>9</sup>) Tonnen oder einer Billion (10<sup>12</sup>) Kilogramm.</ref> C geschätzt,<ref>Zimov, S.A., E.A.G. Schuur, and F.S. Chapin III (2006): Permafrost and the Global Carbon Budget, Science 312, 1612-1613</ref> nach neueren Schätzungen sogar auf 1672 Gigatonnen und damit auf die Hälfte des weltweiten Kohlenstoffs im Boden.<ref>Tarnocai, C., et al: (2009): Soil organic carbon pools in the northern circumpolar permafrost region, Global Biochemical Cycles 23, doi:10.1029/2008GB003327</ref>  Schon heute ist der Permafrost eine Netto-Quelle für Methan (d.h. die Emission übertrifft die Speicherung), während er für CO<sub>2</sub> noch eine Senke ist.<ref>Anisimov, O. A. (2007): Potential feedback of thawing permafrost to the global climate system through methane emission, Environ Res Lett, 2(4)</ref> Nach regionalen Messungen zwischen 1970 bis 2000 hat die Kohlenstoff-Emission um 22-66 % zugenommen.<ref>Christensen T R, Johansson T R, Akerman H J, Mastepanov M, Malmer N, Friborg T, Crill P and Svensson B H (2004): Thawing sub-arctic permafrost: effects on vegetation and methane emissions Geophys. Res. Lett. 31 (4)</ref>  Dieser Prozess wird sich wahrscheinlich im 21. Jahrhundert fortsetzen, wodurch dann auch die globale Erwärmung verstärkt wird. Allerdings warnen Forscher auch vor Katastrophenszenarien, da die Prozesse der Methanfreisetzung sehr langsam ablaufen.<ref>R.A. Kerr (2010): 'Arctic Amageddon' Needs More Science, Less Hype, Science 329, 620-621</ref>
Wenn Permafrost im Sommer oberflächlich auftaut, wird bei der Zersetzung von organischem Material [[Kohlendioxid]] gebildet und unter anaeroben Bedingungen, z.B. unter der Wasseroberfläche, [[Methan]] (CH<sub>4</sub>). Beim nächsten Gefrieren werden beide Kohlenstoffverbindungen im gefrorenen Boden gespeichert. Die gesamte im Permafrost der Nordhalbkugel gespeicherte Menge an Kohlenstoff wird auf etwa 1000 Gigatonnen<ref>Eine Gigatonne entspricht einer Milliarde (10<sup>9</sup>) Tonnen oder einer Billion (10<sup>12</sup>) Kilogramm.</ref> C geschätzt,<ref>Zimov, S.A., E.A.G. Schuur, and F.S. Chapin III (2006): Permafrost and the Global Carbon Budget, Science 312, 1612-1613</ref> nach neueren Schätzungen sogar auf 1672 Gigatonnen und damit auf die Hälfte des weltweiten Kohlenstoffs im Boden.<ref>Tarnocai, C., et al: (2009): Soil organic carbon pools in the northern circumpolar permafrost region, Global Biochemical Cycles 23, doi:10.1029/2008GB003327</ref>  Schon heute ist der Permafrost eine Netto-Quelle für Methan (d.h. die Emission übertrifft die Speicherung), während er für CO<sub>2</sub> noch eine Senke ist.<ref>Anisimov, O. A. (2007): Potential feedback of thawing permafrost to the global climate system through methane emission, Environ Res Lett, 2(4)</ref> Nach regionalen Messungen zwischen 1970 bis 2000 hat die Kohlenstoff-Emission um 22-66 % zugenommen.<ref>Christensen T R, Johansson T R, Akerman H J, Mastepanov M, Malmer N, Friborg T, Crill P and Svensson B H (2004): Thawing sub-arctic permafrost: effects on vegetation and methane emissions Geophys. Res. Lett. 31 (4)</ref>  Dieser Prozess wird sich wahrscheinlich im 21. Jahrhundert fortsetzen, wodurch dann auch die globale Erwärmung verstärkt wird. Allerdings warnen Forscher auch vor Katastrophenszenarien, da die Prozesse der Methanfreisetzung sehr langsam ablaufen.<ref>R.A. Kerr (2010): 'Arctic Amageddon' Needs More Science, Less Hype, Science 329, 620-621</ref>


Version vom 26. Januar 2024, 21:56 Uhr

Profil der Permafrostzone in Alaska zwischen 60° und 70° n.Br.

Veränderung der Permafrostgebiete

25% der Landgebiete der nördlichen Hemisphäre sind von Permafrost eingenommen. Gegenwärtig bedeckt der Permafrost weltweit ungefähr 30 Mio. km2, wovon sich 13-18 Mio. km2 in der Arktis, 1 Mio. km2 im Hochland von Tibet und 16-21 km2 unter dem Meeresboden in arktischen Schelfgebieten befinden. 1 Mio. km2 sind von Yedoma-Permafrost eingenommen, einem bis 40 m und mehr tiefreichenden gefrorenen Boden, der während des Eiszeitalters gebildet wurde. In den oberen drei Metern hat sich der Permafrost in jüngster Zeit um ca. 0,4 °C pro Jahrzehnt erwärmt, wodurch der Permafrost sich in Feuchtgebiete umwandelt. Ein typisches Lanschaftsmerkmal sind daher Thermokarstseen, die bei dem Auftauen von Permafrost entstehen und gegenwärtig rund 1 Mio. km2 bedecken. Modellsimulationen gehen von einem Permafrost-Verlust von 3-5 Mio. km2 bis 2100 nach einem mittleren Szenario aus.[1]

Auftauen von Permafrost

Besondere Verhältnisse herrschen in den Permafrostböden der hohen Breiten vor allem der Nordhalbkugel. In Gebieten, in denen die Temperatur über mehrere Jahre unter 0 °C liegt, bildet sich dauerhaft gefrorener Boden, der so genannte Permafrost. In den letzten Jahrzehnten ist die Temperatur im Permafrost der Nordhalbkugel um 2-3° C gestiegen.[2] Die Folgen der Erwärmung sind in vielen Gebieten eine Verringerung der räumlichen Ausdehnung der Permafrostgebiete und der Mächtigkeit des dauerhaft gefrorenen Bodens sowie eine Vertiefung des über dem Permafrost liegenden Auftaubodens. Modellprojektionen ergeben eine Verringerung der Permafrostgebiete der Nordhemisphäre bis 2080 um ca. ein Drittel. Die Ausdehnung der zusammenhängenden Permafrostzone von gegenwärtig 10,5 km2 könnte sich sogar auf etwa 1 Million km2 reduzieren. Außerdem wird die saisonale Tiefe des Auftaubodens um bis zu 50% und mehr zunehmen.[3]

Kohlenstoffgehalt

Permafrostgebiete speichern auf 15% der globalen Bodenfläche 60% des weltweiten Boden-Kohlenstoffs. Der arktische Permafrost enthält auf 25% der Fläche der Nordhalbkugel ca. 1.700 Mrd. t Kohlenstoff.[1] Im Boden der Permafrostregion befindet sich damit doppelt so viel Kohlenstoff wie in der Atmosphäre. Organischer Kohlenstoff ist besonders gespeichert in wassergesättigten Sümpfen, ebenso in mineralischen Permafrostböden unterhalb von 1 m. Aber auch unterhalb von 3 m gibt es Permafrost-Kohlenstoff. In den tieferen Yedoma-Schichten in Alaska und Sibirien wird er auf 327-466 PgC geschätzt, in den arktischen Flussdeltas auf ca. 96 PgC. Hinzu kommen ~560 PgC im untermeerischen Permafrost der Arktis, der ebenfalls während der letzten Eiszeit, als der Meeresspiegel deutlich tiefer lag, gebildet wurde.[4]

Die natürlichen Ökosysteme der nördlichen Permafrostregionen wie Feuchtgebiete und boreale Wälder sind eine Netto-Senke für CO2. Dem gegenüber steht eine Netto-Quelle für CH4 durch Emissionen aus Feuchtgebieten und Gewässern im Binnenland. Bezogen auf das Gewicht sind die nördlichen Permafrostregionen insgesamt eine Kohlenstoffsenke. Bezogen auf das Treibhausgaspotential der einzelnen Gase (CO2=1, CH4=28), das sich auf den Strahlungsantrieb von Kohlendioxid und Methan bezieht, sind sie eine Quelle. Modellsimulationen zeigen, dass die Emissionen aus natürlichen Ökosystemen und anthropogenen Quellen in der nördlichen Permafrostregion eine Treibhausgasquelle von 147 Tg CO2Äq/Jahr sind – zusammengesetzt aus einer CO2-Senke von -237 Tg CO2Äq/Jahr und einer CH4-Quelle von 343 Tg CO2Äq/Jahr.[5]

Kohlenstoffemissionen

Wenn Permafrost im Sommer oberflächlich auftaut, wird bei der Zersetzung von organischem Material Kohlendioxid gebildet und unter anaeroben Bedingungen, z.B. unter der Wasseroberfläche, Methan (CH4). Beim nächsten Gefrieren werden beide Kohlenstoffverbindungen im gefrorenen Boden gespeichert. Die gesamte im Permafrost der Nordhalbkugel gespeicherte Menge an Kohlenstoff wird auf etwa 1000 Gigatonnen[6] C geschätzt,[7] nach neueren Schätzungen sogar auf 1672 Gigatonnen und damit auf die Hälfte des weltweiten Kohlenstoffs im Boden.[8] Schon heute ist der Permafrost eine Netto-Quelle für Methan (d.h. die Emission übertrifft die Speicherung), während er für CO2 noch eine Senke ist.[9] Nach regionalen Messungen zwischen 1970 bis 2000 hat die Kohlenstoff-Emission um 22-66 % zugenommen.[10] Dieser Prozess wird sich wahrscheinlich im 21. Jahrhundert fortsetzen, wodurch dann auch die globale Erwärmung verstärkt wird. Allerdings warnen Forscher auch vor Katastrophenszenarien, da die Prozesse der Methanfreisetzung sehr langsam ablaufen.[11]

Rückkopplungseffekte

Nicht alle Veränderungen in heutigen Permafrostgebieten werden allerdings zu einer Verstärkung des Treibhauseffekts führen. Denn auf den aufgetauten Böden werden sich auch neue Pflanzengemeinschaften ansiedeln, die mehr Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnehmen und auch an den Boden weitergeben. Durch diesen Effekt wird die Erwärmung abgeschwächt. Die neue Strauch- und Waldvegetation wird aber regional die Albedo verringern. Dadurch kommt es in der darüber liegenden Atmosphäre zu einer Erwärmung, die nach heutiger Kenntnis die Abkühlungswirkung durch die CO2-Aufnahme übertreffen wird.[12] Über den Netto-Effekt von zunehmender Emission von Methan aus Permafrostböden sowie zunehmender CO2-Aufnahme und Verringerung der Albedo durch Pflanzenwachstum besteht noch keine endgültige Klarheit.

Einzelnachweise

  1. ↑ 1,0 1,1 Miner, K.R., Turetsky, M.R., Malina, E. et al. (2022): Permafrost carbon emissions in a changing Arctic. Nat Rev Earth Environ 3, 55–67 (2022). https://doi.org/10.1038/s43017-021-00230-3
  2. ↑ ACIA (2005): Arctic Climate Impact Assessment 2005, Chapter 6: Cryosphere and Hydrology
  3. ↑ Lawrence, D.M., and A.G. Slater (2005): A projection of severe near-surface permafrost degradation during the 21st century, Geophys. Res. Lett., 32
  4. ↑ Schuur, E.A.G., B.W. Abbott, R. Commane et al. (2022): Permafrost and Climate Change: Carbon Cycle Feedbacks From the Warming Arctic. Annual Review of Environment and Resources, 47(1), 343–371
  5. ↑ Hugelius, G., J.L. Ramage, E.J. Burke et al. (2023): Two decades of permafrost region CO2, CH4, and N2O budgets suggest a small net greenhouse gas source to the atmosphere. ESS Open Archive. DOI: 10.22541/essoar.169444320.01914726/v1
  6. ↑ Eine Gigatonne entspricht einer Milliarde (109) Tonnen oder einer Billion (1012) Kilogramm.
  7. ↑ Zimov, S.A., E.A.G. Schuur, and F.S. Chapin III (2006): Permafrost and the Global Carbon Budget, Science 312, 1612-1613
  8. ↑ Tarnocai, C., et al: (2009): Soil organic carbon pools in the northern circumpolar permafrost region, Global Biochemical Cycles 23, doi:10.1029/2008GB003327
  9. ↑ Anisimov, O. A. (2007): Potential feedback of thawing permafrost to the global climate system through methane emission, Environ Res Lett, 2(4)
  10. ↑ Christensen T R, Johansson T R, Akerman H J, Mastepanov M, Malmer N, Friborg T, Crill P and Svensson B H (2004): Thawing sub-arctic permafrost: effects on vegetation and methane emissions Geophys. Res. Lett. 31 (4)
  11. ↑ R.A. Kerr (2010): 'Arctic Amageddon' Needs More Science, Less Hype, Science 329, 620-621
  12. ↑ IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group II: Impacts, Adaptation and Vulnerability, 4.4.6

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