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Tauwetter im Permafrost – Werden die sibirischen Tundren zu Quellen der Kohlenstoffemission?

Fußmarsch zum Basislager nach einem erfolgreichen Messtag. Foto: Stephan Schennen.

Fußmarsch zum Basislager nach einem erfolgreichen Messtag. Foto: Stephan Schennen.

Sie sind die Kühlkammern des Nordens – die Permafrostböden der Arktis. Was sie in Tausenden von Jahren eingeschlossen haben, blieb dort sicher verwahrt: Pflanzenreste, Tierknochen, Mikroorganismen. Mit dem Klimawandel aber scheint nun das Kühlsystem ins Stocken zu geraten. Die Lufttemperaturen steigen, doppelt so stark wie im globalen Mittel. In den auftauenden Böden beginnen Mikroben, den Kohlenstoff abzubauen. Als Treibhausgase Methan und Kohlenstoffdioxid entweicht er in die Atmosphäre und heizt das Klima weiter auf. Das russisch-deutsche Verbundprojekt „CarboPerm“ geht diesem unterirdischen Problem auf den Grund. Potsdamer Geophysiker helfen dabei, in die Tiefe zu schauen.

 Die Schuhe versinken im Matsch. Stephan Schennen und Jens Tronicke stapfen durch unwegsames Gelände. Geophysikalische Profillinien ziehen sich im Abstand von nur wenigen Dezimetern über die Oberfläche. Der schlammige Untergrund auf der Großen Lyakhov-Insel, hoch im Norden, in der sibirischen Arktis, macht den Forschern zu schaffen. Mit dem Georadar senden sie elektromagnetische Wellen in den Boden und registrieren Laufzeit und Amplitude der reflektierten Signale. So können sie im Untergrund verborgene geologische Strukturen sichtbar machen. Dann aber zieht ein Unwetter auf. Die Potsdamer Geophysiker wollen das empfindliche Gerät nicht gefährden. Ersatzteile sind hier nicht zu beschaffen. Geht etwas schief, war alles umsonst.

Zum zweiten Mal schon ist der Doktorand Stephan Schennen im Sommer 2014 auf der Großen Lyakhov-Insel unterwegs, um für das Verbundprojekt CarboPerm Daten zu sammeln. Mit elektromagnetischen und geoelektrischen Verfahren kann er auf einer fußballfeldgroßen Fläche bis zu 25 Meter tief unter die Erde „schauen“. Während einzelne Bohrungen immer nur punktuell Aufschluss über die Zusammensetzung des Bodens oder der Sedimente geben, lassen sich mit seinen geophysikalischen Methoden größere unterirdische Strukturen abbilden. Und dies dreidimensional.

Die Idee, Geophysiker der Universität in die Untersuchungen einzubeziehen, erwuchs aus der engen Zusammenarbeit mit den Potsdamer Kollegen vom Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, die das CarboPerm-Projekt zusammen mit dem Institut für Bodenkunde der Universität Hamburg leiten. Seit vielen Jahren erforschen sie gemeinsam mit russischen Wissenschaftlern die Permafrostregionen Sibiriens. Zahlreiche Bohrkerne brachten sie in die heimischen Labors, um sie Schicht für Schicht zu analysieren und so zum Beispiel das Klima vergangener Jahrtausende zu rekonstruieren. Was ihnen bislang aber fehlte, war der Blick in die Breite. „Unsere Techniken erlauben es, den Untergrund weiträumig zu erkunden und zu charakterisieren“, erklärt Jens Tronicke, Professor für Angewandte Geophysik an der Universität Potsdam. „Ob in der Archäologie, der Geologie, oder bei ingenieurtechnischen Fragestellungen – die geophysikalischen Methoden sind überall anwendbar. Und nun eben auch auf Dauerfrostböden.“

Im CarboPerm-Projekt arbeiten die Potsdamer Geophysiker Hand in Hand mit Polar-, Meeres- und Atmosphärenforschern, mit Geologen, Biologen, Bodenkundlern und Geochemikern. Einen derart umfassenden methodischen Ansatz mit Wissenschaftlern, die an denselben Orten in der sibirischen Arktis, denselben Proben, Daten und Messungen forschen, hat es in Permafrostregionen bisher nicht gegeben. Gemeinsam wollen sie herausfinden, wie der hier über Jahrtausende gespeicherte organische Kohlenstoff sich bildete und wie er nun unter dem Einfluss der globalen Erwärmung umgewandelt und freigesetzt wird.

Ein Problem, das gewaltige Ausmaße annehmen kann. In den dauerhaft gefrorenen Böden, die immerhin ein Viertel der Landmasse der Nordhalbkugel ausmachen, lagern 1.700 Gigatonnen Kohlenstoff. Das entspricht der zweieinhalbfachen Menge dessen, was derzeit in der globalen Vegetation gebunden ist.

Werden sich bei weiter steigenden Temperaturen die gigantischen arktischen Kohlenstoffspeicher in Quellen der Kohlenstoffemission verwandeln? Das ist die Frage, die alle im Projekt bewegt. Bei der Suche nach Antworten nehmen sie die unwirtlichen Bedingungen der Arktis auf sich.

Die Große Lyakhov-Insel etwa ist nahezu unbewohnt. Ein Camp an einer Flussmündung, von Rentierhirten erbaut, dient den Forschern als Unterkunft. Holzhäuser auf Kufen, die im Winter auf Eis und Schnee verschoben werden können. Auch wenn die Wissenschaftler im Frühjahr anreisen, kann es noch empfindlich kalt sein, bis zu 30 Grad Minus. Allein ein Kanonenofen spendet dann Wärme, erzählt Stephan Schennen. Bei seinem ersten Aufenthalt dort, im April 2014, schneite es noch. Immer wieder musste er die Messungen unterbrechen, um die sensiblen Geräte zu schonen. „Einige Ersatzteile hatte ich dabei, Kabel und Stecker. Und große Akkus mit besonders langer Laufzeit. Zum Glück gab es keinen Ausfall.“

Auch bei der zweiten Messkampagne im vergangenen Sommer lief alles nach Plan. Dass es nachts nicht dunkel wurde und die Sonne nie vollständig hinter dem Horizont verschwand, störte den Schlaf des Erschöpften nicht. Der junge Geophysiker nutzte jede wache Stunde für seine Messungen. „Wenn man weiß, dass man nur drei Wochen Zeit hat und nicht schnell noch mal hierher zurückkehren kann, dann ist jede Minute kostbar.“

In diesem Frühjahr reiste Stephan Schennen ein vorerst letztes Mal nach Sibirien, diesmal ins Lena-Delta, um geophysikalische Messungen auf den Inseln Samoylov und Kurungnakh durchzuführen. Nun sitzt er im Büro, zeigt im Laptop dreidimensionale Abbildungen des vermessenen Untergrundes. Unmengen von Daten liegen vor, die jetzt ausgewertet werden müssen. Im Herbst 2016 soll die Doktorarbeit fertig sein. Dann endet auch CarboPerm, dessen Ziel es ist, verlässlichere Prognosen über die zukünftige Entwicklung der Dauerfrostböden und ihren Beitrag zum globalen Kohlenstoffhaushalt abzugeben. Auf der internationalen Permafrost-Tagung, die 2016 in Potsdam stattfinden wird, werden die Wissenschaftler davon berichten.

Die Wissenschaftler

Prof. Dr. Jens Tronicke studierte in Münster Geophysik. Nach seiner Promotion in Tübingen forschte er an verschiedenen Universitäten in den USA und an der ETH Zürich. Seit 2005 ist er Professor für Angewandte Geophysik an der Universität Potsdam.

Kontakt

Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Karl-Liebknecht-Str. 24–25
14476 Potsdam
E-Mail: jensgeo.uni-potsdamde

Stephan Schennen studierte in Bremen und Potsdam Geowissenschaften mit Schwerpunkt Geophysik. Seit 2013 ist er Doktorand im Projekt CarboPerm.

Kontakt

E-Mail: schennenuni-potsdamde

Das Projekt

„CarboPerm – Kohlenstoff im Permafrost: Bildung, Umwandlung und Freisetzung“ hat zum Ziel, die Bildung, Umwandlung und Freisetzung von organischem Kohlenstoff im Permafrost über einen multidisziplinären Forschungsansatz zu analysieren. An dem dreijährigen Projekt beteiligen sich Arbeitsgruppen des Alfred Wegener Instituts für Polar- und Meeresforschung, der Universitäten Potsdam, Hamburg und Köln, des GeoForschungsZentrums Potsdam, des Max-Planck-Institutes in Hamburg und Jena sowie von russischen Instituten. Im Mittelpunkt stehen dabei die Auswirkungen von klima- und umweltbedingten Änderungen auf die sensiblen arktischen Ökosysteme an Land und die natürliche Produktion von Treibhausgasen in Tundralandschaften. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert diese Forschungsarbeit mit 4,5 Millionen Euro.

Internetseite: www.carboperm.net

Die hier vorgestellte Forschung ist verbunden mit der Forschungsinitiative NEXUS: Earth Surface Dynamics, die unterschiedlichste wissenschaftliche Aktivitäten der Region Berlin-Brandenburg aus dem Themenfeld Dynamik der Erdoberfläche bündelt. Die Universität Potsdam (UP), gemeinsam mit ihren Partnern des Helmholtz-Zentrums Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ), des Alfred-Wegener-Instituts für Polar und Meeresforschung (AWI) sowie mit Partnern des Potsdam Instituts für Klimafolgenforschung (PIK), des Naturkundemuseums Berlin (MfN) und der Technischen Universität Berlin (TUB) verbindet hierzu die herausragende Expertise in den Geo-, Bio, Klima- und Datenwissenschaften.

Text: Antje Horn-Conrad
Online gestellt: Agnes Bressa
Kontakt zur Online-Redaktion: onlineredaktionuni-potsdamde