Permafrostböden - Folgen des Auftauens für den globalen Klimawandel

1. Permafrostböden- Folgen des Auftauens für den globalen Klimawandel von Stephan Leiß & Thomas Gruhl

2. Gliederung • Was sind Permafrostböden ? • Verbreitung von Permafrostböden • Mächtigkeit von Permafrostböden • Aufbau von Permafrostböden • Auftauen der Permafrostböden • Bedeutung für den Klimawandel • Freisetzung von CO2 und CH4 • Veränderung der Albedo • Auswirkungen auf den globalen Wasserkreislauf • klimatische Folgen • Gegenmaßnahmen

3. Was sind Permafrostböden • Forschungsgegenstand der „Glaziologie“ (Wissenschaft von Eis und Schnee) • Synonym für Dauerfrostboden • Grundsätzliche Bezeichnung für Böden, die mindestens 2 Jahre dauerhaft eine Temperatur unter 0°C aufweisen • Tauen in den Sommermonaten, wenn überhaupt, nur oberflächlich auf  aktive Schicht eines Permafrostbodens • Mächtigkeit der Permafrostbodenschicht ist durch die zunehmende Erdwärme mit der Tiefe begrenzt

4. Freiliegender Permafrostboden in Sibirien

5. Verbreitung von Permafrostböden aktuelle Verteilung von Permafrost auf der Nordhalbkugel: • dunkelblau: kontinuierlicher Permafrost (90 – 100 % gefroren) • blau: diskontinuierlicher Permafrost (50 – 90 % gefroren) • hellblau: sporadischer Permafrost (10 – 50 % gefroren)

6. Verbreitung von Permafrostböden • Permafrostzone: • „Zirkumpolare Gebiete ewiger Gefrornis, welches die Tundra der Nordkontinente und die großen Waldgebiete (borealer Nadelwald) umfasst“ • sämtliche Gebiete, die Grundvoraussetzungen erfüllen • Regionen mit T Durchschnitt< -1 °C und N Jahr < 1000 mm • Vor allem Regionen in Grönland (99%), Alaska (80%), Russland (50%), Kanada (40-50%) und China (20%) • Gebiete auf der Nordhalbkugel von ca. 23mio km², entsprechen ca. 25% der Landfläche • nur sehr geringe Ausdehnung in der Antarktis, da hier nur 1% des Festlandes eisfrei ist

7. Mächtigkeit von Permafrostboden • Faustformel: TiefePermafrostschicht = f (T Durchschnitt ) pro Minusgrad ca. 50 – 100 m Permafrosttiefe

8. Mächtigkeit von Permafrostböden • Mächtigkeit der Permafrostschicht hängt zusätzlich ab von: • Eigenschaften des Sediments • Bodenbedeckender Schicht(Art und Dichte der Vegetation, Dicke der Schneedecke)  beeinflusst Oberflächentemperatur des Bodens • Wärmetransport in Tiefe hängt ab von: • Wassergehalt des Sediments • Regenmenge, Eisgehalt, Grundwasserstand • In Sibirien bis 1500 m, in Skandinavien nur ca. 20 m

9. Aufbau von Permafrostböden • Auftaubereich „activelayer“ (max. 25 m): • taut im Sommer mehr oder weniger stark auf • Dauerfrostboden: • immer gefroren • Permafrosttafel bezeichnet Grenze zum Auftaubereich • Niefrostbereich „Talik“ • begrenzt durch geothermische Wärmezufuhr aus dem Erdkern • Permafrostbasis bezeichnet Grenze zum Permafrost

10. Auftauen der Permafrostböden aktuelle Verbreitung Prognose: Verbreitung im Jahr 2050

11. Auftauen der Permafrostböden • Erwärmung der Atmosphäre und höhere Schneedecke, die zu geringerer Abkühlung im Winter führt • Erwärmung des Permafrostbodens in Tiefen bis zu 40m • Große Auswirkungen bei relativ warmen Permafrostböden von -1 bis -2 °C Bodentemperatur: • Böden tauen im Sommer auf und frieren nicht wieder ein • Permafrostgrenze wandert nordwärts • Vertiefung des Auftaubereiches bei gleichzeitiger Verkleinerung des Dauerfrostbodens

12. Auftauen der Permafrostböden • Auftauen der Böden führt zur Bildung von Kratern, die mit Tauwasser gefüllt sind  „Thermokarste“ • Bildung von Sümpfen und Mooren • Im Boden gebundener Kohlenstoff wird freigesetzt Thermokarste Landschaft

13. Bedeutung für den Klimawandel • Permafrost ist bereits heute CH4-Nettoquelle, Emission > Speicherung • Dagegen weiterhin CO2-Senke

14. Freisetzung von CO2 und CH4 • Überreste von Pflanzen und Tieren bilden Kohlenstoffgehalt der Permafrostböden: • ca. 1.700 Gigatonnen (Gt) in arktischen Böden, doppelte Menge wie zur Zeit in der Atmosphäre • Erhöhte Temperatur führt zu erhöhter Aktivität von Mikroben: • Mikroben zersetzten Kohlenstoff, je nach Milieu, zu CO2 oder CH4 • CO2 und CH4 werden beim Auftauen mehr und mehr in die Atmosphäre abgegeben • Zusätzliche Freisetzung von CH4 aus Tümpeln und Mooren • CO2 Freisetzung durch vermehrtes Auftreten von Tundrenfeuern

15. Freisetzung von CO2 und CH4 • Freisetzung von CH4 aus Methanhydrat (gasförmiges Methan, eingeschlossen in „Käfig“ aus Wassermolekülen) • Bedingungen im Permafrost erlauben Vorkommen in 100 – 2000 m Tiefe • steigende Bodenwassertemperatur führt zur Verkleinerung der Stabilitätszone  ab 3 K signifikant, ab 8 K vollständig verschwunden • Methanhydrat destabilisiert sich und CH4 wird freigesetzt • CH4 steigt auf kann durch Taliki freigesetzt werden • auch sehr geringen Mengen können großen Einfluss haben, da lediglich 4 Gt CH4-C in Atmospähre

16. Freisetzung von CO2 und CH4 • CH4 ist sehr viel stärkeres Treibhausgas als CO2: • Global Warming Potential (GWP) von CH4 beträgt, bezogen auf 100 Jahre, 25 • Folgen der Freisetzung hängen von deren Art (Diffusion oder Blowout) und Geschwindigkeit ab • Diffusion: Freisetzung feiner Bläschen, die durch das Sediment ins das freie Wasser aufsteigen CH4 kann aerob oder anaerob oxidiert werden • Blowout: Schlagartiges Ausstoßen von Gasblasen unter großen CH4-Austrag in die Atmosphäre • Zahlen über freigesetztes Methan schwanken stark

17. Veränderung der Albedo • Steigende Boden- und Atmosphärentemperatur erlaubt Ausbreitung der Vegetation nach Norden: • Tundrenlandschaften werden durch Strauchvegetation und Wälder ersetzt  Waldbedeckung nimmt allgemein zu • Veränderung der Albedo • ausbreitende Vegetation ist in der Lage mehr CO2 aus der Atmosphäre aufzunehmen • Annahme, dass positiver Effekt durch die CO2-Aufnahme vom negativen Effekt der verringerten Albedo übertroffen wird

18. mögliche Auswirkungen auf den globalen Wasserkreislauf • Freigesetztes Tauwasser aus Permafrostböden kann Wasserführung der Flüsse verändern: • steigender Meeresspiegel • erhöhte Süßwasserzufuhr in der Weltmeere • Möglichkeit der Auswirkung auf ozeanische Zirkulationssysteme wie dem Golfstrom

19. klimatische Folgen • positive, also sich selbstverstärkende Rückkopplung: • Methan gelangt in Atmosphäre • verstärkte Erderwärmung • schmelzende Eisflächen • erhöhte Wärmeaufnahme der Ozeane und Änderung der Albedo • Schmelzen der Permafrostböden • verstärkte Erderwärmung • …. +

20. Gegenmaßnahmen • Stoppen der vom Menschen gemachten Treibhausgasemissionen: • Umstellung der Stromversorgung auf CO2-freie Quellen • Forschung und Entwicklung einer sauberen Energieversorgung • Unabhängig von fossilen Brennstoffen • Erdwärmenutzende Wärmepumpenheizungen: • Bildung von künstlichen Permafrostböden durch abgezogene Wärmeenergie, die nicht natürlich nachgeliefert werden kann • Problematik von sinkender Heizleistung durch Eisbildung um die Wärmetauscherschlangen • Energetische Nutzung des oberflächlich freigesetzten CH4 • Feldversuch mit Ansiedlung pflanzenfressender Tiere: • Entstehung eines Steppe-Grasland-Ökosystems mit verbesserter Albebo

21. Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit !

22. Quellenverzeichnis • http://de.wikipedia.org/wiki/Permafrostboden • http://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Permafrost • http://www.klimaretter.info/forschung/hintergrund/13109-klimagefahr-lauert-im-permafrost • http://www.focus.de/wissen/klima/klimaerwaermung/tid-29668/teufelskreis-klimawandel-temperaturanstieg-wuerde-dramatische-mengen-von-treibhausgasen-freisetzen_aid_924653.html • http://www.welt.de/wissenschaft/article111584550/Wenn-Permafrostboeden-tauen-droht-der-Klima-Gau.html • http://www.umweltbundesamt.de/klimaschutz/publikationen/permafrost.pdf • http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/arktische-tundra-auch-bei-frost-entweicht-methan-a-594432.html • http://homepages.uni-paderborn.de/wgs/Dlehre/Methanhydrat.pdf • http://www2.klett.de/sixcms/media.php/76/permafrost.jpg • http://www.naju-wiki.de/index.php/Permafrost