Der Permafrost gilt als eine der großen Klimazeitbomben der Erde. In den dauerhaft gefrorenen Böden der Polarregionen und Hochgebirge sind gewaltige Mengen organischen Kohlenstoffs gespeichert. Steigende Temperaturen lassen diese Böden zunehmend auftauen – mit der Folge, dass Mikroorganismen den freigesetzten Kohlenstoff zersetzen und dabei Kohlendioxid (CO₂) sowie Methan in die Atmosphäre abgeben. Dieser Prozess verstärkt die globale Erwärmung zusätzlich.
Eine neue Studie, die jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht wurde, zeichnet jedoch ein differenzierteres Bild. Ein internationales Forscherteam der Universität Umeå in Schweden und der East China Normal University in China hat Hinweise darauf gefunden, dass auftauender Permafrost zugleich einen bislang unterschätzten Mechanismus in Gang setzt, der CO₂ aus der Atmosphäre bindet.
Permafrostboden bezeichnet Untergrund, der mindestens zwei Jahre in Folge dauerhaft gefroren bleibt. Er kommt vor allem in den Polarregionen der Nordhalbkugel, etwa in Alaska, Kanada, Sibirien und Grönland, sowie in Hochgebirgsregionen vor. Der Boden besteht aus einer Mischung aus Gestein, Sedimenten, Eis und organischem Material. Während die oberste Schicht im Sommer auftauen kann, bleibt der darunterliegende Permafrost ganzjährig gefroren. Besonders bedeutsam ist, dass in diesen Böden über Jahrtausende hinweg große Mengen organischen Kohlenstoffs gespeichert wurden. Durch die globale Erwärmung taut der Permafrost jedoch zunehmend auf. Dadurch werden zuvor konservierte Pflanzen- und Tierreste von Mikroorganismen zersetzt, wobei Treibhausgase wie Kohlendioxid und Methan freigesetzt werden können
Forscher fordern Neubewertung des Kohlenstoffkreislaufs
Im Mittelpunkt steht die chemische Verwitterung von Gestein. Wenn der Permafrost zurückgeht, werden bislang gefrorene Mineralien freigelegt. Gleichzeitig intensivieren sich die Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gestein. Diese Prozesse beschleunigen chemische Reaktionen, bei denen Kohlendioxid verbraucht und in gelöste anorganische Kohlenstoffverbindungen umgewandelt wird.
Flüsse als unerwartete Kohlenstoffsenken
Für ihre Untersuchung analysierten die Wissenschaftler 50 Flüsse auf dem Qinghai-Tibet-Plateau. Die Region gilt als die größte hochgelegene Kryosphäre der Erde außerhalb der Polarregionen und reagiert besonders sensibel auf den Klimawandel.
Mithilfe von Messungen der CO₂-Emissionen der Flüsse, Analysen gelöster Kohlenstoffverbindungen, Isotopen-Tracern sowie geochemischen Modellen untersuchte das Team die Veränderungen des Kohlenstoffkreislaufs in tauenden Permafrostlandschaften.
Die Ergebnisse zeigen einen bemerkenswerten Trend: Je stärker der Permafrost zurückgeht, desto geringer fallen die CO₂-Emissionen der Flüsse aus, während gleichzeitig die Kohlenstoffaufnahme durch Gesteinsverwitterung zunimmt.
„Wir haben festgestellt, dass die CO₂-Emissionen der Flüsse zurückgehen, während die Kohlenstoffaufnahme durch Gesteinsverwitterung zunimmt, wenn die Permafrostdecke abnimmt“, erklärt Studienautor Liwei Zhang von der East China Normal University.
Besonders überraschend: In einigen Flusseinzugsgebieten war die durch Verwitterung bedingte Kohlenstoffaufnahme groß genug, um die Emissionen der Flüsse vollständig auszugleichen oder sogar zu übertreffen.
Teilweise vollständiger Ausgleich der Emissionen
Für das gesamte Untersuchungsgebiet errechneten die Forscher, dass die chemische Verwitterung im Durchschnitt rund 35 Prozent der CO₂-Emissionen der Flüsse kompensiert. Während dieser Effekt in Regionen mit durchgehendem Permafrost vergleichsweise gering bleibt, zeigt sich in Gebieten mit lückenhaftem oder isoliertem Permafrost ein deutlich stärkerer Einfluss.
Dort überstieg die Kohlenstoffaufnahme durch Verwitterungsprozesse stellenweise sogar 100 Prozent der gemessenen Flussemissionen. Nach Ansicht der Wissenschaftler deutet dies darauf hin, dass geologische Prozesse in auftauenden Landschaften eine ähnlich wichtige Rolle spielen könnten wie biologische Prozesse, die bislang im Fokus der Forschung standen.
Komplexes Zusammenspiel von Biologie und Geologie
Die Studie stellt damit die verbreitete Vorstellung infrage, wonach auftauender Permafrost ausschließlich als Kohlenstoffquelle wirkt. Zwar bleibt unbestritten, dass große Mengen uralten organischen Materials freigesetzt werden und zur Bildung von Treibhausgasen beitragen. Gleichzeitig können jedoch geologische Prozesse einen Teil dieser Emissionen wieder binden.
Die Autoren warnen jedoch davor, die Ergebnisse als Entwarnung für das Klima zu verstehen. Die chemische Verwitterung sei kein automatischer oder dauerhafter Ausgleichsmechanismus. Je nach Art der beteiligten Mineralien können Verwitterungsprozesse sogar selbst CO₂ freisetzen. Zudem sei der langfristige Effekt auf den globalen Kohlenstoffhaushalt noch nicht vollständig verstanden.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass biologische und geologische Kohlenstoffkreisläufe eng miteinander verbunden sind“, betont Jan Karlsson, Professor für Ökologie, Umwelt und Geowissenschaften an der Universität Umeå.
Um die tatsächlichen Klimafolgen des Permafrostauftauens beurteilen zu können, müsse sowohl der aus alten Böden freigesetzte Kohlenstoff als auch der durch Gesteinsverwitterung gebundene Kohlenstoff berücksichtigt werden.
Konsequenzen für Klimamodelle
Nach Ansicht der Forscher haben die Ergebnisse weitreichende Bedeutung für die Klimaforschung. Viele bestehende Klima- und Kohlenstoffkreislaufmodelle konzentrieren sich bislang vor allem auf biologische Emissionen aus tauenden Böden. Geologische Kohlenstoffquellen und -senken werden dagegen oft nur unzureichend berücksichtigt.
Die neue Studie legt nahe, dass zukünftige Klimabewertungen die komplexen Wechselwirkungen zwischen biologischen und geologischen Prozessen stärker einbeziehen müssen. Denn erst das Zusammenspiel beider Systeme entscheidet darüber, ob auftauender Permafrost die globale Erwärmung letztlich verstärkt oder zumindest teilweise abschwächt.
Die Forschung liefert damit keinen Grund zur Entwarnung, wohl aber einen wichtigen Baustein für ein genaueres Verständnis der Klimadynamik in den sich rasch verändernden Permafrostregionen der Erde.