Der Permafrost lüftet seine Geheimnisse Understand article

Übersetzt von Hildegard Kienzle-Pfeilsticker. Das Studium von Permafrost erlaubt es uns, nicht nur in die Vergangenheit, sondern auch in die Zukunft zu schauen. Miguel Ángel de Pablo, Miguel Ramos, Gonçalo Vieira und Antonio Molina erklären, wie das geht.

Die Untersuchung von
Permafrost in der Antarktis

Mit freundlicher Genehmigung
von Miguel Ángel de Pablo

Gegen den eisigen Wind der Antarktis kämpfen sich vier massige Gestalten den Berg hinauf. Sind das vielleicht Pinguine? Seehunde? Nein. Es sind Permafrostwissenschaftler – gut eingepackt gegen die Kälte und beladen mit High-Tech-Ausrüstung.

So verbringen wir jedes Jahr etwa zwei Monate, bevor wir in unsere warmen europäischen Labors zurückkehren, um unsere Daten zu analysieren. Was machen wir und warum?

Was ist Permafrost?

Abbildung 1: Verteilung von
Permafrost auf der
nördlichen Hemisphäre und
in der Antarktis mit
Bohrlöchern zum
Permafrost-Monitoring. Zum
Vergrößern auf das Bild
klicken

Mit freundlicher Genehmigung
von Hugues Lantuit,
International Permafrost
Association

Wenn zu Winterbeginn die Temperaturen sinken, bildet sich Eis auf Pfützen oder Teichen. Bleibt die Temperatur lange genug unter 0 °C, friert auch der Boden. Manchmal kann der Boden für mehr als zwei Jahre gefroren bleiben; das nennen wir Permafrost.

Das passiert natürlich nur in extremer Umgebung: Permafrost findet man meist um die Pole und auf hohen Bergen (Abbildung 1). In der nördlichen Hemisphäre, wo er am meisten untersucht wurde, bedeckt Permafrost trotzdem 20% der Landfläche.

Im Permafrost können Stellen auftreten, die das ganze Jahr über aufgetaut bleiben (Taliks). Sie sind die Folge lokalen Drucks, hoher Salzkonzentration oder von fließendem Grundwasser. Das bedeutet, dass der Permafrost große Bereiche ununterbrochen bedecken kann, aber auch unterbrochen oder sogar wie ein Flickenteppich zusammengesetzt sein kann (Abbildung 1). Die Tiefe des Permafrostes variiert je nach Umgebung stark: er kann mehrere hundert Meter in die Tiefe reichen oder, wie auf dem aktiven Vulkan Deception Island in der Antarktis, nur drei Meter.

Abbildung 2: Querschnitt mit verschiedenen Permafrost-Typen. Zum Vergrößern auf das Bild klicken
Bild mit freundlicher Genehmigung nach PhysicalGeography.net; Hintergrundbild mit freundlicher Mark Sykes; Bildquelle: Flickr

Detecting permafrost

Theoretisch ist das Aufspüren von Permafrost relativ leicht: einfach einen Thermometer in den Boden stecken und zwei Jahre lang regelmäßige Messungen vornehmen. Komplizierter aber wird es, wenn man genaue und repräsentative Daten erhalten will. Der Grund ist, dass die oberste Bodenschicht direkt durch Sonnenstrahlung und Wetter beeinflusst wird und daher im Gegensatz zum darunter liegenden Permafrost während der warmen Jahreszeit auftaut.

Abbildung 3: Steinkreise,
geformt durch die Dynamik
in der aktiven Schicht wegen
saisonaler Gefrier-Auftau-
Zyklen

Mit freundlicher Genehmigung
von Miguel Ángel de Pablo

Die Oberflächenschicht über dem Permafrost nennt man aktive Schicht. Durch die sich wiederholenden Gefrier-Auftau-Zyklen können sich eigenartige kleine Landformen bilden wie polygonale Bereiche, Steinkreise und gemusterte Flächen.

Diese Landformen können daher auf darunter liegenden Permafrost hinweisen. Zum Nachweis führen wir und andere Permafrostwissenschaftler zwischen 50 Zentimetern und 50 Metern tiefe Bohrungen durch, um dort Temperatursensoren zu platzieren.

Nach mehreren Jahren Datenprotokollierung können wir bestimmen, ob Permafrost existiert und wie sich seine thermale Evolution abgespielt hat, das heißt, wie sich die Bodentemperatur während der aufgezeichneten Periode in verschiedenen Tiefen verändert hat.

Was können wir von Permafrost lernen?

Warum wollen wir und andere Wissenschaftler wissen, ob der Boden unter der Oberfläche gefroren ist? Permafrost kann Bedeutung für das tägliche Leben haben, ebenso wie er uns Aussagen über das Klima vergangener und künftiger Zeiten auf der Erde erlaubt; er kann uns sogar Aufschlüsse über andere Planeten geben.

Durch die Messung der oberflächennahen Temperatur können wir erkennen, ob die aktive Schicht zunimmt – weil der Permafrost darunter taut – oder abnimmt. Dies gibt uns Auskunft darüber, wie sich das Klima wandelt, denn die Dicke hängt nicht nur von der Lufttemperatur ab, sondern auch von anderen Faktoren wie der Schneebedeckung. Durch die Dickenüberwachung der aktiven Schicht an unterschiedlichen Stellen der Erde können wir den Einfluss der globalen Erwärmung auf die Bodentemperaturen untersuchen.

Abbildung 4: Temperaturprofil aus Bohrlochdaten in der Antarktis. Die wärmsten Temperaturen liegen in der aktiven Schicht bei über 0 °C; unterhalb einer durchschnittlichen jährlichen Bodentemperatur treten keine saisonalen Temperaturänderungen mehr auf; an der Basis des Permafrosts liegt die Temperatur über 0 °C
Mit freundlicher Genehmigung von Miguel Ángel de Pablo

Permafrost gibt nicht nur über unser derzeitiges, sondern auch über unser vergangenes Klima Auskunft. Wärmt sich ein Felsblock während des Tages auf, kühlt er in der folgenden Nacht ab. Er wird jedoch für einige Zeit Wärme speichern – besonders tief im Inneren des Felsen, weit entfernt von der Oberfläche, von der er Wärme verliert. Temperaturmessungen an unterschiedlichen Tiefen im Felsblock zeigen uns dessen frühere thermischen Verhältnisse an. Dasselbe können wir im Permafrost tun – je tiefer wir graben, desto weiter reisen wir in die Vergangenheit.

Abbildung 5: Kollaps von
Infrastruktur wegen
Auftauens eines eisreichen
Permafrostgebiets, Alaska,
USA

Mit freundlicher Genehmigung
von Vladimir Romanovsky, UAF

Böden und Felsen leiten Wärme jedoch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung und Struktur; wir nennen das Wärmeleitfähigkeit. Kennen wir die Wärmeleitfähigkeit von Boden und Felsen im Permafrost, können wir Tiefe in Zeit umwandeln und die Klimaevolution über die letzten Jahrzehnte oder Jahrhunderte rekonstruieren. Finden wir beispielsweise kältere Felsen unter der Oberfläche, ist das ein Hinweis darauf, dass das Klima in dieser Tiefe (zu dieser Zeit) kälter als heute war. Theoretisch wären diese Berechnungen auch mit nicht gefrorenem Boden möglich. Nicht gefrorener Boden wird aber auch vom geothermalen Gradienten (der Hitze aus dem Erdinneren) beeinflusst. In Permafrost spielt die Oberflächentemperatur eine viel bedeutendere Rolle.

Wissenschaftler haben kürzlich entdeckt, dass die aktive Schicht den Klimawandel nicht nur anzeigt, sondern sogar zu ihm beiträgt. In der nördlichen Hemisphäre enthalten Permafrostböden riesige Mengen gefrorenen organischen Materials. Die Zunahme der aktiven Schicht durch die globale Erwärmung setzt diese organischen Substanzen der Zersetzung durch Mikroorganismen aus. Dadurch gelangen die wichtigen Treibhausgase Kohlenstoffdioxid und Methan in die Atmosphäre und erhöhen die Geschwindigkeit der globalen Erwärmung.

Abbildung 6: Wassereis unter
der Oberfläche des Mars wie
sie von der Phoenix-Mission
entdeckt und ausgewertet
wurde

Mit freundlicher Genehmigung
von Phoenix / ASU / JPL / NASA

Permafrost kann auch einen direkten Einfluss auf Menschen haben und zwar in Bereichen wo Häuser, Straßen oder Eisenbahnen auf Permafrost gebaut wurden.

Taut Permafrost auf, lässt die Bodenfestigkeit nach und Bauten können zusammenfallenw1 (Abbildung 5). Durch die globale Erwärmung wird dies häufiger passieren. Das Aufspüren von Permafrost unter der Oberfläche kann Ingenieuren in die Lage versetzen, vorsichtshalber stärkere Konstruktionen zu planen oder gar nicht erst auf Permafrost zu bauen.

Letztlich hilft uns Permafrost, die Dynamik anderer Planeten, wie dem Mars, zu verstehen. Der Mars enthält große Mengen an gefrorenem Wasser, welches Permafrost bildet (Abbildung 6). Das Studium der Permafrostevolution auf der Erde kann uns so beim Verständnis des vergangenen und heutigen Marsklimas helfen. Künftige dauerhafte Basen könnten sogar Permafrost vom Mars als Wasserquelle nutzen.

Das Studium von Permafrost in der Antarktis

Mit freundlicher Genehmigung
von Miguel Ramos

Unser Team hat über zwei Jahrzehnte lang Langzeitforschung von Permafrost an unterschiedlichen Stellen in Livingston und der Deception-Insel in der Region der antarktischen Halbinsel gemacht. Wir messen die Bodentemperatur nahe der Oberfläche und innerhalb von Bohrlöchern in einer Tiefe von 25 Metern. Wir überwachen die Temperatur im Boden, vergleichen sie mit Luft- und Oberflächentemperaturen und untersuchen die Einflussfaktoren auf die Bodentemperatur: das reicht von Windgeschwindigkeit über Eigenschaften der Felsen wie Wärmeleitfähigkeit, Porosität und Feuchtigkeit. Ebenso messen wir jährlich die Dicke der aktiven Schicht während der Tauwetterperiode. Einige Bohrlöcher wurden 25 Jahre lang kontinuierlich überwacht; andere wurden während der letzten sechs Jahre gebohrt.

Die Region der Antarktischen Halbinsel haben wir uns ausgesucht, weil:

Abbildung 7: Unsere
Forschungsstationen im
Bereich der Antarktischen
Halbinsel. Zum Vergrößern
auf das Bild klicken

Mit freundlicher Genehmigung
von Benjamin Dumas;
Bildquelle: Flickr
  1. Die meiste Permafrostforschung wird in der nördlichen Halbinsel betrieben. Daher wollten wir die überwachten Bereiche erweitern. Wie unsere Kollegen im Norden verwenden wir internationale Protokolle, wie sie von der Internationalen Permafrostgesellschaft (IPA) definiert sind (IPA), um die aktive Schicht zu überwachen und die Temperatur innerhalb der Bohrlöcher zu messenw2.
  2. Die Halbinsel ist eine der wenigen eisfreien Gebiete der Antarktis – das ist wichtig, weil Permafrost stabil ist, solange Eis über ihm ist, und wir wollten die aktive Schicht untersuchen.
  3. Sie befindet sich nahe an der nördlichen Permafrostlinie der Antarktis, an der die Temperaturen nahe 0 ºC liegen und der Permafrost daher empfindlicher auf Klimaänderungen reagiert.

Was sagen unsere Daten? Das Hauptergebnis: Obwohl manche früheren Gegenden mit Permafrost nun das ganze Jahr über aufgetaut sind, ist der meiste Boden auf Livingston und der Deception-Insel fast genauso gefroren, wie vor 10 Jahren, trotz globaler Erwärmung (Abbildung 8). Diese lokalen Unterschiede werden durch die Eigenschaften der Erde und der Felsen bestimmt: Stoffe mit höherer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise, tauen schneller. Daher erwarten wir, dass während der nächsten Jahrzehnte Permafrost mit geringerer Wärmeleitfähigkeit ebenfalls von der globalen Erwärmung beeinflusst werden wird. Wir hoffen, dass wir, warm eingehüllt, regelmäßig in die Antarktis zurückkehren werden, um das herauszufinden.

a) Der jährliche Auftauindex ist definiert als die summierten täglichen Plustemperaturen (in °C) während der Tauperiode.
b) Der jährliche Frostindex ist definiert als die summierten täglichen Minustemperaturen (in °C) während der Frostperiode

Abbildung 8: Muster durch frieren und tauen in drei verschiedenen Tiefen im Incinerador-Bohrloch (230 cm tief) auf der Livingston-Insel zwischen 2000 und 2010. Derzeit haben wir nicht genügend räumliche und zeitliche Informationen, die darauf hindeuten, dass die Antarktische Halbinsel durch die globale Erwärmung beeinflusst wird. Im Incinerador-Bohrloch gibt es einen leicht positiven Trend im Tauindex, aber der Gefrierindex ist unverändert – im Großen und Ganzen ist der Permafrost immer noch stabil. Mit freundlicher Genehmigung von Miguel Ramos

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Web References

  • w1 – Der US-amerikanische Public Broadcasting Service hat eine Aktivität entwickelt, mit der man im eigenen Klassenzimmer Permafrost bilden kann, ein Haus darauf bauen und die Konsequenzen des Auftauens beobachten kann. Siehe: www.pbs.org/edens/denali/permawht.htm
  • w2 – Die Internationale Permafrost-Gesellschaft kooordiniert die internationale Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern und Ingenieuren, die über Permafrost arbeiten. Siehe: www.ipa-permafrost.org

Resources

  • Das US-amerikanische Schnee und Eis-Datenzentrum unterhält eine pädagogische Webseite über gefrorene Böden, die viele Aktivitäten und Quellen über Permafrost einschließt. Siehe: http://nsidc.org/frozenground
  • Das Wissenschaftliche Komitee für Antarktische Forschung bietet eine Menge Unterrichtsmaterial über die Antarktis für Schüler aller Altersstufen und verschiedener Sprachen an, ebenso wie passende Kleidung für einen Antarktisforscher. Siehe:  www.scar.org/about/capacitybuilding/antarcticeducation
  • Das United States Antarctic Museum hat eine Liste von Unterrichtsvorschlägen für Lehrer und Quellen für Schüler erstellt, um die Antarktis erfahrbar zu machen. Siehe: www.usap.gov/usapgov/educationalResources.cfm?m=5
  • Einige wunderschöne Bilder von der Antarktis, die man im Unterricht verwenden kann, findet man unter: www.coolantarctica.com
  • Die Erfahrungen eines Lehrers während eines Ausflugs in die Antarktis finden Sie unter:
  • 25 Jahre sind vergangen, seitdem über der Antarktis ein Ozonloch entdeckt wurde. Die Ursache und die aktuelle Situation wird erklärt unter:

Author(s)

Miguel Ángel de Pablo ist Assistant Pprofessor für Geologie in Madrid, Spanien. Er ist Geologe und hat viel Erfahrung aus seiner Arbeit mit der Geologie des Mars, auf dem die Oberfläche gefroren bleibt. Seit 2007 gehört er dem Antarktisforschungsteam an, um Permafrost auf der Erde zu studieren. Er hofft, damit die geologischen Vorgänge gefrorener Gebiete auf dem Mars zu verstehen.

Miguel Ramos ist Associate Professor für Physik an der Universidad de Alcalá und leitet die universitäre Forschung über antarktischen Permafrost. Er arbeitete 25 Jahre lang über die Antarktis, wobei er die Auswirkungen des Klimas auf die Wärmeentwicklung der Südlichen Shetland-Inseln untersuchte.

Gonçalo Vieira ist Assistant Professor für geographische Studien an der Universidad de Lisboa in Lissabon, Portugal. Er ist Geografh und leitet ein portugiesisches Team, das über Permafrost und andere periglaziale Prozesse um Gletscher arbeitet, vor allem in der Antarktis. Seit 2002 arbeitet er mit Miguel Ramos zusammen.

Antonio Molina ist ein PhD-Student in der Abteilung für Planetologie und Habitabilität am Centro de Astrobiología CSIC / INTA in Madrid, Spanien. Er ist ein junger Forscher, der Vorgänge auf dem Mars und ihre Entsprechungen auf der Erde, besonders im Zusammenhang mit gefrorenen Böden, seit 2009 untersucht hat. Er war Mitglied einer Antarktisunternehmung des Antarktisforschungsteams der Universidad de Alcalá.


Review

Viele Leute wissen, was Permafrost ist: gefrorener Boden. Aber wenn Forscher jahrzehntelang Permafrost untersuchen, dann muss dahinter viel mehr stecken, als nur diese einfache Information.

Dieser Artikel beschreibt, was Permafrost ist, wie man ihn erforschen kann, was man aus dieser Forschung lernen kann und warum die erhaltene Information wertvoll ist. Zusätzlich enthält er Informationen für viele Unterrichtsfächer und Themen für den Unterricht in Sekundarschulen inklusive Biologie (z. B. Ökologie), Umweltwissenschaften (z. B. Klimawandel), Physik und Chemie (z. B. Wasser und Materialeigenschaften), Geologie (z. B. Eigenschaften von Fels) und Meteorologie (z. B. Wind und Temperatur).

Für Schüler der unteren Sekundarstufe (Alter 13 – 15) wäre der Artikel eine gute Informationsquelle für Permafrost, wie er untersucht wird und welche wichtige Information in ihm steckt. Ältere Schüler (Alter 16 – 19) würde der Artikel beim Verständnis dafür helfen, dass alles, was auf dem Planeten geschieht, direkte oder indirekte Auswirkungen hat, die weit über unsere Vorstellungskraft hinausgehen. Beispielsweise wird den Schülern bewusst werden, dass die globale Erwärmung menschliche Landnutzung und Entwicklung negativ beeinflussen kann.
Geeignete Verständnis- und Diskussionsfragen wären:

  1. Was sind, hinsichtlich Eigenschaften und Vorkommen, die Hauptunterschiede zwischen Permafrost, Talik und der aktiven Schicht?
  2. Welche Kriterien werden von Wissenschaftlern üblicherweise zur Lokalisierung von Permafrostbereichen verwendet?
  3. Erkläre, wie Änderungen in der aktiven Schicht zur globalen Erwärmung beitragen können.
  4. Warum ist es wichtig, die Temperatur in verschiedenen Tiefen innerhalb des Permafrosts zu messen?
  5. Eine Baufirma plant den Bau von Häusern in einer Permafrostgegend. Würden Sie diese Pläne unterstützen? Erklären Sie Ihren Gedankengang.

Der Artikel eignet sich am besten für Schulunterricht in den Ländern Nordeuropas, ebenso für Länder mit hohen Bergen, weil diese Länder Permafrost haben. Dennoch kann dieser Artikel wertvolle Information für jede Schulklasse auf der ganzen Welt liefern, weil der Klimawandel ein globales Problem ist und Permafrost sowohl beeinflusst als auch von ihm beeinflusst wird.


Michalis Hadjimarcou, Zypern




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CC-BY-NC-ND