Pedosphäre – Die eiskalten Böden der Erde

Im abschliessenden Artikel der Artikelserie «Pedosphäre» gehen wir auf die Böden ein, die dauerhaft gefroren sind. Als wichtige Kohlenstoffsenken sind Permafrostböden nämlich entscheidend für die klimatischen Bedingungen auf unserer Erde. Zudem hält der Permafrost das Gelände wie Klebstoff zusammen und sorgt damit auch für die Stabilität des Untergrunds.

Was ist Permafrost?

Man spricht von Permafrost (Dauerfrostboden), wenn ein Boden aus Gestein, Sediment oder Erde mindestens zwei Jahre nacheinander Temperaturen von unter null Grad aufweist. Ein solcher Boden besteht typischerweise aus zwei Schichten: Eine dünne obere Schicht (Auftauschicht) von 15 bis 100 Zentimetern Tiefe taut jeden Sommer auf. Hier geschehen dann auch die meisten biologischen und biochemischen Prozesse in den Böden. Diese Auftautiefe wird regelmässig gemessen. Sie gibt Aufschluss über kurzfristige Klimaschwankungen. Erst die darunter liegende Schicht mit ihren Permafrost-Temperaturen zeigt längerfristige Klimaveränderungen. Dadurch lassen sich in Bergregionen und Polargebieten Auswirkungen der globalen Erderwärmung messen.
Die meisten Permafrost-Landschaften sind an ihren (polygonalen) Netzstrukturen der Bodenoberfläche erkennbar. Diese Strukturen bilden sich durch wiederholtes Gefrieren, wenn durch die kalten Wintertemperaturen der gefrorene Boden zusammengezogen wird. Es entstehen Risse – ähnlich wie Bodenrisse nach Dürren. Diese Risse füllen sich im Sommer mit geschmolzenem Schnee. Auf Grund der Kälte des Bodens gefriert das Wasser jedoch gleich wieder. So entsteht über Jahrtausende die typische Oberflächenmusterung (Polygonmuster).

Wo gibt es Permafrostböden?

Permafrostböden sind weiter verbreitet, als manche wahrscheinlich denken. Der Grossteil aller Permafrostböden befindet sich in hohen Gebirgen und in den Polarregionen. Sie nehmen gut ein Viertel der Erdoberfläche der Nordhalbkugel ein. Auch in der Schweiz gibt es Permafrost. Hierzulande ist er jedoch nicht so direkt erkennbar. Geländeformen wie Blockgletscher – talwärts kriechende, reichlich Eis enthaltende Schuttmassen – deuten aber auf Permafrost hin. In den Schweizer Alpen wurden seit 1996 an 30 Standorten Bohrlöcher in den Permafrost gegraben. Diese Löcher wurden mit Temperatur-Messinstrumenten ausgerüstet, die wichtige Daten über die Zustände der Böden liefern. Diese helfen sie komplexe Bodenprozesse besser zu verstehen. Die Messungen aus dem Jahr 2022 zeigen, dass der Permafrost-Widerstand an allen Standorten zwischen 1,5 und 20 Prozent sank. Einige Standorte erreichten sogar einen Rekordtiefstwert. Allgemein deute dies auf einen Anstieg des Flüssigwassergehalts in der Permafrostschicht hin. Dieser Effekt sei eine direkte Folge des Abbaus des Eises im Permafrost.

Es gibt auch submarinen Permafrost; ein Überbleibsel der letzten Eiszeit. Durch den steigenden Meeresspiegel an deren Ende wurden diese gefrorenen Flächen überflutet, weshalb der Permafrost nun unter Wasser liegt.

Was passiert, wenn Permafrost taut?

In Permafrostböden befinden sich grosse Mengen an abgestorbenem Pflanzenmaterial. Da es eingefroren ist, wird es nicht von Mikroben abgebaut. Erst durch das Auftauen der Böden werden die Mikroorganismen aktiv und beginnen ihr Werk. Dadurch gelangen Treibhausgase, die im organischen Material gespeichert waren, in die Atmosphäre. Dies fördert die Erderwärmung – und damit auch das weitere Tauen von Permafrost.
Es wird angenommen, dass Permafrostböden zwischen 1’300 und 1’600 Gigatonnen Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffdioxid und Methan enthalten. Aus zahlreichen Untersuchungen geht hervor, dass die Treibhausgase aus Permafrost bis 2100 etwa 0,2 Grad Celsius zur globalen Erwärmung beitragen werden. Vermutlich wird ihr Anteil jedoch höher sein, da für die Modellrechnungen meist ausschliesslich die Emissionswerte der Zersetzung von organischem Material in den Permafrostböden berücksichtigt wurden. Treibhausgase entweichen in auftauenden Permafrostgebieten, aber auch aus Steinböden. Bislang wurde dies in den Prognosen nicht berücksichtigt.
Noch unbekannte Mengen Kohlenstoff befinden sich zudem im submarinen Permafrost.

Neben den klimatischen Folgen hat das Tauen des Permafrosts auch erhebliche Auswirkungen für die Landschaften und die besiedelten Gebiete: Landoberflächen sinken ungleichmässig ab, wodurch Strassen, Eisenbahnschienen, Öl- und Gas-Pipelines sowie Gebäude beschädigt werden. Laut Berechnungen dürften 30 bis 50 Prozent der Infrastruktureinrichtungen in den nördlichen, von Permafrost geprägten Gebieten bis 2050 wenig bis stark beschädigt werden. In den Gebirgen werden die Bodenflächen instabil, was das Risiko von Erdrutschen etc. erhöht.