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Von Stephan Leiß & Thomas Gruhl. Was sind Permafrostböden ? Verbreitung von Permafrostböden Mächtigkeit von Permafrostböden Aufbau von Permafrostböden.

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1 von Stephan Leiß & Thomas Gruhl

2 Was sind Permafrostböden ? Verbreitung von Permafrostböden Mächtigkeit von Permafrostböden Aufbau von Permafrostböden Auftauen der Permafrostböden Bedeutung für den Klimawandel Freisetzung von CO 2 und CH 4 Veränderung der Albedo Auswirkungen auf den globalen Wasserkreislauf klimatische Folgen Gegenmaßnahmen Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl2

3 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 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl3

4 4 Freiliegender Permafrostboden in Sibirien

5 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) Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl5

6 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 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl6

7 Faustformel: Tiefe Permafrostschicht = f (T Durchschnitt ) pro Minusgrad ca. 50 – 100 m Permafrosttiefe Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl7

8 8 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 Auftaubereich active layer (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 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl9

10 10 aktuelle VerbreitungPrognose: Verbreitung im Jahr 2050

11 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl11 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 Böden führt zur Bildung von Kratern, die mit Tauwasser gefüllt sind Thermokarste Bildung von Sümpfen und Mooren Im Boden gebundener Kohlenstoff wird freigesetzt Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl12 Thermokarste Landschaft

13 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl13 Permafrost ist bereits heute CH 4 -Nettoquelle, Emission > Speicherung Dagegen weiterhin CO 2 -Senke

14 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl14 Überreste von Pflanzen und Tieren bilden Kohlenstoffgehalt der Permafrostböden: ca 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 CO 2 oder CH 4 CO 2 und CH 4 werden beim Auftauen mehr und mehr in die Atmosphäre abgegeben Zusätzliche Freisetzung von CH 4 aus Tümpeln und Mooren CO 2 Freisetzung durch vermehrtes Auftreten von Tundrenfeuern

15 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl15 Freisetzung von CH 4 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 CH 4 wird freigesetzt CH 4 steigt auf kann durch Taliki freigesetzt werden auch sehr geringen Mengen können großen Einfluss haben, da lediglich 4 Gt CH 4 -C in Atmospähre

16 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl16 CH 4 ist sehr viel stärkeres Treibhausgas als CO 2 : Global Warming Potential (GWP) von CH 4 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 CH 4 kann aerob oder anaerob oxidiert werden Blowout: Schlagartiges Ausstoßen von Gasblasen unter großen CH 4 - Austrag in die Atmosphäre Zahlen über freigesetztes Methan schwanken stark

17 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl17 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 CO 2 aus der Atmosphäre aufzunehmen Annahme, dass positiver Effekt durch die CO 2 - Aufnahme vom negativen Effekt der verringerten Albedo übertroffen wird

18 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl18 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 Erwärmung Auftauen der Permafrost- böden CO2 und CH4 – Freisetzung Änderung der Albedo Wärmeaufnah me 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 …. Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl19

20 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl20 Stoppen der vom Menschen gemachten Treibhausgasemissionen: Umstellung der Stromversorgung auf CO 2 -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 CH 4 Feldversuch mit Ansiedlung pflanzenfressender Tiere: Entstehung eines Steppe-Grasland-Ökosystems mit verbesserter Albebo

21 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl21

22 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl22 lauert-im-permafrost klimawandel-temperaturanstieg-wuerde-dramatische-mengen-von- treibhausgasen-freisetzen_aid_ html Permafrostboeden-tauen-droht-der-Klima-Gau.html entweicht-methan-a html


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