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

Gliederung Was sind Permafrostböden ? Auftauen der 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 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

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 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

Freiliegender Permafrostboden in Sibirien Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

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) Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

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 - Zirkumpolar: Die Polargebiete betreffend, Region um Nord-/Südpol - Antarktis: Klimaverändernde Reaktionen laufen wesentlich langsamer ab  es ist nicht mit klimarelevanten Emissionen zu rechnen - Europa: nur Hochgebirge, Skandinavien ab 1500m, Alpen ab 2500, in Deutschland nur Zugspitze Bildung wird durch Kontinentalität des Klimas begünstigt borealer Nadelwald: nördlichste Waldtypus der Erde; kaltgemäßigte Zone  ausnahmslos auf der Nordhalbkugel; nördlich: Tundra; südlich: kühlgemäßigte sommergrüne Laubwälder oder Waldsteppen; Öokosystem der borealen Nadelwaldzone bildet die größten zusammenhängenden Wälder der Erde Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

Mächtigkeit von Permafrostboden Faustformel: Tiefe Permafrostschicht = f (T Durchschnitt )  pro Minusgrad ca. 50 – 100 m Permafrosttiefe Faustformel: Die Tiefe hängt vorwiegend von der Durchschnittstemperatur der Bodenoberfläche ab Permafrost pro Minusgrad Celsius Durchschnittstemperatur an der Bodenoberfläche zwischen 50 m und 100 m in die Tiefe Bild: Arten des Dauerfrostbodens zu sehen; Die Tiefe der Auftauschicht (Aktive Schicht) und die Mächtigkeit des Permafrostbodens (Tiefe) links: geschlossene Dauerfrostboden zu sehen  kontinuierlicher Permafrost; Auftauschicht von 0,2 – 1,6 m und eine Mächtigkeit von 200 – 400 m  Ausnahme Sibirien  bis 1500 m mitte, rechts: unterbrochener Dauerfrostboden  diskontinuierlicher Permafrost und sporadischer Permafrost unten: Gradangaben  weiter links bedeutet weiter nördlich Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

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 Laut Faustformel: Tiefe/Mächtigkeit abhängig von Durchschnittstemperatur der Bodenoberfläche.  auch noch weitere Einflüsse Wasser verstärkt die Wärmeleitfähigkeit des Bodens  negativ für Permafrostbildung Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

Aufbau von Permafrostböden 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 - thermische Null-Amplitude: Punkt bis zu dem jahreszeitliche Temperaturschwankungen gemessen werden können. 15-20m Tiefe. Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

Auftauen der Permafrostböden Unterschiede aufzeigen  Permafrostgrenze wandert nach Norden  kontinuierlicher Permafrost immer geringer  diskontinuierlicher Permafrost und sporadischer Permafrost dagegen immer mehr  Kontinuierlicher nur noch diskontinuierlicher Permafrost aktuelle Verbreitung Prognose: Verbreitung im Jahr 2050 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

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 Höhere Schneedecke verschlechtert Ausbildung von Permafrostböden bzw. begünstigst das Auftauen, da die Schneedecke isoliert und die Kälte nicht so tief in den Boden eindringen kann Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

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 Kontinuierliche Permafrostschicht unter den aufgetauten Böden verhindert abfließen, Schmelzwasser sammelt sich in Tümpeln Thermokarste: Uneinheitliche Hügellandschaften, deren Senken mit Wasser gefüllt sind und Seen bilden Flüsse und Seen verstärken während der Auftauphase durch erhöhte Wärmeleitfähigkeit die Tauvorgänge. Im Winter fungieren sie als Isolationsschicht  positive Rückkopplung, da sich Permafrostschmelze und Seenentwicklung sich gegenseitig verstärken Thermokarste Landschaft Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

Bedeutung für den Klimawandel Hauptaugenmerk für den Klimawandel liegt auf Freisetzung klimaschädlicher Gas  CH4 (viel) und CO2 (wenig) CO2-Senken: Böden, Moore (Moose und Farne im Moor nehmen CO2 auf), Vegetation, Meere CH4-Senken: geringe Mengen im Boden CO2-Quellen: Tundrenfeuer (z.B. durch vermehrten Blitzschlag) CH4-Quellen: Tümpel, Moore (vernässter Boden gibt CH4 ab), Methanhydrat  aus offenen Taliki DOC: dissolved organic carbon  gelöster organischer Kohlenstoff DIC: dissolved inorganic carbon  gelöster anorganischer Kohlenstoff POC: particulate organic carbon  partikulär organischer Kohlenstoff Permafrost ist bereits heute CH4-Nettoquelle,  Emission > Speicherung Dagegen weiterhin CO2-Senke Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

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 Mikroben: aerob:C wird zu CO2 oxidiert. Anaerob:(Boden wasserüberstautMoore/Tümpel)CH4 durch Fäulnis Feuchte Gebiete: CH4-Emissionen steigen an Trockene/Warme Gebiete: CO2-Emissionen steigen an Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

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 Methanhydrat: Stabilitätsbedingung (hoher Druck, niedrige Temperatur)  sowohl in Permafrost als auch Meeresboden Niedrige Oberflächentemperaturen und der niedrige Temperaturgradient innerhalb der Permafrostböden lassen Existenz von Methanhydrat in 100 – 2000m Tiefe zu Menge ist ungewiss, Schätzungen von 7,5 – 400 Gt Kohlenstoff Talik: Bereich von ständigen ungefroren Boden in der Permafrostzone offener Talik: Talik mit ständiger Verbindung zum Auftauboden Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

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 GWP: gibt an wie viele eine festgelegte Masse zum Klimawandel beiträgt, Kohlenstoff als Vergleichswert Diffusion: „ausgießen, verstreuen, ausbreiten“ , gleichmäßige Verteilung der freigesetzten Gasmoleküle  aerob: Bakterien oxidieren CH4 und setzten CO2 frei  anaerob: Bakterien oxidieren CH4 mit Hilfe von Sulfaten Blowout: durch Destabilisierung des Methans, z.b. durch Hangrutsche unter Wasser oder Erdbeben pro Jahr 14 – 35Mio t CH4 , bis Ende des Jahrhunderts durch Klimawandel 100 – 200Mio t  Anteil an Gesamtemission läge dann bei 40 – 50% Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

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 Albedo: Entscheidender Faktor ist Schneebedeckung, die nur sekundär von aktueller Permafrostbedingung abhängt, Rückgang um 13% bis 2080 Dunkle Flächen reflektieren weniger solare Strahlung, wodurch sie die Atmosphäre in diesem Bereich stärker erwärmt Bei zunehmender Erwärmung übersteigt Abbaurate des Boden-C durch Mikroben die Kohlenstoffeinlagerung in der Vegetation  langfristig wird mehr C freigesetzt als eingelagert Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

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 - steigender Meeresspiegel: bis 2100 ca. 0 – 2,5cm … beim Abschmelzen des ges. Eis im Permafrost 3 – 10cm Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

klimatische Folgen Erwärmung Auftauen der Permafrost- böden CO2 und CH4 – Freisetzung Änderung der Albedo Wärmeaufnahme positive, also sich selbstverstärkende Rückkopplung: Methan gelangt in Atmosphäre verstärkte Erderwärmung schmelzende Eisflächen erhöhte Wärmeaufnahme der Ozeane und Änderung der Albedo Schmelzen der Permafrostböden …. + Durch Auftauen vertieft sich die aktive Schicht und die jährliche Auftauphase verlängert sich Freigesetzte Menge an CO2 und CH4 durch Mikroben steigt, da diese von zunehmen Wasser- und Nährstoffangebot profitieren Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

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 Energetische Nutzung: vgl. Biogasanlage  Nutzung von austretenden CH4 um BHKW anzutreiben Feldversuch: Steppe-Grasland ist heller als borealer Nadelwald  mehr Sonneneinstrahlung wirkt reflektiert Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit ! Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl

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 Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl