Hitzewellen tauen arktischen Permafrost auf

Mithilfe von Satellitendaten haben Forschende der ETH Zürich eine Methode entwickelt, um die Freisetzung von Kohlenstoff aus dem arktischen Permafrost zu bestimmen. Ihre Ergebnisse zeigen, wie sommerliche Hitzewellen arktische Erdrutsche im auftauenden Permafrost beschleunigen.

Ein sumpfiger, abgesackter Teil einer Wiese nahe einem Fluss.
Taurutschung, Mackenzie River Delta, Kanada.  (Bild: ETH Zürich / Simon Zwieback)

In der nördlichsten Region der Erde schmilzt der arktische Permafrost immer schneller. Seit mehr als einem Jahrzehnt beobachtet ein internationales Team von Forschenden der ETH Zürich, der University of Alaska Fairbanks und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt topografische Vertiefungen – hufeisenförmige Erosionsstellen, die als Taurutschungen (englisch: Retrogressive Thaw Slumps, RTS) bezeichnet werden. Sie entstehen, wenn dauerhaft gefrorene Bodenschichten im Permafrost schmelzen und arktische Hänge anfällig für Erdrutsche werden. Solche Erdrutsche können Kohlenstoff freisetzen, der seit Zehntausenden von Jahren im Permafrostboden gespeichert ist.

Philipp Bernhard, Institut für Umweltingenieurwissenschaften, ETH Zürich
«Der starke Anstieg der Taurutschungen aufgrund der sibirischen Hitzewelle zeigt, dass die Kohlenstoffmobilisierung in Permafrostböden durch steigende Temperaturen stark zunehmen und nicht linear verlaufen kann»
Philipp Bernhard, Institut für Umweltingenieurwissenschaften, ETH Zürich
Philipp Bernhard

Erhöhte Mobilisierung von organischem Kohlenstoff

Die Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift der European Geoscience Union The Cryosphere veröffentlicht wurde, zeigt erhebliche Veränderungen in der Topografie der sibirischen Halbinsel Taymyr im Norden Russlands auf. Das Forschungsteam berichtet von einem starken, 43-fachen Anstieg der Taurutschungen und einer 28-fachen Zunahme der Kohlenstoffmobilisierung. Die Beobachtungen fallen mit einer extremen Hitzewelle zusammen, die 2020 in Nordsibirien zu Temperaturen bis 38 Grad Celsius führte – Rekordwerte für die arktische Region.

«Der starke Anstieg der Taurutschungen aufgrund der sibirischen Hitzewelle zeigt, dass die Kohlenstoffmobilisierung in Permafrostböden durch steigende Temperaturen stark zunehmen und nicht linear verlaufen kann», erklärt der Hauptautor der Studie, Philipp Bernhard vom Departement Umwelt, Bau und Geomatik der ETH Zürich. Und fügt vergleichend hinzu: «Auf regionaler Ebene hat die starke Mobilisierung durch Taurutschungen mindestens die gleiche Grössenordnung erreicht wie die bisherigen Gesamtschätzungen der Kohlenstofffreisetzung in der Region.»

Veränderungen im arktischen Permafrost gemessen

Mithilfe von Satellitendaten konnten die Forschenden eine neue Methode entwickeln, um die Mobilisierung von Kohlenstoff im Permafrostboden zu quantifizieren. Derzeit gibt es keine vergleichbare Methode, um Veränderungen in Permafrostregionen räumlich und vertikal so hoch aufgelöst zu messen. Sie ermöglicht es Forschenden, den Einfluss der Kohlenstofffreisetzung aus dem arktischen Permafrost in Bezug auf das globale Klima genauer einzuschätzen.

Zwei Satellitenbilder im Vergleich. Links vom Sommer 2019, das beinahe komplett rot ist, was viel Vegetation darstellt. Rechts ist ein Foto vom Sommer 2021, das viele dunkle Flecken zeigt, die für Sümpfe stehen.
Vergleich der Sentinel-2-Satellitenaufnahmen vom Sommer 2019 und 2021. Die Veränderung der Vegetation (rot) aufgrund der Taurutschungen ist deutlich zu erkennen.  (Bild: European Space Agency (ESA), ETH Zürich)

Während einer früheren Feld- und Luftbildstudie im kanadischen Mackenzie River Delta sammelte das Forschungsteam Daten, die es später mit den von Satelliten erfassten Daten derselben Region verglich. Seit 2010 betreibt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt die Satellitenmission TanDEM-X, um mittels Radar dreidimensionale Höhenprofile der Erdoberfläche zu sammeln. Ab 2015 analysierten die Forschenden zusätzlich Daten der optischen Sentinel-2-Satelliten, die im Rahmen der Erdbeobachtungsmission «Copernicus-Programm» der Europäischen Weltraumorganisation eingesetzt werden, und konzentrierten sich dabei insbesondere auf die Arktis.

Zwei Grafiken die beide die Höhenunterschiede über die Jahre darstellen.
TanDEM-X-Radarhöhenvergleich zwischen 2010 und 2017. (Bild: ETH Zürich)

Der vernachlässigte Teil des arktischen Kohlenstoffkreislaufs

Die Taymyr-Halbinsel in Sibirien ist wie viele Gebiete der Arktis abgelegen und fast unzugänglich, was wissenschaftliche Feldstudien herausfordernd – wenn nicht gar unmöglich – macht. Die Ergebnisse dieser Studie verdeutlichen jedoch, dass sommerliche Hitzewellen und die Erwärmung der Arktis mit einem erheblichen Umweltrisiko einhergehen, das es zu beobachten gilt.

In den arktischen Permafrostböden sind rund 1,5 Billionen Tonnen organischer Kohlenstoff gespeichert – etwa doppelt so viel wie derzeit in der Atmosphäre. Gemäss Philipp Bernhard stellen die potenziellen Risiken durch entweichenden Kohlenstoff «eine wichtige, aber weitgehend vernachlässigte Komponente des arktischen Kohlenstoffkreislaufs» dar. Das Forschungsteam geht davon aus, dass sich die Satellitenfernerkundung zu einem unverzichtbaren Instrument für das kontinuierliche Monitoring von Kohlenstoffaus auftauendem Permafrost in der Arktis entwickeln wird.

Literaturhinweis

Bernhard, P., Zwieback, S., and Hajnsek, I.: Accelerated mobilization of organic carbon from retrogressive thaw slumps on the northern Taymyr Peninsula, European Geosciences Union, The Cryosphere, 16, 2819–2835, 2022. DOI: externe Seite10.5194/tc-16-2819-2022.

Bernhard P., Zwieback S., Leinss S. L and Hajnsek, I.: Mapping Retrogressive Thaw Slumps Using Single-Pass TanDEM-X Observations, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, vol. 13, pp. 3263-3280, 2020, DOI: 10.1109/JSTARS.2020.3000648.

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