Pr.technik Vortrag

Unsicherer Einfluss auf das Klima?
Permafrost
Oliver Seidel
1
Inhaltsverzeichnis
1.
2.
2.1
2.2
2.3
2.4
Einleitung............................................................................................................3
Treibhausgase......................................................................................................3
Kohlendioxid.......................................................................................................3
Methan.................................................................................................................3
Distickstoffoxid...................................................................................................4
Schwefelhexafluorid...........................................................................................4
3.
3.1
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3.
3.3
4.
Permafrost Erläuterung.......................................................................................5
Auswirkung des Auftauens.................................................................................6
Welche Rolle spielen Permafrostböden für die Umwelt?...................................7
Interaktionen mit der Ökologie...........................................................................8
Gefahren durch Auftauen des Permafrosts..........................................................8
Auswirkungen auf Infrastruktur..........................................................................8
Permafrost in den Alpen......................................................................................9
Quellen................................................................................................................12
2
Abstract
Der Klimawandel schreitet immer schneller und gravierender voran, und zeigt regional wie
global stark unterschiedliche Veränderungen und Wechselwirkungen des Klimas mit der Umwelt.
Die Thematik zeigt allerdings, das im allgemeinen Grundkenntnisse zu den Abläufen der
Erderwärmung und was dafür verantwortlich ist fehlen.
In diesem Text möchte ich diese „Verantwortlichen“ kurz erläutern und auf die
Wechselwirkungen, im speziellen Fall Permafrost, eingehen.
Hier wird die ökologische sowie ökonomische Katastrophe angedeutet und es wird klar gezeigt,
dass ein vermeintlich regionales Problem doch zu einem großen globalen Problem wird.
3
1. Einleitung
Schon seit Jahren ist der Mensch bestrebt das Klima mit all seinen Nuancen vorhersagen zu können.
Je weiter man allerdings in diese Materie eindringt, wird festgestellt, dass die Standardmodelle zur
Prognose des Klimas nicht wirklich die Problematik des Wandels erfassen können und dass die
Genauigkeit für viele regionale und auch globale Ereignisse ungenügend ist. Das zeigt alleine schon
die im Jahr 2000 vorhergesagte Erderwärmung für den Zeitraum 2000-2007. Sie ist leider weitaus
schneller vorangeschritten, als von Experten prognostiziert wurde [1]. Natürlich ist die
unzureichende Rechenleistung, die wir momentan besitzen, auch ein Nachteil um die Modellierung
stark zu verbessern.
Sie sind allerdings ausreichend um zeigen zu können, welche Veränderungen natürlich und welche
vom Menschen verursacht sind. Ebenfalls zeigen alle Modelle die Tendenz, in welche Richtung sich
das Klima entwickeln wird.
Hier ist ein wichtiges Ziel schon vorgegeben. Es muss ausreichend genau und sicher prognostiziert
werden können, Was eintrifft, Wie stark und Wann man mit Kippmomenten zu rechnen hat. Ein
Referenzmodell wäre ebenfalls von Vorteil, da alle Modelle aufeinander aufbauen und man dadurch
einen Fehler von einem Modell, in alle anderen übernimmt und im schlimmsten Fall diesen Fehler
sogar potenziert.
2. Treibhausgase
Man bezeichnet als Treibhausgase, jene Gase, die in der Atmosphäre, vom Menschen verursacht,
zum Treibhauseffekt beitragen. Dazu wurde als Referenz die Gaskonzentration vom Jahr 1750
herangezogen.
Zu den wichtigsten Treibhausgasen wird Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Distickstoffoxid
(N2O) und Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) gezählt.
Wasserdampf ist das wichtigste natürliche Treibhausgas, es ist aber aufgrund der Verweildauer und
der starken Fluktuation der Konzentration, nicht in die Kategorie der „problematischen“ Gase
aufgenommen.
2.1 Kohlendioxid
ist eine chemische Bindung von einem Teil Kohlenstoff und zwei Teilen Sauerstoff
In der freien Natur kommt es als natürliches Gas in der Atmosphäre vor und ist im Meer sowie in
mineralhaltigen Quellen vorhanden. Ebenfalls ist es ein wichtiger Teil des organischen
Stoffwechsels in der Pflanzen- und Tierwelt.
Es entsteht bei Verbrennung von Materialien die Kohlenstoff enthalten, wenn genügend Sauerstoff
vorhanden ist. (Ansonsten entsteht Kohlenmonoxid). Hier liegt auch das Hauptproblem des
Anstiegs in der Atmosphäre, seit der Industrialisierung und der Motorisierung.
2.2 Methan
ist eine chemische Bindung von einem Teil Kohlenstoff und vier Teilen Wasserstoff.
( Faktor 22-30 CO2-Equivalent)
Es entsteht bodennah durch Fermentation von Mikroben und in der Tiefe durch hohe Temperatur
und hohen Druck.
Etwa 70 % der mikrobiellen Methanemissionen der Erde sind auf Aktivitäten der Menschen
4
zurückzuführen. „Durch landwirtschaftlichen Anbau und Tierhaltung wird Methan emittiert, 39 %
dieser Emissionen gehen auf die Rinderhaltung zurück, 17 % auf den Nassreisanbau.“ [2]
Durch den wachsenden Bedarf an Lebensmittel (vor allem an Fleisch) ist auch hier ein starker
Anstieg in der Atmosphäre zu verzeichnen.
2.3 Distickstoffoxid
ist eine chemische Bindung von zwei Teilen Stickstoff und einem Teil Sauerstoff.
( Faktor 280-295 CO2-Equivalent)
Es entsteht primär durch mikrobielle Abbauprozesse von Stickstoff im Boden. Verstärkt wird dies
durch die Landwirtschaft, die durch Düngung (Stickstoffanreicherung des Bodens) in Kombination
mit feuchten Böden, die Lachgasproduktion stark ansteigen lässt.
Im Vergleich zur Referenz-Gaskonzentration ist die Menge bis dato um 20% gestiegen und trägt im
Moment mit ca. 6% zum Treibhauseffekt bei.
2.4 Schwefelhexafluorid
ist eine chemische Bindung von einem Teil Schwefel und sechs Teilen Fluor.
( Faktor ~ 23.000 CO2-Equivalent). Es gilt als das stärkste Treibhausgas, mit einer Verweildauer
von über 3000 Jahren in der Atmosphäre.
Es wird hauptsächlich in der Elektrotechnik, bei der Halbleiterproduktion und der
Metallgewinnung, (z.B. Magnesium) verwendet.
Der stark wachsende Markt dieser Branchen zeigt auch hier, eine negative Entwicklung der
Konzentration in der Atmosphäre.
Abbildung 1 Zunahme der Treibhausgase CO2 CH4 und N2O (IPCC 2001 in KROMP-KOLB,
2007)
5
3. Permafrost
Als Permafrost bezeichnet man Eisschichten, die innerhalb von Geröllmassen, Felsen und im
Erdreich zu finden sind und diese zu einem festen Block zusammen halten. Die Eisschichten
entstehen dort, wo die Temperaturen generell unter 0° Celsius liegen. Der Permafrost kann eine
Tiefe von bis zu 1500m erreichen. Es kann grob gesagt werden, die Tiefe des Permafrostes beträgt
50 – 100 Meter, pro Minusgrad Celsius der Durchschnittstemperatur an der Bodenoberfläche.
Weltweit macht der Permafrost ~25% der Landmasse aus. Der Hauptanteil liegt dabei aber in der
nördlichen Hemisphäre, in der Arktis, Antarktis, sowie in den Hochgebirgen und beträgt ca. 23
Millionen km². (Abbildung 2)
Abbildung 2 Permafrostvorkommen der Nordhemisphäre, unterteilt in Zonen kontinuierlichen,
diskontinuierlichen und sporadischen Permafrostes. Bohrlöcher des Global Terrestrial Networks for
Permafrost (GTN-P). (Quelle: Smith and Burgess et al, 2003) [3]
Da die Entstehung des Permafrostes primär vom Klima abhängt, reagiert dieses System sehr
empfindlich auf Änderungen des Klimas. Durch die vorangeschrittene Erderwärmung tauen im
Sommer immer mehr Gebiete auf und die entstehende „aktive“ Schicht wandelt sich im Winter
immer weniger in die „inaktive“ Schicht zurück.
Wenn man das gemäßigte Szenario B2 für eine Prognose heranzieht, muss man mit einem
Temperaturanstieg von 3-5 °C über Land in den nächsten 90 Jahren rechnen.
Anisimov und Nelson haben 1997 anhand dieser Prognosen zeigen können, dass man mit einem
Rückgang des Permafrosts von 20-35% zu rechnen hat. [3] Und 2003, dass die Auftauschicht um
50% tiefer gehen kann. Regional sogar bis zu 1 Meter. (Abbildung 3) [4]
6
Abbildung 3. Permafrostgrenze unter der Annahme eines völligen Schmelzens des heutigen
diskontinuierlichen Permafrostes, wahrscheinlich für den Zeitraum nach 2100. Meereisgrenze und
Baumgrenze prognostiziert für 2100.(Quelle: ACIA, 2004)
3.1 Auswirkungen des Auftauens
Taut der Permafrost, entstehen weitreichende Folgen für die Ökologie und Ökonomie.
Im Boden wird sich das Wasserverhältnis ändern und durch die unterschiedlichen Volumina von Eis
und Wasser, wird sich Thermokarst ausbilden. In den entstehenden Senken werden neue Seen
entstehen, die das Auftauen der tieferen Schichten beschleunigen und das Einfrieren im Winter
verlangsamen.
Die Albedo verschlechtert sich stark, durch die wegfallenden Schneeflächen und verbessert sich
geringfügig, durch das austrocknen vorhandener Moore und Sumpfflächen. In Summe wird man mit
einer starken Verschlechterung rechnen müssen.
Die im Permafrost eingefrorenen Gase, CO2 und CH4, entweichen. Die Mikroben fangen an, die im
Boden gebundenen, organischen Substanzen, zu zersetzen und erhöhen stark die CO2 und CH4
Produktion. In der Wachstumsphase nimmt die Vegetation Kohlendioxid auf. Aus den feuchten
7
Böden wird Methan abgegeben, die dadurch entstehenden Moore und Sümpfe sind CO2-Senken
und CH4-Quellen.
In den austrocknenden Zonen werden die schon bestehenden Moore und Sümpfe verschwinden und
zu CO2-Quellen. Die CH4-Produktion stagniert.
Die borealen Wälder verlieren die Bodenstabilität und die Wurzeln verlieren ihren Halt, es entsteht
mehr Bruchholz und dadurch eine verstärkte CO2-Abgabe. Ebenfalls erhöht sich die
Waldbrandgefahr, was wiederum zur verstärkten CO2-Abgabe führt.
Die Vegetation verschiebt sich nach Norden und aus Tundra wird Taiga, boreale Wälder wandeln
sich in produktivere Waldformen wärmerer Zonen um. Die Waldbedeckung wird ansteigen und eine
CO2 Senke tritt ein. Hier wird auch mehr Kohlenstoff gebunden. [5]
Man hat aber folgenden Schluss aus Untersuchungen in Sibirien ziehen können.
„Bei zunehmender Erwärmung übersteigt die erhöhte Abbaurate des Bodenkohlenstoffs durch
Mikroorganismen die Kohlenstoffeinlagerung durch produktivere Vegetation. Somit wird durch den
Klimawandel langfristig mehr Kohlenstoff freigesetzt als eingelagert“. [6]
Modelle haben gezeigt, dass die Methan Emission um 38% steigen kann, wenn die aktive Schicht in
den nördlichen Feuchtgebieten um durchschnittlich 10 cm anwächst. Sie würden bis zum Ende des
Jahrhunderts auf ca. 51 Gt Methan anwachsen [7], was bis zu 25% der gesamten atmosphärischen
natürlichen CH4 Emissionen entsprechen würde, die zurzeit freigesetzt wird.
Abbildung 4: Skizze der durch Permafrost beeinflussten Landschaft samt Treibhausgasflüssen und
Veränderungen durch Auftauprozesse
(Quelle: ACIA, 2004)
3.2 Welche Rolle spielen Permafrostböden für die Umwelt?
In Europa kommt Permafrost ausschließlich in Hochgebirgen vor. Die untere Permafrostgrenze
liegt beispielsweise in den skandinavischen Gebirgen bei etwa 1500 Metern, in den Alpen bei über
2500 Metern und in der Sierra Nevada bei über 3000 Metern. [9]
Im Frühjahr taut die obere Schicht des Permafrostbodens auf und es entweichen Gase, wie
Kohlenstoff und Methan. Durch die Klimaerwärmung nimmt dieser Schmelzvorgang immer weiter
zu.
Die Schätzungen der Kohlenstoffvorräte der Permafrostböden der hohen Breiten liegen bei 1700
Gt. Dies entspricht 25 % des weltweiten Bodenkohlenstoffs. [10]
8
3.2.1 Interaktionen mit der Ökologie
Permafrost und seine klimabedingten Veränderungen haben starke Auswirkungen für Landschaften,
Bevölkerungen und Ökosysteme.
In der borealen Zone wird durch Abholzung der Wälder eine Verringerung des Permafrostes
herbeigeführt, dadurch sinken zahlreiche Bäume ab und stehen somit schief („drunken forest“).
Veränderungen der Temperatur des Permafrosts beeinflussen die Verhältnisse des Boden- und
Oberflächenwassers, was sich wiederum auf die Pflanzenwelt, sowie die Topographie auswirkt,
Waldbrände und Insektenbefall können zunehmen. Für Moore und Sumpfgebiete erhöht sich das
Risiko auszutrocknen, mit weiteren Folgen für Jagd und Fischwanderungen.
Im Gebirge kann das Tauen des Permafrostes und die Vertiefung der aktiven Schicht zum
Beispiel zu Schäden durch Hanginstabilitäten und Steinstürzen führen. [11]
Der Volumenverlust durch Auftauen des Permafrosts lässt charakteristische Landformen,
sogenannte Thermokarste, durch die Einsenkung der Landoberfläche entstehen.
In den Senken sammelt sich das Wasser, und es bilden sich Seen. Wohingegen die höheren Stellen
trocken bleiben. Thermokarst wirkt sich somit maßgeblich auf Hydrologie und Vegetation aus.
3.2.2 Gefahren durch Auftauen des Permafrosts
Das Auftauen der Permafrostböden in den Alpen setzt ganze Berghänge in Bewegung. Am
Bliggferner in den Alpen rutschen derzeit etwa vier Millionen Kubikmeter Gestein und Eis in
Richtung Tal. Ein Abrutschen in den Gepatsch-Stausee könnte den See über die Staumauer treten
lassen und damit eine Flutwelle ähnlich wie im Fall der Vajont-Staumauer in den italienischen
Alpen auslösen.
In Norwegen hat der Permafrostboden eine eher warme Temperatur von 0 bis 3 Grad Celsius.
Dadurch sind auch dort Erdrutsche durch Ansteigen der Temperatur wahrscheinlich, da gefrorenes
Wasser als Bindemittel für loses Gestein und Sand wirkt. Als Folge von Murgang könnten in den
engen Fjordschluchten bis zu 45 Meter hohe Tsunamis entstehen.
Aus Permafrostböden könnten Sümpfe entstehen, aus denen Methan in die Atmosphäre entweichen
würde. Das Treibhauspotenzial von Methan ist circa 25-mal so groß ist wie das von CO2.
3.2.3 Auswirkungen auf Infrastruktur:
Bereits heute zeigen sich negative Effekte für Ökonomie und Infrastruktur. Große Aufwendungen
zur Schadensbekämpfung sind notwendig. Wirtschaftszweige wie Öl-, Holz- und Gasindustrie erleiden große Schäden durch strukturelle Veränderungen. Auch die Phase, in der Eiswege, sowie Tundraböden für die Industrie befahrbar sind, hat sich bereits verkürzt.
Diese Schäden treten auch schon heute in manchen Regionen der Welt auf, wie etwa in Alaska. Sie
führen zu großen Aufwendungen in den betroffenen Gegenden. Die schlimmste Ausprägung könnten ganze Städte sein, die im Schlamm des auftauenden Permafrostes versinken. Beispielsweise die
russische Großstadt Jakutsk, welche vollständig auf Permafrost gebaut ist.
So ist zum Beispiel die Anzahl der in Alaska nach einem festen Standard freigegebenen „Tundra
Reisetage“ in den letzten 30 Jahren von 200 auf 100 Tage im Jahr gesunken [12]. Laut einer Studie
zur Risikogefahr durch tauenden Permafrost befinden sich weite Teile Eurasiens und Amerikas in
einer Zone hohen Risikos, unter anderem auch die Transsibirische Eisenbahnlinie und das Bilibino
Kernkraftwerk im Osten Russlands).[13]
9
Die zu erwartenden Risiken für die Infrastruktur durch tauenden Permafrostes bis 2050 auf
Grundlage des B2 Szenarios:
Gefahrenpotenzial für die Infrastruktur durch tauenden Permafrost bis 2050 (Quelle: ACIA, 2004).
3.3 Permafrost in den Alpen
• Für Österreich kann die potenzielle Permafrost-Fläche auf 2000 km²
geschätzt werden, das sind etwas mehr als 2 % der Staatsfläche oder etwa 3-4 % der Fläche der
österreichischen Alpen.
Zum Vergleich: die Gesamtfläche der Gletscher belief sich 1999 auf 471 km².
• Für die Schweiz wird ebenfalls eine potenzielle Permafrost-Fläche von 4-6 %
der Staatsfläche angegeben [14], das sind ebenfalls rund 2000 km² oder 7-8 % der Schweizer
Alpenfläche.
• Für die gesamten Alpen beläuft sich eine vorsichtige Schätzung auf 60007000 km² oder 3-4 % der Gesamtfläche
10
Abb.: Potenzielle Permafrost-Verbreitung in Österreich
11
4. Quellen
[1]http://www.welt.de/wissenschaft/umwelt/article3212711/Im-Permafrost-Boden-tickt-eine-Klima-Zeitbombe.html
19.04.2014
[2]http://de.wikipedia.org/wiki/Methan 20.04.2014
[3]Smith & Burgess et al, 2003. The Global Terrestrial Network of Permafrost (GTN-P).
http://gsc.nrcan.gc.ca/permafrost/gtnp/
[4] Anisimov & Nelson et al, 1997. Permaforst zonation and Climate change. Climatic Change
pp.241-258, Kluwer Academic Publishers
[5] Anisimov et al, 2003. Metereology and Hydrology 2 pp. 18-30, Cambridge University Press
[6] ACIA et al, 2004. Impacts of Warming Arctic. Cambridge University Press, 1042 p.
[7] Forschungsnachrichten et al 2005. Taiga Wälder sind offenbar doch kein Klimaschützer.
http://www.forschungsnachrichten.de/geologie/geowissenschaften-meldungen/taiga-w%E4ldersindoffenbar-doch-keine-klimasch%FCtzer.htm 23.04.2014
[8] Zhuang et al, 2004. Global Biogeochemical Cycles GB3010, Akademischer Verlag
IFA Gestis . Stoffdatenbank.
http://gestis.itrust.de/nxt/gateway.dll/gestis_de/010000.xml?f=templates$fn=default.htm$3.0,
20.04.2014
[9] Harris, C. and Peter, D., 2001. The Permafrost is melting. In: European Research news Centre,
[10] Schuur et al.High risk of permafrost thaw 2011,VOL 480 , NATURE
[11] Gruber, S., Hoelzle, M. and Haeberli, W., 2004. Permafrost thaw and destabilization of Alpine
rock walls in the hot summer of 2003. VOL.31 Geophysical Research Letters
[12] ACIA, 2004. Impacts of a Warming Arctic - Arctic Climate Impact Assessment. Cambridge
University Press
[13] Nelson, F.E., Anisimov, O.A. and Shiklomanov, N.I., 2002. Climate Change and Hazard
Zonation in the Circum-Arctic Permafrost Regions, Kluwer Academic Publishers
[14] VONDER MÜHLL, D., & Koordinationsgruppe Permafrost der SANW,1999: Permafrost –
Verbreitung und ausgewählte Aspekte.
Vorlesungsskript Permafrost, Gerhard Karl Lieb, WS 2006/07
UBA-Hintergrundpapier, Umweltbundesamt, 2006
12