Permafrostboden

Permafrostboden – auch Dauerfrostboden – ist ab einer gewissen Tiefe das ganze Jahr hindurch gefroren. Definitionsgemäß ist Permafrostboden „Boden, Sediment oder Gestein, welches in unterschiedlicher Mächtigkeit und Tiefe unter der Erdoberfläche mindestens 2 Jahre ununterbrochen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt aufweist“.^[1]

Permafrostboden mit Eiskeil

Verbreitung

Verbreitung und Arten von Permafrost in der Nordhemisphäre

Permafrostböden bilden sich dort, wo die Jahresdurchschnittstemperatur -1 °C und der Jahresniederschlag 1.000 Millimeter nicht übersteigt. Somit befinden sich die großen Permafrostareale der Erde in den Polargebieten mit den arktischen und antarktischen Tundren, große Teile der borealen Nadelwaldgebiete, aber auch sämtliche Gebiete, welche die Voraussetzungen für Permafrost erfüllen, wie etwa Hochgebirge. 20-25 % der Landflächen der Erde sind Permafrostböden, wobei Grönland zu 99 %, Alaska zu 80 %, Russland zu 50 %, Kanada zu 40-50 % oder China bis zu 20 % aus Permafrostböden bestehen.^[2] Als Permafrostzone bezeichnet man „das zirkumpolare Gebiet ewiger Gefrornis, das die Tundra der Nordkontinente und die großen Waldgebiete erfasst“.^[3]

Geographisch gesehen handelt es sich um große Teile Nordkanadas, Alaskas, Grönlands und Ostsibiriens. Nach Süden reichen einige Permafrostgebiete bis in die Mongolei. Permafrost dringt dabei unterschiedlich tief in den Untergrund: In Sibirien erreicht der Permafrost Tiefen von bis zu 1.500 Meter, in Skandinavien sind es lediglich ca. 20 Meter. Gründe dafür liegen in der großen Kontinentalvergletscherung der letzten Eiszeit (Weichseleiszeit). Während Sibirien nie in größerem Maße vergletschert war, und der Boden somit permanent der Kaltluft ausgesetzt war, so dass er dementsprechend bis in sehr tiefe Lagen gefrieren konnte, war Skandinavien durch die mächtigen Eisschilde im Untergrund mehr oder weniger isoliert, womit der Permafrost nicht so tief eindringen konnte.

Permafrostareale gibt es auch in Hochgebirgsregionen, wie beispielsweise den Alpen. Sie sind während der letzten Eiszeit (Würmeiszeit) entstanden als der Boden stellenweise bis in mehrere 1.000 Meter Tiefe gefror. Neben diesen fossilen Permafrostgebieten in den Alpen findet heute – wenn auch nur in sehr geringem Umfang – auch rezente Permafrostneubildung statt (zum Beispiel durch das Zurückweichen eines isolierend wirkenden Gletschers oder Blockgletschers, wodurch der Boden direkt der Kaltluft ausgesetzt ist und sich Permafrost neu bilden kann, sofern die Voraussetzungen dafür erfüllt sind).

Zudem gibt es auch submarinen Permafrost, also Permafrostböden am Grund der Meere. Durch die Dichteanomalie des Wassers eigentlich physikalisch unmöglich, erklärt sich dieser folgendermaßen: durch die eustatische Meeresspielgelschwankung der letzten Eiszeit lagen viele Kontinentalschelfe, die heute wieder unter Wasser stehen, über dem Meeresspiegel, wodurch die Böden dort bis in mehrere 100 Meter Tiefe Permafrost ausbilden konnten.^[4] Das Meerwasser, das den Schelf in der folgenden Warmphase wieder überflutete, war zu kalt, um den dann submarinen Permafrost wieder auftauen zu können. Die bekanntesten submarinen Permafrostgebiete liegen in der Laptewsee im Nordpolarmeer.

Permafrostböden können im Sommer oberflächlich auftauen; der Auftauboden (in der Literatur häufig auch als „active layer“ bezeichnet) besitzt dabei typische Mächtigkeiten, die zwischen 30 Zentimetern und 2 Metern variieren. Der sich darunter befindende Boden bleibt weiterhin gefroren. Bedingt durch den Auftauboden finden zahlreiche periglaziale Denudationsprozesse statt. Die außerhalb der Periglazialgebiete gebildete, periodisch gefrorene, obere Bodenschicht bezeichnet man als Winterfrostboden; dieser gehört nicht zu den Permafrostböden (zum Beispiel der in Zentraleuropa gefrorene Oberboden im Winter).

Gliederung des Permafrosts

Vertikale Gliederung des Permafrostbodens

Horizontale Gliederung

1. Zone des kontinuierlichen Permafrosts (bis zu 100 % des Unterbodens sind gefroren)
2. Zone des diskontinuierlichen Permafrosts (mehr als 50 % des Unterbodens sind gefroren)
3. Zone des sporadischen Permafrosts (lückenhafte Verteilung des gefrorenen Unterbodens)

Vertikale Gliederung (von oben nach unten)

1. sommerlicher Auftauboden (active layer), der bei höheren Temperaturen mehr oder weniger stark aufgetaut sein kann (Mächtigkeit: wenige Zentimeter bis mehrere Meter)
2. eigentlicher Dauerfrostboden (ist immer gefroren), wobei die Oberfläche, und damit die Grenze zum Auftauboden, als Permafrosttafel bezeichnet wird
3. Niefrostboden bzw. Talik (ist aufgrund der geothermischen Wärmezufuhr aus dem Erdinneren ungefroren), liegt in einigen Dekametern bis maximal 1.500 Meter Tiefe

Talik kommt sowohl unter dem Permafrost (Sub-Permafrost-Talik) als auch in einzelnen Linsen und Taschen im Permafrost (Intra-Permafrost-Talik) vor, bedingt durch Materialunterschiede.

Probleme für den Menschen

„Pfahlbau“ in Jakutsk

Auftauboden in Permafrostregion

Das oberflächliche Auftauen der Böden bereitet viele Probleme für den Bau von Gebäuden. Werden Gebäude im Winter auf den gefrorenen Böden gebaut, kann es passieren, dass diese durch das Auftauen wieder einstürzen. In Gebieten mit Permafrostböden werden deshalb Gebäude vornehmlich auf Pfählen gebaut, die bis in die permanent gefrorene Tiefe des Bodens reichen und somit auf festem Grund stehen. Außerdem kann Luft den Unterboden des Hauses umströmen und die vom Gebäude abgestrahlte Wärme abtransportieren, um ebenfalls den Boden nicht auftauen zu lassen.

Paläontologische Bedeutung

In Permafrostböden wurde die voreiszeitliche Fauna und Flora vorzüglich konserviert. Das gefundene biologische Material ist dabei permanent tiefgefroren. Dadurch sind auch DNA-Analysen der Funde möglich, was bei Fossilien sonst nicht möglich ist. So wurde 1997 ein sehr gut erhaltenes Wollhaarmammut (das Jarkov-Mammut) auf der Taimyr-Halbinsel in Nordsibirien von dem Dolganen Gennadij Jarkow gefunden, das umfassend untersucht wurde.

Der Rückgang der Permafrostböden

Steinringe auf Spitzbergen

Eiskeile an der Oberfläche

Solifluktion auf Spitzbergen

Im Zuge der globalen Erwärmung wurde in den letzten Jahrzehnten eine Nordwärtswanderung der Permafrostgrenze in Nordamerika und in geringerem Umfang auch in Eurasien beobachtet. Die Folgen sind Schäden an Straßen und Häusern, die dort, wo der Permafrost auftaut, nun auf Morast stehen. Langfristig wird ein Auftauen in noch wesentlich größerem Ausmaß befürchtet, da die Klimamodelle eine weit überdurchschnittliche Erwärmung in der Arktis voraussagen. Einige Wissenschaftler nehmen an, dass es zu einer positiven Rückkopplung kommen könnte, da in den dauerhaft gefrorenen Böden als Biomasse gebundener Kohlenstoff in großen Mengen vorliegt, der nach dem Abtauen und Abbau der Biomasse als Treibhausgas Kohlendioxid an die Atmosphäre abgegeben würde. Des Weiteren könnte in diesem Fall aus den Permafrostböden Sümpfe entstehen, aus denen Methan in die Atmosphäre entweichen würde. Dieser Vorgang wäre eine Verstärkung der Erwärmung, da das Treibhauspotenzial von Methan etwa 25 mal so groß ist wie das von CO₂. Nach einer Untersuchung aus dem Jahr 2009 beträgt dieser Faktor sogar 33, wenn Wechselwirkungen mit atmosphärischen Aerosolen berücksichtigt werden.^[5]

Das Auftauen von Permafrostböden sorgt kurzfristig und lokal bereits für erhebliche und bedrohliche Veränderungen der Topographie. Vor allem im Norden Russlands sinken große ebene Flächen innerhalb kurzer Zeit plötzlich ab, wenn das gefrorene Wasser taut und an Volumen verliert, eingeschlossenes Gas entweicht, und das durchlöcherte Erdreich in der Folge unter dem eigenen Gewicht in sich zusammensinkt. Zurück bleibt auf weiten Flächen eine Kraterlandschaft mit schiefen und entwurzelten Bäumen und Seen, gefüllt mit Tauwasser. Auch der submarine Permafrost vor der russischen Küste beginnt durch den Zufluss warmen Wassers verstärkt aufzutauen^[6].

Das Auftauen der Permafrostböden in den Alpen setzt hingegen ganze Berghänge in Bewegung.^[7] Am Bliggferner in den Alpen rutschen derzeit etwa vier Millionen Kubikmeter Gestein und Eis in Richtung Tal. Diese Gebirgsmasse wandert täglich 20 Zentimeter, reißt den Gletscher zunehmend auf, und macht ein plötzliches Abrutschen immer wahrscheinlicher. 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.^[8][9]

Auch in Gebirgslagen Norwegens zeigt sich ein ähnliches Bild: Mit 0 bis -3 °C ist der dortige Permafrostboden wärmer als man gemeinhin denkt. Deshalb sind auch dort bei anhaltender Klimaerwärmung massive Erdrutsche wahrscheinlich, da das gefrorene Wasser als Bindemittel loses Gestein, Sand und dergleichen zusammenhält. Als Folge von Murgang könnten in den engen Fjordschluchten bis zu 45 Meter hohe Tsunamis entstehen ^[10]

Sonstiges

Es wird vermutet, dass das einst auf dem Mars reichlich vorhandene Wasser sich heute zumindest zum Teil als Eis im Boden befindet. Somit würde es auch dort gefrorene Böden geben.

Quellen

1. ↑ Lexikon der Geowissenschaften. 2., 2000, S. 326.
2. ↑ Permafrost. The Canadian Encyclopedia
3. ↑ G. Hintermaier-Erhard et al.: Wörterbuch der Bodenkunde. S. 205.
4. ↑ WTZ-Projekt Permafrost. Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe
5. ↑ D. T. Shindell; G. Faluvegi, D. M. Koch, G. A. Schmidt, N. Unger und S. E. Bauer (2009): Improved attribution of climate forcing to emissions. Science 326, Nr. 5953, S. 716-718.
6. ↑ Spiegel.de: Forscher messen erstmals Methan-Ausbruch vor Sibirien, abgerufen am 5. März 2010)
7. ↑ Klimawandel in den Alpen
8. ↑ Permafrost - Und dann war der Gipfel weg suedeutsche.de 27. Dezember 2007
9. ↑ Rutschungs-Katastrophen
10. ↑ «Limet» i bakken forsvinner („Der «Klebstoff» im Boden verschwindet.“) – Nachricht am 21. Mai 2009 bei yr.no (Bokmål, abgerufen am 23. Juni 2009)

Literatur

• A. Strahler & A. Strahler: Physische Geographie. 2002.
• M.A. Summerfield: Global Geomorphology. An Introduction to the Study of Landforms. 1991.
• H. Zepp: Grundriss Allgemeine Geographie: Geomorphologie. 2004.
• F. Ahnert: Einführung in die Geomorphologie. 1996.
• H. French: The Periglacial Environment. 2004.
• H. Leser: Geomorphologie. - Das Geographische Seminar. 2003.
• J. Karte: Räumliche Abgrenzung und regionale Differenzierung des Periglaziärs. 1979.
• A. Semmel: Periglazialmorphologie. 1985.
• W.D. Blümel: Physische Geographie der Polargebiete. 1999.

Siehe auch

• Glaziologie
• Kryoturbation
• Frosthub
• Nunavut#Permafrost
• Folgen der globalen Erwärmung

Weblinks

 Commons: Permafrost – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wikinews: Sibirien: Auftauen des Permafrosts alarmiert Klimaforscher – Nachricht

• Bauen im Permafrost - Ein Leitfaden für die Praxis. Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL, Birmensdorf, 2009
• Spiegelbericht über Permafrost in Kanada
• Online Lehrbuch zur Physischen Geographie
• Permafrost über Permafrost und Klimawandel im Bildungswiki klimawiki.org