Tiefe Küstenbereiche schützen Permafrostmaterial vor Abbau | Polarjournal
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Die Arktis erwärmt sich stärker als jede andere Region der Erde. Als Folge kommt es zu starker Erosion der Küsten, an denen Pflanzenreste vor tausenden von Jahren in Permafrost eingefroren wurden. Einmal im Ozean werden diese uralten Pflanzenreste von Mikroben zersetzt, wodurch grosse Mengen an Treibhausgasen freigesetzt werden. Wie aktuelle Analysen von AWI-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zeigen, bleibt ein Teil der freigesetzten Biomasse aber am Meeresboden in tiefen Senken vor der arktischen Küste gespeichert – und damit vor dem mikrobiellen Abbau geschützt. Die Ergebnisse dürften dazu beitragen, Klimamodelle zu verbessern.

Die über viele Jahrtausende tiefgefrorenen Böden der arktischen Küsten von Kanada, Russland und Alaska werden heute immer stärker abgetragen. Zum einen, weil die warme Jahreszeit dort heute immer länger dauert, zum anderen, weil das Meer länger eisfrei bleibt und die Wellen stärker an der Küste nagen. Die im Permafrostboden gespeicherte uralte Pflanzenmasse wird frei und kann so von Mikroben abgebaut werden. Der in den Pflanzen enthaltene Kohlenstoff wird als Kohlendioxid frei und verstärkt nun seinerseits den Treibhauseffekt – ein Teufelskreis. Deshalb versuchen Klimaforscherinnen und -forscher weltweit mithilfe von Computermodellen genauer zu bilanzieren, wie viel Kohlendioxid durch die Erosion der Permafrostküsten heute und in Zukunft tatsächlich frei wird.

Eine 20 Meter hohe Klippe aus Eis und gefrorenen Sedimenten überragt den Wissenschaftler. Diese Permafrost-Exposition auf der Insel Herschel ist Teil eines der grössten Erosionsmerkmale in der Arktis. Bild: Michael Fritz, AWI

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des AWI haben jetzt herausgefunden, dass bei dieser Bilanzierung bislang ein wichtiger Faktor unberücksichtigt geblieben ist: die tiefen Stellen, sogenannte Meeressenken, entlang der arktischen Küste. Denn hier wird das von den Permafrostböden abgetragene Material nur unvollständig zersetzt. Der Grund: Wie in einem Wasserglas kann das Material in den Senken leicht zu Boden sinken, weil die Senken weitgehend frei von Strömungen und Wellenbewegung sind. Diese fortwährende Sedimentation führt dazu, dass abgetragenes Material aus dem Permafrostboden schnell von frischem Material überlagert wird. Im Meeresboden kommt es zu einem Sauerstoffmangel, sodass Mikroben die Biomasse nicht weiter abbauen können. Durch biochemische Analysen von Sedimenten direkt vor der kanadischen Küste konnte das Team um die AWI-Forscher Hendrik Grotheer und Michael Fritz herausfinden, dass mehr als 40 Prozent des von den Permafrostküsten erodierten Materials auf diese Weise vor dem bakteriellen Abbau geschützt wird.

Sedimentwolken aus Küstenerosion enthalten grosse Mengen oder organischen Kohlenstoff (Herschel Island, Kanada) Bild: Juliane Wolter, AWI

„Entscheidend ist, dass die Senken in direkter Nähe des Ufers liegen“, sagt Hendrik Grotheer. „Denn nur dann kann das Material so schnell aus dem Wasser in die Tiefe sinken und wieder zugedeckt werden, dass der mikrobielle Abbau reduziert und das organische Material konserviert wird.“ An flachen Küsten hingegen verblieben die Partikel aufgrund von Wellenbewegungen und Strömungen lange in der Wassersäule, wo sie durch Bakterien weitestgehend abgebaut werden. Wie die Untersuchungen in der bis zu 70 Meter tiefen Meeressenke nahe der kanadischen Arktisinsel Herschel Island zeigen, ist die Sedimentation hier enorm hoch. Pro Jahr setzen sich hier rund drei Millimeter Sedimente inklusive Biomasse ab. Weiter draussen im Ozean braucht es dafür 1000 Jahre. Die Ergebnisse der Arbeit, die die AWI-Experten zusammen mit Kollegen vom Bremer MARUM jetzt im Fachjournal Geophysical Research Letters veröffentlicht haben, könnten dazu beitragen mathematische Klimamodelle zu verbessern, sagt Hendrik Grotheer. Denn küstennahe Senken gebe es an vielen Stellen in der Arktis. Alles in allem dürfte in den Senken also viel von der aus dem Permafrostboden freigespülten Pflanzenmasse konserviert werden. Wie gross dieser Beitrag der Senken insgesamt ist, wollen die Forscher in weiteren Arbeiten genauer ermitteln.

Um zu bestimmen, ob das Sediment aus Permafrostmaterial von der Küste oder aus weiter im Inneren liegenden Material stammte, mussten Proben aus der Tiefe geholt und bestimmt werden. Bild: Michael Fritz, AWI

Eine Schwierigkeit bei der Analyse der Sedimente bestand für die Experten vor allem darin, zu unterscheiden, ob die Biomasse eher aus Flüssen in die Meeressenken gespült wird oder tatsächlich aus dem Permafrost stammt. Für Hendrik Grotheer und Michael Fritz bedeutete das Detektivarbeit. Sie mussten zunächst das Alter der Sedimente und den Gehalt an charakteristischen Molekülen, sogenannten Biomarkern bestimmen, an denen sie die Herkunft der Sedimente festmachen konnten. „Jetzt können wir sicher sein, dass das meiste Material tatsächlich aus dem Permafrost stammt – und dass rund 40 Prozent davon am Meeresboden verbleiben und nicht abgebaut werden und Treibhausgas freisetzen.“ Das sei zwar eine gute Nachricht, aber keineswegs eine Entwarnung – denn immerhin würde trotzdem ein großer Teil der auftauenden Permafrostmasse von Mikroben verstoffwechselt. Und sollte der arktische Ozean in Zukunft noch länger eisfrei sein als bisher und Stürme an Stärke und Häufigkeit zunehmen, dann könnten die Küsten noch schneller erodieren. Außerdem könnten dann selbst in den tiefen Senken Sedimente am Meeresboden aufgewirbelt werden und wieder ins Meerwasser gelangen. Wo der bakterielle Abbau dann von Neuem beginnt.

Quelle: Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI)

Original: Grotheer et al (2020) Geophys Res Let 47(3)Burial and Origin of Permafrost‐Derived Carbon in the Nearshore Zone of the Southern Canadian Beaufort Sea