Permafrost: Entstehung, Auftauen und Folgen

Permafrost ist Untergrund, dessen Temperatur mindestens zwei Jahre ohne Unterbrechung bei null Grad Celsius oder darunter liegt. Entscheidend sind die Temperatur und die Dauer. Ein Boden, der einen Winter lang gefriert und im Sommer wieder auftaut, erfüllt diese Bedingung nicht.

Permafrost ist keine reine Eisschicht. Er kann aus Erde, lockerem Gesteinsmaterial oder festem Fels bestehen und unterschiedlich viel Eis enthalten. Auch eisarmer Fels kann deshalb Permafrost sein.

Über dem Permafrost liegt häufig die sommerliche Auftauschicht, auch aktive Schicht genannt. Sie taut im Sommer auf und friert im Winter wieder. Sie gehört damit nicht zur dauerhaft gefrorenen Permafrostschicht. Ihre Dicke hängt vom Standort und den Bedingungen ab; zwei Meter sind keine allgemeine Höchstgrenze.

Das Klima beschreibt die typischen Wetterbedingungen eines Gebietes über viele Jahre. Kalte Luft über längere Zeit begünstigt kalten Untergrund. Deshalb kommt Permafrost besonders in kalten Regionen und in hohen Gebirgen vor. Mit zunehmender Höhe wird die Luft meist kälter. Ob sich Permafrost bildet oder erhält, hängt aber auch davon ab, wie Wärme in den Untergrund gelangt und ihn verlässt.

Schnee wirkt wie eine isolierende Decke: Er bremst den Wärmeaustausch zwischen Luft und Boden. Liegt früh im Winter eine dicke, lockere Schneedecke, verliert der Boden weniger Wärme an die kalte Luft. Kommt der Schnee spät, kann der unbedeckte Boden zuvor stärker abkühlen. Bleibt Schnee bis weit ins Frühjahr oder in den Sommer liegen, schützt er den Boden vor Sonnenstrahlung und bremst seine Erwärmung. Eine Schneedecke allein beweist keinen Permafrost.

Auch Pflanzen verändern den Wärmeaustausch. Eine dichte Wurzeldecke kann Wärme vom darunterliegenden Bodeneis fernhalten und sein Auftauen bremsen. Das ist eine isolierende Wirkung, keine Kühlung durch nachströmende Luft. Wie stark Pflanzen schützen, hängt von ihrer Beschaffenheit und der Oberfläche ab. Deshalb schützt nicht jede Pflanzendecke gleich gut.

Die Bodeneigenschaften bestimmen die Wege der Wärme. In dichtem Fels wird Wärme vor allem durch Wärmeleitung weitergegeben: Wärme wandert durch das Material. Geröll besteht aus losen Steinen. Zwischen groben Steinen können große, miteinander verbundene Zwischenräume liegen. Darin kann Luft strömen und Wärme transportieren. Kalte Luft kann solche Geröllschichten unter passenden winterlichen Bedingungen abkühlen, auch wenn darüber Schnee liegt.

Diese Einflüsse wirken zusammen. Selbst bei ähnlicher Lufttemperatur können sich die Bodentemperaturen unterscheiden. Außerdem reagiert tiefer Untergrund langsam auf Veränderungen. Manche heutigen Permafrostvorkommen tragen noch den Einfluss früherer Kälteperioden. Die heutige Lufttemperatur und die Höhenlage reichen deshalb nicht aus, um jedes Vorkommen zu erklären.

Eis im Untergrund kann lose Bestandteile zusammenhalten und stützen. Schmilzt dieses Bodeneis, kann der Untergrund Halt verlieren und absinken. Beim Schmelzen nimmt das entstehende Wasser weniger Raum ein als das Eis zuvor. Flüssiges Wasser übernimmt die stützende Wirkung des Eises nicht. Wie stark sich der Boden verändert, hängt unter anderem von der Eismenge und dem Material ab. Nicht jeder auftauende Untergrund sackt gleich stark ab. Gebäude, Straßen und Leitungen können durch ungleichmäßiges Absinken beschädigt werden. An steilen Berghängen kann Auftauen außerdem Felsstürze und das Abrutschen von Boden begünstigen.

Auch Gewässer können sich verändern. Wo der Boden absinkt, entstehen Senken, also tiefer liegende Stellen. Darin kann sich Wasser sammeln und ein neuer See entstehen. Öffnen sich dagegen Wege, durch die Wasser im Boden abfließt, kann ein bestehender See Wasser verlieren oder verschwinden. Unterschiedliche Abflussbedingungen erklären diese unterschiedlichen Folgen.

In manchen Permafrostböden sind abgestorbene Pflanzen- und Tierreste eingefroren. Nach dem Auftauen können Bakterien, also winzige Lebewesen, diese Reste zersetzen. Dabei können Kohlenstoffdioxid und Methan frei werden. Diese Gase sind Treibhausgase: Sie erschweren die Abgabe von Wärme ins Weltall und können dadurch die Erde zusätzlich erwärmen. Die Gase entstehen bei der Zersetzung, nicht beim bloßen Schmelzen von reinem Eis.

Zusätzliche Erwärmung kann weiteres Auftauen fördern. Diese sich verstärkende Wirkung heißt Rückkopplung. Wie viele Gase künftig frei werden, hängt unter anderem von den vorhandenen Pflanzen- und Tierresten, der Temperatur und der Feuchtigkeit ab. Die genauen Mengen sind unsicher. Besonders zu Methan aus vielen Seen und Feuchtgebieten liegen noch zu wenige Daten vor.