Wie arktische Seen zum Klimawandel beitragen

Beitrag des tauenden Permafrosts zur Klimaerwärmung könnte sich bis 2050 verdoppeln

Die Freisetzung von Methan aus Seen in den arktischen Permafrostgebieten
könnte sich künftig aufgrund des Klimawandels abrupt verstärken. Die
Ursache: Durch den tauenden Permafrost wachsen die Seen und an ihrem
Grund frisst sich das Wasser immer tiefer in den bisher gefrorenen
Boden. Wie ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von
Experten des Alfred-Wegener-Instituts festgestellt hat, dürfte sich der
bakterielle Abbau von Pflanzenresten in Seesedimenten dadurch schon in
wenigen Jahrzehnten enorm verstärken – und damit auch der Ausstoß des
Klimagases Methan.

Der dauergefrorene Boden in der kalten Arktis konserviert wie eine
gigantische Kühltruhe riesige Mengen abgestorbener Biomasse, vor allem
Pflanzenreste. Für gewöhnlich tauen während des kurzen arktischen
Sommers nur die oberen Zentimeter oder Meter für einige Monate auf, ehe
sie im Herbst wieder zufrieren. Mit dem Klimawandel aber verstärkt sich
das Tauen. Es setzt früher im Jahr ein und hält länger an, die
sommerliche Auftauschicht wird tiefer und alte Biomasse taut vermehrt
auf. Das Problem: Im auftauenden Boden werden Bakterien aktiv, die die
uralte Biomasse abbauen und durch ihren Stoffwechsel die Klimagase
Kohlendioxid und Methan freisetzen; je stärker das Tauen, desto stärker
der Gasausstoß.

Wie ein internationales Team unter Leitung der US-amerikanischen
Forscherin Katey Walter Anthony vom Water and Environmental Research
Center der University of Alaska in Fairbanks jetzt in Nature
Communications berichtet, schreitet das Auftauen aber offenbar deutlich
schneller voran als bislang angenommen. Das macht sich an den Böden um
und unter den vielen Seen bemerkbar, die in den Permafrostgebieten weit
verbreitet sind und auch weiterhin wachsen. In dem zehnjährigen NASA
Projekt „Arctic-Boreal Vulnerability Experiment (ABoVE)“ haben die
Experten den Gasausstoß an Seen in Alaska erstmals exakt vermessen und
das Ausmaß dieses Tau-Mechanismus’ mithilfe von Satellitenaufnahmen und
Computersimulationen genau abschätzen können. Mit dabei waren auch
Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für
Polar- und Meeresforschung (AWI). Die Ergebnisse sind ernüchternd: Ganz
offensichtlich verstärken die Seen das Auftauen der Permafrostböden in
einem wesentlichen Umfang: Während das allmähliche Tauen in der Umgebung
nur im Zentimeterbereich liegt, taute in den letzten Jahrzehnten der
Untergrund unter neu gebildeten Seen schon bis in 15 Meter Tiefe auf. In
diesen Seen können nun Mikroorganismen die aufgetaute Biomasse
zersetzen und zu Methan und Kohlendioxid umwandeln. Die Wissenschaftler
ermittelten, dass sich die Klimawirkung durch so zusätzlich
entweichendes Kohlendioxid und Methan bereits bis zum Jahr 2050
verdoppeln könnte.

Dafür wertete Ingmar Nitze vom AWI in Potsdam Satellitenaufnahmen aus
den Jahren 1999 bis 2014 aus und erläutert das Phänomen so: „Mit dem
Tauen des Permafrosts sackt der Boden an vielen Stellen ab. Zunächst
bilden sich kleine Schmelzwassertümpel. An ihren Rändern und an ihrem
Grund taut das Wasser den umgebenden Permafrostboden immer weiter auf,
so dass große Seen entstehen.“ Kritisch wird es, wenn diese Seen so tief
sind, dass das Wasser in der Tiefe auch in strengen Wintern nicht mehr
gefriert. Da die Wassertemperatur am Grund der Seen über dem
Gefrierpunkt liegt, setzt sich das Tauen dann auch im Winter fort. So
können die Mikroorganismen im aufgetauten Seeboden fortan rund um das
Jahr aktiv sein und aus den abgelagerten Pflanzenresten in
Fäulnisprozessen Methan produzieren. Schon länger wird vermutet, dass
sich dies erheblich auf die Treibhausgasbilanz der Atmosphäre auswirken
kann, denn Methan wirkt bei der Erwärmung des Klimas bis zu 30 Mal
stärker als Kohlendioxid.

Neu ist die Beobachtung, dass dieser Effekt um und unter den Seen so
stark ist, dass die Wissenschaftler sogar von einem „abrupten Tauen“
sprechen. Die Forscher haben erstmals für alle Permafrostregionen der
Erde insgesamt genau quantifiziert, wie viel Treibhausgas auf diese
Weise zusätzlich entsteht. Dazu wurde in Stichproben verschiedener Seen
die Menge der austretenden Gase gemessen. Ingmar Nitze errechnete
zusammen mit dem Leiter der AWI-Sektion „Permafrostforschung“, Guido
Grosse, aus den Aufnahmen von Landsat-Satelliten, wie viele Seen sich in
den riesigen Permafrostregionen Alaskas ausdehnen und auch wieder
verschwinden: „Bislang gab es entweder nur sehr grobe globale
Schätzungen der Seenfläche im Permafrost oder aber detaillierte
Berechnungen für sehr kleine Gebiete. Die Angaben waren kaum
vergleichbar. Wir liefern jetzt erstmals eine genaue Quantifizierung der
Permafrostsee-Bilanz und können damit Aussagen treffen, wie viel
Permafrost in den vergangenen Jahrzehnten durch schnelles See-Wachstum
tatsächlich aufgetaut wurde“, sagt Ingmar Nitze.

AWI-Mitautor Thomas Schneider von Deimling ermittelte schließlich im
Computermodell mithilfe der umfangreichen Daten den Gesamtausstoß an
Klimagasen im Permafrost unter Einbeziehung der Seen für die kommenden
Jahrzehnte. „Das abrupte Tauen unter den Seen ist ein Phänomen, das
bislang in globalen Klimamodellen nicht berücksichtigt wird. Wie wir
jetzt herausgefunden haben, kann es aber den Anteil der Klimaerwärmung
durch tauenden Permafrost verdoppeln, und wir sollten es deshalb künftig
unbedingt in die Berechnungen einfließen lassen“, sagt Thomas Schneider
von Deimling. Für die Wissenschaftler wirkt sich dieser
Rückkopplungseffekt in der Arktis damit fast so stark auf den
Klimawandel aus wie die globale Landnutzungsänderung.

Die Studie wurde auf deutscher Seite von laufenden Projekten des
European Research Council (ERC PETA-CARB), der ESA (GlobPermafrost) und
des BMBF (PermaRisk) unterstützt. Die amerikanischen Partner sind von
der University of Alaska Fairbanks, der University of New Hampshire,
sowie der Alaska Division of Geological and Geophysical Surveys, und
wurden von der NASA innerhalb des Arctic Boreal Vulnerability
Experiments (ABoVE) unterstützt.

Originalpublikation:

Katey Walter Anthony et al., 21st-century modeled permafrost carbon
emissions accelerated by abrupt thaw beneath lakes. Nature
Communications: https://doi.org/10.1038/s41467-018-05738-9

Abwärmenutzung: Industrie spart ein Viertel Kosten
Direkte Einspeisung möglich – Potenzial kann bald genutzt werden
 

Bonn (pte005/07.10.2011/10:00) – Unternehmen sollten Industrieabwärme zur Energiegewinnung nutzen. Experten schätzen, dass durch den Verlust der Energie in der Abwärme etwa ein Viertel im Vergleich zu der gesamten Energiegewinnung in Deutschland verloren geht. Bisher wird Abwärme oft ungenutzt an die Atmosphäre abgegeben. Um diese brach liegenden Energieressourcen zu Strom zu veredeln, hat ein saarländisches Technologieunternehmen einen Dampfexpansionsmotor mit ORC-Technologie kombiniert. Das Projekt "Abwärme zu Strom veredeln" vom Bine Informationsdienst http://bine.info stellt das System und erste Ergebnisse aus einem Feldtest vor.

Marktstart bereits 2013

Der durch die Abwärme erzeugte Strom kann direkt in die Energieversorgung der Unternehmen gespeist werden. "Denn Strombedarf eines Industrieunternehmens mit dieser Methode zu decken, ist eine lukrative Sache", sagt Uwe Milles vom Bine Informationsdienst gegenüber pressetext. Selbst wenn Industriestrom billiger ist als Haushaltsstrom, sei es dennoch langfristig ein fühlbarer ökonomischer Vorteil. "Der Beteiber schätzt, dass 500 Betriebe in Deutschland für die Nutzung von Abwasser in Frage kommen", sagt Milles. Noch ist die Methode im Feldtest, aber 2013 soll sie auf den Markt kommen.

"Das Interessante ist, dass man mit dieser Technologie auch Wärmevorkommen mit Temperaturen zwischen 200 und 500 Grad Celsius in Energie umwandeln kann", sagt Milles. Bisher wurde der Prozess, aus Abwässern Strom zu erzeugen, meist in Kombination mit Turbinen eingesetzt. Diese zeigen allerdings Wirkungsgradverluste. Ein flexibleres Einsatzprofil bietet die Kombination mit einem Dampfexpansionsmotor. Hier ist eine variable Abstimmung auf unterschiedliche Temperatur- und Druckniveaus möglich.

Zukunft Dampfexpansionsmotor

Aus dem gleichen Wärmeangebot kann mit dem Dampfexpansionsmotor deutlich mehr Strom erzeugt werden als in Kombination mit herkömmlichen Turbinen. Dabei kann im Anschluss an die Stromerzeugung die dann noch vorhandene Abwärme für Heizzwecke weiter verwendet werden. Vor allem Betriebe aus der Metallverarbeitung, Glasproduktion, Chemie- und Papierindustrie, sowie etwa 1.000 größere Blockheizkraftwerke kommen als künftige Einsatzorte für die Methode in Frage.

Einzigartiges Ökosystem unter dem ehemaligen Larsen-Schelfeis

Erste Ergebnisse der vergangenen Polarstern-Expedition

Zustand der Fischereibestände in antarktischen Gewässern

Neue erfolgreiche Technik der Walbeobachtung

Ende Januar ging die achte Etappe der 23. Antarktis-Expedition mit dem
Forschungseisbrecher Polarstern zu Ende. Neben fischereibiologischen
Studien und Walbeobachtungen stand im Vordergrund, die antarktische
Lebensvielfalt zu erfassen. Im Rahmen des “Census of Antarctic Marine
Life (CAML)³, eines der Hauptprojekte im Internationalen Polarjahr,
haben Biologen den Meeresboden unter dem ehemaligen Larsen Schelfeis
erstmals untersucht und einzigartige Bilder von den dort lebenden
Organismen gemacht.

Vom 23. November 2006 bis zum 31. Januar 2007 war das Forschungsschiff
Polarstern im Weddellmeer, den Gewässern rund um die Antarktische
Halbinsel und der Bransfieldstrasse unterwegs. Nun liegen erste
Ergebnisse der Expedition vor, an der unter Leitung des
Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung in der
Helmholtz-Gemeinschaft 52 Wissenschaftler aus 14 Nationen teilnahmen.
Darunter waren auch Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Marine
Mikrobiologie, dem Forschungs- und Naturmuseum Senckenberg, dem
Forschungs- und Technologiezentrum Westküste und der
Bundesforschungsanstalt für Fischerei.

Census of Antarctic Marine Life (CAML)

Besonderer Focus des CAML-Projektes war das Larsen-A-B-Schelfeis, wo in
den letzten zwölf Jahren insgesamt 10.000 Quadratkilometer Schelfeis
abbrachen. Die globale Erwärmung hat an der Antarktischen Halbinsel zur
Veränderung der Umweltbedingungen geführt. Der Abbruch des Schelfeises,
das bis in große Tiefen reichte, hat nun Bereiche des Meeresbodens
freigelegt, die bisher unzugänglich waren. Somit konnten dort erstmals
die Auswirkungen des Klimawandels auf die Lebewesen untersucht werden.

Das Kernziel von CAML ist es daher, die Lebensvielfalt der
antarktischen Gewässer zu erfassen und deren Entwicklung und
ökologischen Hintergrund zu untersuchen. “Solche Erkenntnisse sind die
Basis, um das Funktionieren von Ökosystemen zu verstehen. Die neuen
Ergebnisse werden uns dabei eine gutes Stück weiter bringen, um die
Zukunft unserer Biosphäre im Klimawandel vorhersagen zu können³, sagt
Dr. Julian Gutt, Biologe am Alfred-Wegener-Institut und
wissenschaftlicher Leiter der Antarktis-Expedition.

Das wissenschaftliche Expeditionsprogramm umfasste die volle
biologische Bandbreite von Mikroorganismen bis zu Walen, einschließlich
kleinster Würmer und Krebse, größerer wirbelloser Tierarten wie
beispielsweise Schwämme und Seesterne, sowie Fischen und anderer
Wirbeltiere. “Was wir von der Polarstern-Expedition gelernt haben ist
lediglich die Spitze des Eisbergs³, sagt Michael Stoddart, Sprecher von
CAML Australien. “Ergebnisse dieser und kommender Expeditionen
innerhalb des Internationalen Polarjahres werden Erkenntnisse bringen,
wie der Klimawandel die Organismen dort beeinflusst.³

Fragestellung

Die wichtigsten Fragen zu den Untersuchungen im Larsen-Ökosystem waren:

– Welche Lebensformen existieren unter dem Schelfeis, einem noch völlig
unbekannten, aber für die Antarktis typischen Lebensraum?

– Wie beeinflusst das Schelfeis und sein Abbruch das marine Ökosystem?

– Wie sieht die Zukunft der dortigen Fauna in einer sich verändernden Umwelt aus?

– Können Berichte von einer kalten Gasquelle mit einer speziell daran
angepassten Lebensgemeinschaft bestätigt werden, und kann sie zum
ersten Mal beprobt werden?

Vorläufige Ergebnisse der Untersuchungen des Meeresbodens zeigen, dass
die Sedimente sehr unterschiedlich sind. Vom felsigem Untergrund bis
hin zu weichem Schlick sind alle Bodentypen vertreten. Ebenso
vielfältig gestaltet sich die Besiedlung, da Tiere unterschiedliche
Vorlieben bezüglich ihres Lebensraumes haben. Vergleicht man die
Meeresbodenfauna von Larsen-A-B mit der im östlichen Weddellmeer, so
ist sie weitaus ärmer. Umso auffälliger ist die hohe Dichte einer
bestimmten Tiergruppe, der Seescheiden, die mit verschiedenen Arten
vertreten ist. Da diese Organismen besonders langsam wachsen, ist
anzunehmen, dass Seescheiden erst nach dem Abbruch des Schelfeises im
Larsen-B-Gebiet ansiedeln konnten. Die Anzahl größerer, langsam
wachsender Tiere, z. B. der Glasschwämme, war im Larsen-A-Gebiet höher
als bei Larsen B, da sie dort wahrscheinlich schon sehr lange leben.
Die hohe Anzahl kleinerer Exemplare dieser Arten ist vielleicht ein
erster Schritt zu einer deutlichen Veränderung der Artenzusammensetzung
nach

dem Abbruch des Schelfeises vor zwölf Jahren.

Mit Hilfe eines ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugs (Remotely Operated
Vehicle, kurz ROV), das mit Video- und Fotokameras ausgestattet war,
konnte die Zerstörung des Meeresbodens durch Eisberge in geringeren
Wassertiefen gezeigt werden. In einer Wassertiefe von circa 220 Metern
war der Artenreichtum deutlich höher, aber es waren auch deutliche
Spuren der Zerstörung durch Eisberge zu sehen. Glasschwämme kommen dort
als langsam wachsende und lang lebende Organismen nur selten vor, da
sie immer wieder von den strandenden Eisbergen vernichtet werden.
Auffällig häufig kamen auch verschiedene Tiefseearten wie Seegurken und
gestielte Haarsterne im Larsen-B-Gebiet vor.

Kalte submarine Quellen

Eine kalte Quelle, ein so genanntes “Cold Seep³, von dessen Existenz
man bisher lediglich durch Videoaufnahmen wusste, konnte mit Hilfe des
ROVs in einer Wassertiefe von ca. 830 Metern wieder gefunden werden.
Sie besteht aus Ansammlungen von Schalen toter Muscheln. Erste Analysen
geben eindeutige Hinweise, dass dort Methan und Sulfat vorhanden sind,
wovon bestimmte Bakterien so leben, dass sich hier eine einfache
Lebensgemeinschaft auch ohne Sonnenlicht entwickelt.

Walbeobachtungen

Rund um Elephant Island, in der Bransfield Strasse, im Larsen A/B
Gebiet und im nördlichen Weddellmeer wurden Walbeobachtungen
durchgeführt. Dabei deckten die Helikopterflüge 8000 Seemeilen und
Beobachtungen von Bord der Polarstern 700 Seemeilen ab. Zwergwale
wurden häufig nahe am Packeis, die sehr seltenen Schnabelwale
hauptsächlich rund um Elephant Island gesichtet. “Es war überraschend
zu sehen, dass die neuen Lebensräume so schnell besiedelt werden³, sagt
Dr. Meike Scheidat vom Forschungs- und Technologiezentrum Westküste der
Universität Kiel.

Fischbestände der Antarktis

Die fischereibiologischen Untersuchungen erfolgten rund um die Inseln
westlich und nördlich der Antarktischen Halbinsel im Rahmen der
“Konvention zum Schutz der lebenden Meeresschätze der Antarktis"
(Convention of the Conservation of Antarctic Marine Living Resources,
CCAMLR). Erste Ergebnisse zeigen, dass der Marmorbarsch (Notothenia
rossii) und der Gelbbauchnotothenia (Notothenia coriiceps) häufiger
vorkamen als in einer Vergleichsstudie von 2003. Die Bestände vom
Bändereisfisch (Chaemopsocephalus gunnari) und vom Scotiasee-Eisfisch
(Chaenocephalus aceratus) hingegen nahmen in diesem Zeitraum ab. Die
Studie wurde mit 85 Hols innerhalb von 19 Tagen vollständig
abgearbeitet.

Neue Arten entdeckt

Im Rahmen von CAML wurden weiterhin die Aspekte Physiologie, Genetik,
Schadstoffe und die Nahrungsbeziehungen untersucht. Dabei kamen diverse
Probenahme-Geräte zum Einsatz, wie Dredschen, Greifer und Fallen. Die
Wissenschaftler entdeckten eine Reihe neuer Arten. Besonders
hervorzuheben sind in diesem Zusammenhang 15 voraussichtlich neue
Amphipodenarten, die zu den Krebsen gehören, darunter einer der größten
Amphipoden der Antarktis. Er ist fast 10 Zentimeter lang und gehört zur
Gattung Eusirus. In der Gruppe der Nesseltiere wurde eine neue Art der
Gattung Malacobelemnum gefunden, sowie eine neue Seeanemone. Sie lebt
in Symbiose mit der Schnecke Harpovoluta.

Die wertvolle Fracht an wissenschaftlichen Daten und gesammeltem
Tiermaterial ist jetzt auf dem Weg in die Heimatinstitute der
Expeditionsteilnehmer. Es wird Monate bis zu einigen Jahren dauern, bis
detaillierte Analysen vorgelegt werden können. In einem vom "Census of
Marine Life" unterstützten Treffen im September diesen Jahres werden
die Wissenschaftler eine erste Synthese ihrer Ergebnisse zeitnah
zusammenstellen und präsentieren.

Neuland für Polarsten

Die aktuelle Polarstern-Expedition begann am 2. Februar in Punta Arenas
und hat einen geologischen Schwerpunkt. Zehn wissenschaftliche Projekte
stehen auf dem Programm, darunter auch ein großes Projekt des
Internationalen Polarjahres. Geophysiker beschäftigen sich mit der
geodynamischen und tektonischen Evolution des Kontinentalrandes in der
Gegend um die Prydz Bucht. Dort und am Kerguelen Plateau werden
geologische Untersuchungen stattfinden. In diesem Bereich der Antarktis
ist Polarstern das erste Mal unterwegs.

Am 11. April wird Polarstern in Kapstadt erwartet. Dann tritt sie die
Rückreise nach Bremerhaven an, wo sie Anfang Mai eintreffen soll.

Wer die Reise verfolgen möchte, findet Tagebücher unter
http://www.polarjahr.de, http://blogs.dw-world.de/polarstern/ und
www.ipy.org

Bremerhaven, den 21. Januar 2007

Bitte senden Sie uns bei Veröffentlichung einen Beleg.

Hinweise für Redaktionen: Ihr Ansprechpartner ist Dr. Julian Gutt (Tel.
0471/4831-1333; E-Mail: Julian.Gutt@awi.de). Ihre Ansprechpartnerin in
der Presse- und Öffentlichkeitsarbeit ist Dr. Angelika Dummermuth (Tel.
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finden Sie auf unserer Webseite unter
http://www.awi-bremerhaven.de/AWI/Presse/PM/index-d.html.

Das Alfred-Wegener-Institut forscht in der Arktis, Antarktis und den
Ozeanen der mittleren und hohen Breiten. Es koordiniert die
Polarforschung in Deutschland und stellt wichtige Infrastruktur wie den
Forschungseisbrecher Polarstern und Stationen in der Arktis und
Antarktis für die internationale Wissenschaft zur Verfügung. Das
Alfred-Wegener-Institut ist eines der fünfzehn Forschungszentren der
Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation
Deutschlands.