Mysteriöse Krater, die erstmals vor einem Jahrzehnt im sibirischen Permafrost auftauchten, wurden durch klimabedingte Druckänderungen verursacht, die im Untergrund gefrorenes Methan explosionsartig freisetzten, berichtet eine neue Studie. Die Forschung bietet einen neuen Blick auf die Ursprünge der Krater, die 2014 erstmals auf der russischen Jamal-Halbinsel gesichtet wurden.
Die neue Studie kommt zu dem Ergebnis, dass die ungewöhnliche Geologie der Region in Verbindung mit der Klimaerwärmung einen Prozess in Gang gesetzt hat, der zur Freisetzung von Methangas aus Methanhydraten im Permafrost führte.
„Es gibt sehr, sehr spezifische Bedingungen, die das Auftreten dieses Phänomens ermöglichen“, sagte Ana Morgado, Chemieingenieurin an der Universität Cambridge und eine der Autoren der Studie. „Wir sprechen hier von einem sehr Nischenraum in der Geologie.“
Die Forschung veröffentlicht wurde In Geophysikalische Forschungsbriefe.
Der Fall des explodierenden Permafrosts
Die Jamal-Halbinsel ist eine tief liegende Landmasse, die von Nord-Zentralrussland in die Karasee hineinragt. Im Jahr 2014 tauchten Berichte über einen Krater auf, der an seiner breitesten Stelle etwa 70 Meter (230 Fuß) breit war und plötzlich im Permafrost auftauchte. Im Laufe des folgenden Jahrzehnts wurden weitere Krater sowohl auf der Jamal-Halbinsel als auch auf der nahegelegenen Gydan-Halbinsel gefunden.
In den letzten zehn Jahren sind viele Erklärungen für die Krater aufgetaucht, die die Explosionen auf eine Ansammlung von Methangas im Untergrund aufgrund der Permafrostschmelze oder auf die Nähe der Krater zu Erdgasreserven zurückführen.
Die Autoren stellten jedoch fest, dass die Erwärmung des Permafrosts allein nicht ausreichen würde, um eine Explosion auszulösen. Die neue Erklärung besagt, dass die Oberflächenerwärmung zu einer schnellen Druckänderung tief unter der Erde führt, was zur Freisetzung von explosivem Methangas führt.
„Wir wussten, dass etwas die Methanhydratschicht zersetzte“, sagte Morgado. „Es ist ein bisschen wie Detektivarbeit.“
Osmose führt zu Explosionen
Die Forscher lösten das Rätsel von Grund auf und beschäftigten sich zunächst mit einer grundlegenden Frage: Wurden die Explosionen durch physikalische oder chemische Prozesse verursacht?
„Es gibt nur zwei Möglichkeiten, eine Explosion auszulösen“, sagte Julyan Cartwright, Geophysiker beim spanischen Nationalen Forschungsrat und einer der Autoren der Studie. „Entweder findet eine chemische Reaktion statt und es kommt zu einer Explosion, als würde Dynamit explodieren, oder Sie pumpen Ihren Fahrradreifen auf, bis er explodiert – das ist Physik.“
In diesem Fall gebe es keine Hinweise darauf, dass die Explosionen durch chemische Reaktionen verursacht worden seien, sie müssten also eine physikalische Ursache gehabt haben. „Und dann müssen Sie sich überlegen, welche Pumpe Ihren Fahrradreifen aufpumpt?“ sagte er.
Die Autoren sagen, dass es sich bei der Pumpe um Osmose handelte, also um die Bewegung einer Flüssigkeit, um die Konzentration der darin gelösten Substanzen auszugleichen. Salziges Wasser ist ein klassisches Beispiel. Wenn eine Barriere vorhanden ist, die Wasser durchlässt, aber kein Salz, kann sich auf der salzigen Seite ein Druck aufbauen, wenn das Wasser dorthin fließt.
Der dicke, tonige Permafrost der Jamal-Halbinsel fungiert als osmotische Barriere – und die Erwärmung verändert sie. Diese 180 bis 300 Meter (590 bis 980 Fuß) dicke Schicht bleibt das ganze Jahr über dauerhaft gefroren. Eine darüber liegende „aktive Schicht“ des Mutterbodens taut saisonal auf und gefriert wieder.
Überall in der Tundra und eingebettet in den Permafrost liegen ungewöhnliche, einen Meter dicke Schichten aus nicht gefrorenem, hochsalzigem Wasser, sogenannte Crypogegs, die durch eine Kombination aus Druck und Salzgehalt flüssig gehalten werden. Unter den Kryopegs befindet sich eine Schicht aus kristallisierten Methan-Wasser-Feststoffen, sogenannten Methanhydraten, die durch hohen Druck und niedrige Temperaturen stabil gehalten werden.
Aber wärmere Temperaturen destabilisieren diese Schichten. Der Klimawandel hat dazu geführt, dass die aktive Schicht schmilzt und sich nach unten ausdehnt, bis sie den Kryopeg erreicht, wodurch Wasser freigesetzt wird, das über osmotischen Druck in den Kryopeg gelangt, fanden die Forscher heraus.
Im Kryopeg ist jedoch nicht genügend Platz, um das durch die Osmose eingedrungene zusätzliche Schmelzwasser aufzunehmen, sodass sich ein Druck aufbaut. Der zunehmende Druck erzeugt Risse im Boden, die vom Kryostift nach oben zur Oberfläche wandern. Dann kehrt sich der Druckgradient um: Der rissige Boden führt zu einem plötzlichen Druckabfall in der Tiefe. Diese Druckänderung beschädigt die Methanhydrate unterhalb des Kryopegs, was zur Freisetzung von Methangas und einer physischen Explosion führt.
Die Studie ergab, dass der Vorfeld der Explosion Jahrzehnte dauern kann. Dieser Zeitplan steht im Einklang mit der zunehmenden Klimaerwärmung ab den 1980er Jahren.
Die neue Erklärung hängt davon ab, wie die Klimaerwärmung und die Geologie der Region zusammenwirken, um die Explosionen zu verursachen, die nur auf der Jamal-Halbinsel vorkommen.
„Dies könnte ein sehr selten auftretendes Phänomen sein“, sagte Morgado. „Aber die Menge an Methan, die freigesetzt wird, könnte einen ziemlich großen Einfluss auf die globale Erwärmung haben.“
Weitere Informationen:
Ana MO Morgado et al, Osmosis Drives Explosions and Methane Release in Siberian Permafrost, Geophysikalische Forschungsbriefe (2024). DOI: 10.1029/2024GL108987