Neue Forschungsergebnisse des Dartmouth College liefern den ersten Beweis dafür, dass der gefrorene Boden der Arktis die dominierende Kraft ist, die die nördlichsten Flüsse der Erde formt. Permafrost, die dicke Bodenschicht, die zwei oder mehr Jahre am Stück gefroren bleibt, sei der Grund dafür, dass arktische Flüsse einheitlich auf kleinere Gebiete und flachere Täler beschränkt seien als Flüsse im Süden eine Studie im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Aber Permafrost ist auch ein zunehmend fragiles Reservoir für große Mengen Kohlenstoff. Während der Klimawandel den arktischen Permafrost schwächt, berechnen die Forscher, dass jede 1,8 Grad Fahrenheit (1 Grad Celsius) globale Erwärmung so viel Kohlenstoff freisetzen könnte, wie 35 Millionen Autos pro Jahr ausstoßen, da sich die polaren Wasserstraßen ausdehnen und den tauenden Boden aufwühlen.
„Die gesamte Erdoberfläche befindet sich in einem Tauziehen zwischen Prozessen wie Hügeln, die die Landschaft glätten, und Kräften wie Flüssen, die sie zerschneiden“, sagte Erstautorin Joanmarie Del Vecchio, die die Studie als Neukom Postdoctoral Fellow leitete Dartmouth mit ihren Beratern und Studien-Co-Autoren Marisa Palucis, einer Assistenzprofessorin für Geowissenschaften, und Ingenieurprofessor Colin Meyer.
„Wir verstehen die Physik auf einer grundlegenden Ebene, aber wenn die Dinge anfangen zu frieren und zu tauen, ist es schwer vorherzusagen, welche Seite gewinnen wird“, sagte Del Vecchio. „Wenn Hügelhänge gewinnen, werden sie den gesamten im Boden eingeschlossenen Kohlenstoff vergraben. Aber wenn es wärmer wird und plötzlich Flusskanäle gewinnen, werden wir erleben, dass eine große Menge Kohlenstoff in die Atmosphäre freigesetzt wird. Das.“ wird wahrscheinlich diese Erwärmungs-Rückkopplungsschleife erzeugen, die zur Freisetzung von mehr Treibhausgasen führt.“
Die Forscher wollten verstehen, warum arktische Wassereinzugsgebiete – die gesamte Entwässerungsfläche eines Flusses und seiner verbundenen Wasserstraßen – tendenziell weniger Flussfläche haben als Wassereinzugsgebiete in wärmeren Klimazonen, die ausgedehnte Nebenflüsse haben können, die sich über die Landschaft erstrecken. Del Vecchio, heute Gastwissenschaftler in Dartmouth und Assistenzprofessor am College of William and Mary, konzipierte die Studie im Jahr 2019, als er Feldforschungen in Alaska durchführte. Sie wanderte von ihrer Baustelle am Flussufer bergauf und erblickte einen Blick auf steile Berghänge, die nicht von Flüssen oder Bächen unterbrochen wurden.
„Es schien, als würden die Hügellandschaften gewinnen und die Sender verlieren“, sagte Del Vecchio. „Wir wollten testen, ob die Temperatur diese Landschaft prägt. Wir haben großes Glück, über die Menge an Oberflächen- und digitalen Höhendaten zu verfügen, die in den letzten Jahren produziert wurden. Vor ein paar Jahren hätten wir diese Studie nicht durchführen können.“ .“
Die Forscher untersuchten mithilfe von Satelliten- und Klimadaten die Tiefe, Topographie und Bodenbedingungen von mehr als 69.000 Wassereinzugsgebieten auf der Nordhalbkugel – von knapp über dem Wendekreis des Krebses bis zum Nordpol. Sie maßen den Anteil der Fläche, die das Kanalnetz jedes Flusses innerhalb seiner Wasserscheide einnimmt, sowie die Steilheit der Flusstäler.
47 Prozent der analysierten Wassereinzugsgebiete sind durch Permafrost geprägt. Im Vergleich zu gemäßigten Wassereinzugsgebieten sind ihre Flusstäler tiefer und steiler und etwa 20 % weniger der umgebenden Landschaft sind von Kanälen eingenommen. Diese Ähnlichkeiten bestehen trotz aller Unterschiede in der Gletschergeschichte, der topografischen Steilheit des Hintergrunds, dem Jahresniederschlag und anderen Faktoren, die sonst das Hin und Her von Wasser und Land bestimmen würden, berichten die Forscher. Arktische Wassereinzugsgebiete werden durch eines gemeinsam: Permafrost.
„Wie auch immer wir es aufteilen, Regionen mit größeren, reichhaltigeren Flusskanälen sind wärmer, haben eine höhere Durchschnittstemperatur und weniger Permafrost“, sagte Del Vecchio. „Man braucht viel mehr Wasser, um in Gebieten mit Permafrost Täler zu formen.“
Die Fähigkeit des Permafrosts, den Fußabdruck arktischer Flüsse zu begrenzen, ermöglicht es ihm laut der Studie auch, große Mengen Kohlenstoff in der gefrorenen Erde zu speichern. Um den Kohlenstoff abzuschätzen, der aufgrund des Klimawandels aus diesen Wassereinzugsgebieten freigesetzt würde, kombinierten die Forscher die im Permafrost gespeicherte Kohlenstoffmenge mit der Bodenerosion, die entstehen würde, wenn der Boden auftaut und bei der Ausbreitung arktischer Flüsse weggespült würde.
Untersuchungen deuten darauf hin, dass sich die Arktis seit 1850 um mehr als 2 Grad Celsius über dem vorindustriellen Niveau erwärmt hat, sagte Del Vecchio. Wissenschaftler schätzen, dass ein allmähliches Auftauen des arktischen Permafrosts bis zum Jahr 2100 zwischen 22 und 432 Milliarden Tonnen Kohlendioxid freisetzen könnte, wenn die derzeitigen Treibhausgasemissionen eingedämmt würden – und sogar 550 Milliarden Tonnen, wenn dies nicht der Fall wäre, sagte sie. Die Internationale Energieagentur schätzt, dass der Energieverbrauch im Jahr 2022 mehr als 36 Milliarden Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre geschleudert hat, ein Allzeithoch.
Die Arktis sei schon so lange an die Kälte angepasst, dass Wissenschaftler kaum eine Vorstellung davon haben, wie viel und wie schnell Kohlenstoff freigesetzt wird, wenn der Permafrost in einem beschleunigten Zeitrahmen auftaut, sagte Palucis, dessen Forschungsgruppe die Arktis als Ersatz nutzt für den Mars, um die Oberflächenprozesse auf dem Roten Planeten zu untersuchen. „Während die Arktis in der Vergangenheit eine Erwärmung erlebt hat, ist das Beängstigende, wie schnell sie jetzt vor sich geht. Die Landschaft muss schnell reagieren, und das kann traumatisch sein“, sagte sie.
Palucis erinnerte sich an eine Forschungsreise in die Arktis, als sie sah, wie ein Felsbrocken von der Größe eines kleinen Gebäudes von einer Klippe abbrach. Der Grund für die Spaltung war ein kleiner Wasserstrahl, der in das Gestein eingedrungen war und es geschwächt hatte.
„Dies ist eine Landschaft, die an kältere Bedingungen angepasst ist. Wenn man sie also verändert, reicht bereits eine kleine Menge Wasser, die durch das Gestein fließt, aus, um wesentliche Veränderungen herbeizuführen“, sagte Palucis.
„Unser Verständnis der arktischen Landschaften ist mehr oder weniger das gleiche wie vor 100 Jahren bei gemäßigten Klimazonen“, sagte sie. „Diese Studie ist ein wichtiger erster Schritt, um zu zeigen, dass die Modelle und Theorien, die wir für gemäßigte Wassereinzugsgebiete haben, einfach nicht auf Polarregionen angewendet werden können. Es sind ganz neue Türen, die wir betreten müssen, um diese Landschaften zu verstehen.“
In der Arktis gesammelte Sedimentkerne zeigten vor etwa 10.000 Jahren umfangreiche Bodenabflüsse und Kohlenstoffablagerungen, was auf eine viel wärmere Region als heute schließen lässt, sagte Del Vecchio. Heute deuten Gebiete wie Pennsylvania und die Mittelatlantikstaaten der Vereinigten Staaten, die direkt südlich der äußersten Ausdehnung der Eiszeitgletscher liegen, auf die Zukunft der modernen Arktis hin.
„Wir haben einige Hinweise aus der Vergangenheit, dass bei der Erwärmung viel Sediment in den Ozean freigesetzt wurde“, sagte Del Vecchio. „Und jetzt haben wir einen Schnappschuss aus unserer Arbeit, der zeigt, dass die Arktis mehr Wasserkanäle bekommt, wenn es wärmer wird. Aber nichts davon ist dasselbe wie zu sagen: ‚Das passiert, wenn man eine kalte Landschaft nimmt und die Temperatur real erhöht.‘ schnell.‘ Ich glaube nicht, dass wir wissen, wie sich das ändern wird.
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Joanmarie Del Vecchio et al.: Die Ausdehnung des Permafrosts bestimmt die Entwässerungsdichte in der Arktis. Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2307072120