Aus dem Fenster eines Forschungsflugzeugs der NASA Gulfstream III sieht Alaska aus wie eine unberührte Wildnis, unberührt von Menschen. Das Land ist mit üppiger, grüner Vegetation bedeckt und mit hellblauen Seen übersät. Schneebedeckte Berge ragen in den Himmel und schokoladenmilchfarbene Flüsse schlängeln sich durch die Landschaft. Die offensichtlichen Anzeichen menschlicher Aktivität – Städte, Straßen, Infrastruktur – sind schwer zu erkennen.
Aber bei näherer Betrachtung erscheinen einige Hinweise auf eine vom Menschen verursachte Veränderung. Versunkene Landtaschen. Abnormal geneigte Bäume. Teiche, wo früher trockener Boden war. Durch die Augen von Wissenschaftlern, die Daten vom Boden und aus der Luft sammeln, ist das Signal klar: Die Arktis ist stärker vom Klimawandel betroffen als die meisten Orte auf der Erde. Seit 2015 nehmen Wissenschaftler am Arctic Boreal Vulnerability Experiment der NASA teil (Oben) haben die Auswirkungen des Klimawandels auf die nördlichen Regionen der Erde untersucht und wie diese Veränderungen miteinander verflochten sind.
„ABoVE ist eine großangelegte Studie zum Umweltwandel, nicht nur zum Klimawandel“, sagte Peter Griffith, Forscher des Kohlenstoffkreislaufs am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, und einer der Leiter von ABoVE. „Und wir tun dies, wie es nur die NASA kann: indem wir diese Region vom Blatt bis zum Orbit untersuchen.“
Frühere Feld- und Luftkampagnen konzentrierten sich auf Dinge wie Veränderungen in der Pflanzendecke und veränderte Migrationsmuster von Tieren. Im Sommer 2022 untersuchte das Team das Auftauen von Permafrost, Methanemissionen aus Seen und die Auswirkungen von Waldbränden in Alaska und im Nordwesten Kanadas. Sie taten dies mit Instrumenten, die von Forschungsflugzeugen aus beobachteten, und mit Wissenschaftlern, die Messungen am Boden sammelten.
Untersuchung arktischer Veränderungen aus Luft und Weltraum
Eine der Schlüsselkomponenten von ABoVE ist die luftgestützte Kampagne, die Forschungsflugzeuge wie die verwendet NASA-Flugzeug Gulfstream III. In diesem Jahr wurde das Flugzeug mit dem unbewohnten Luftfahrzeug-Radar mit synthetischer Apertur oder montiert UAVSARdas Radiowellenimpulse aussendet, die von der Erdoberfläche reflektiert werden und Wissenschaftlern eine genaue Vorstellung von der Form der Land- und Wasseroberflächen darunter geben – selbst wenn sie durch Wolken oder dichte Vegetation blicken.
Jedes Jahr überfliegen Mitglieder des ABoVE-Teams ihre Feldstandorte sowie Waldbrandnarben und andere Gebiete von wissenschaftlichem Interesse, um Messungen aus der Luft und vom Boden zu vergleichen. Sie besuchen die Stätten auch von Jahr zu Jahr erneut, um zu sehen, wie sich die Landschaften im Laufe der Zeit entwickeln.
UAVSAR ähnelt dem Hauptinstrument eines kommenden Satelliten. Das NASA-ISRO (NISAR)-Satellit wird eine gemeinsame Mission der Indian Space Research Organization und der NASA sein, um das Land und das Eis der Erde zu beobachten. NISAR ist auch Teil der kommenden NASA Erdsystem-Observatorium.
„ABoVE und UAVSAR geben der Forschungsgemeinschaft ein wirklich gutes Beispiel dafür, wie NISAR-Daten aussehen werden und welche Art von Wissenschaft sie aus diesen Datensätzen extrahieren können“, erklärte Franz Meyer, ein Mitglied des NISAR-Wissenschaftsteams und gleichzeitig Chefwissenschaftler der Alaska Satellitenanlage in Fairbanks.
NISAR wird weltweit und ganzjährig Daten sammeln und es Forschungsgruppen wie dem ABoVE-Team ermöglichen, kritische Prozesse zu untersuchen – die Entwicklung von Methanemissions-Hotspots, wie und wo Permafrost auftaut, langfristige Folgen von Waldbränden – auch wenn dies nicht der Fall sein kann dort persönlich.
Mit Wissenschaftlern im Feld und Forschungsflugzeugen am Himmel arbeitet ein Team von Wissenschaftlern der NASA-Mission ABoVE daran, die Geheimnisse der Arktis zu entschlüsseln. Bildnachweis: NASA / Katie Jepson
Auftauender Permafrost schafft neue Seen, neue Methan-Hotspots
Permafrost – Erdschichten, die mindestens zwei Jahre lang gefroren waren – liegt in weiten Teilen Alaskas und im Nordwesten Kanadas. In einigen Gebieten, insbesondere innerhalb des Polarkreises, ist die Landschaft reich an Permafrost. In anderen findet sich dieser gefrorene Boden in Flecken. Wie auch immer, es ist seit Tausenden von Jahren größtenteils gefroren geblieben.
Aber während sich unser Planet erwärmt, taut der Permafrost immer schneller auf. Dadurch verändern sich Form und Vegetation von Landschaften und es entstehen teilweise neue Tümpel und Seen, die auch Hotspots für Treibhausgasemissionen sind.
Wenn sich die harte, gefrorene Permafrostschicht erwärmt, verwandelt sie sich in weicheren, schwammigeren Boden. Dieser matschige Boden sinkt und kann Straßen, Häuser und andere darauf befindliche Infrastruktur beschädigen. In einigen Gebieten wie dem Inneren Alaskas enthält die Permafrostschicht auch große Eisbrocken. Wenn Permafrost auftaut und dieses Eis schmilzt, können sich die entstehenden Dolinen mit dem Schmelzwasser füllen und neue Teiche und Seen bilden.
Die wärmeren Temperaturen, die zum Auftauen des Permafrostbodens führen, erhöhen auch die Aktivität von Mikroben, die abgestorbene Pflanzen und andere aufgetaute organische Stoffe verdauen. Dieser mikrobielle Zerfall setzt Methan frei, ein starkes Treibhausgas, das an die Seeoberfläche bläst und in die Atmosphäre gelangt.
Dieser Auftauprozess findet in ganz Alaska und im Nordwesten Kanadas statt, wo es bereits Millionen von Seen und Teichen gibt. Aber die meisten dieser Seen sind Hunderte oder Tausende von Jahren alt, was bedeutet, dass den Mikroben die organische Substanz zur Zersetzung ausgegangen ist und die Seen keine signifikanten Mengen an Methan mehr freisetzen.
Im Jahr 2022 hat das ABoVE-Team den Big Trail Lake etwas außerhalb von Fairbanks genau untersucht. „Seen wie Big Trail sind neu, jung und wichtig, weil sie in der Zukunft passieren werden, wenn sich das Klima ändert und der Permafrost auftaut“, sagte Katey Walter Anthony, Ökologin an der University of Alaska-Fairbanks, die mit dem ABoVE-Team zusammenarbeitet .
Arktische und boreale Brände werden immer extremer
Jahr für Jahr Beobachtungen vom Himmel und vom Boden aus sind besonders wichtig, um die sich entwickelnden Auswirkungen von Waldbränden auf die arktische und boreale Landschaft zu verstehen. Brände sind seit langem ein natürlicher Bestandteil dieser Ökosysteme. Aber da sich das Klima auf der Erde ändert, werden Waldbrände in diesen Gebieten größer, häufiger und heftiger. Dies kann es den Ökosystemen erschweren, sich nach einem Brand zu erholen – was die nachwachsenden Pflanzen verändert und das Auftauen des Permafrosts beschleunigt.
Brände in Alaska und im Nordwesten Kanadas können sich von denen in den kontinentalen Vereinigten Staaten unterscheiden. Manchmal brennt der Boden selbst, da die weiche, torfige Schicht aus Erde und organischem Material über der Permafrostschicht brennbar ist. Außerdem werden Brände in abgelegenen Gebieten normalerweise sich selbst überlassen, es sei denn, sie bedrohen Häuser oder andere Infrastruktur. Dies gibt Wissenschaftlern ein „natürliches Experiment“, um zu sehen, wie Feuer seinen Lauf nimmt.
„Diese Feuer in der Tundra sind so selten, dass wir nicht immer eine gute Gelegenheit haben, sie zu untersuchen“, sagte Liz Hoy, Waldbrandforscherin bei NASA Goddard und eine der leitenden Wissenschaftlerinnen von ABoVE.
Seit mehreren Jahren überfliegt das ABoVE-Team die jüngsten Waldbrände. Zum Beispiel flog das Team über den Ort des Shovel Creek Fire 2019 und des Yankovich Road Fire 2021, bevor und nachdem sie brannten. Solche Wiederholungsflüge ermöglichen es Wissenschaftlern, die unmittelbaren Auswirkungen von Waldbränden und die Reaktion der Ökosysteme zu sehen. In diesem Jahr überflog das Team den Ort des Contact Creek Fire, das Ende Mai 2022 in einer weitgehend baumlosen Tundra in der Nähe des Katmai-Nationalparks in Alaska brannte.
Das ABoVE-Team interessiert sich nicht nur für die lokalen Auswirkungen auf die Ökosysteme, sondern auch dafür, wie die Brände durch den Klimawandel verursacht werden oder dazu beitragen können.