Der vom Menschen verursachte Klimawandel verkürzt die Schneedecke in der Arktis. Doch laut einer neuen Studie von Erdsystemwissenschaftlern der University of California in Irvine liegt in einigen Teilen der Arktis eine tiefere Schneedecke als normal, und dieser tiefe Schnee treibt das Auftauen der lange gefrorenen Kohlenstoffreserven im Permafrost voran und führt zu erhöhten Emissionen von Treibhausgasen wie Kohlendioxid und Methan.
„Es ist das erste Langzeitexperiment, bei dem wir die Mobilisierung von altem Kohlenstoff das ganze Jahr über direkt messen, um zu zeigen, dass tieferer Schnee die Möglichkeit hat, Kohlenstoff tief im Boden relativ schnell zu mobilisieren“, sagte Claudia Czimczik, Professorin für Erdsystemwissenschaften und der Hauptautor der Studie, die in erscheint AGU-Fortschritte. „Leider stützt es die Annahme, dass die Kohlenstoffemissionen des Permafrosts zum bereits steigenden CO2-Gehalt in der Atmosphäre beitragen werden.“
Die Feldforschung für die Studie fand beim International Tundra Experiment (ITEX) am Toolik Lake in Alaska statt, einem Experiment, das 1994 vom Co-Hauptautor der Studie, Jeff Welker von der University of Alaska, gestartet wurde. Das ursprüngliche Ziel des Experiments, erklärte Welker, bestand darin, zu verstehen, wie sich tieferer Schnee auf die Ökosysteme der arktischen Tundra auswirken würde.
In den letzten Jahren führte das gemeinsame Team von UCI und Alaska Feldforschungen am ITEX-Standort durch und stellte fest, dass sich ein gemeinsames arktisches Ökosystem – die Tussock-Tundra – in eine ganzjährige Quelle für uraltes Kohlendioxid verwandelt hatte. Dies war eine Folge des Auftauens von unter Schnee begrabenem Permafrost, wo der Schnee seit 1994 drei- bis viermal höher war als die durchschnittliche langfristige Schneehöhe.
Als die Forschung begann, glaubten weder Welkers Team noch Klimaforscher, dass die experimentelle Behandlung von tieferem Schnee zu einem so schnellen Auftauen des Permafrosts führen würde.
„Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Stabilität des Permafrosts im arktischen Alaska und möglicherweise weltweit ziemlich schnell auf Änderungen der Schneebedingungen im arktischen Winter reagieren kann, wo der Winter bis zu acht Monate dauern kann“, sagte Welker. „Solche Rückkopplungen des Winterklimas sind ein Tundra-Merkmal, das bisher nicht erkannt und voll geschätzt wurde.“
Die Ergebnisse des Teams, erklärte Czimczik, deuten darauf hin, dass die Emissionen aus arktischen Quellen auch dann anhalten würden, wenn die Menschheit sofort mit der Emission von Gasen, die den Planeten erwärmen, wie Kohlendioxid, aufhören würde.
„Die Implikationen sind: Wenn die Klimamodelle stimmen und die Beobachtungen weiterhin eine Zunahme des Schnees zeigen, dann wird der Schnee zusätzlich zur starken Erwärmung die Emissionen aus dem Permafrost stark beschleunigen“, sagte Czimczik. „Ich war sehr besorgt, als ich die Daten sah.“
Bislang berücksichtigen Klimamodelle, die Gruppen wie dem Zwischenstaatlichen Ausschuss für Klimaänderungen dabei helfen, verschiedene Klimaszenarien vorherzusagen, die Emissionen aus Permafrostböden nicht, teilweise weil diese Emissionen schwer zu quantifizieren sind. Aber Czimczik und ihr Team bauten Sensoren an der UCI und konnten die Kohlenstoffemissionen des Permafrosts an ihrem arktischen Feldstandort direkt messen.
„Wir waren uns nicht sicher, ob wir die Kohlenstoffemissionen des Permafrosts vor Ort sehen könnten“, sagte Czimczik. „Allerdings können wir sogar die alten Kohlenstoffemissionen im Sommer beobachten“, wenn die Kohlenstoffemissionen von Pflanzen dominieren sollten.
Ehemaliger UCI-Doktorand für Erdsystemwissenschaften. Der Student Shawn Pedron und der Postdoktorand Gus Jespersen von der University of Alaska besuchten den Standort im Jahr 2019, um die Sensoren zu installieren.
„Das Sammeln der Daten in der abgelegenen Arktis war ziemlich schwierig, aber auch sehr einprägsam“, sagte Pedron. „Das Ergebnis, dass alter Kohlenstoff in durch Schnee isolierten Böden mobilisiert wird, ist das, was wir von unseren früheren Arbeiten erwartet hatten, aber wir waren auch überrascht, wie viel mehr Kohlenstoff insgesamt im Bereich des verstärkten Schnees vorlag.“
„Es ist in der Arktis eine Seltenheit, seit fast 30 Jahren ein Experiment durchzuführen, insbesondere eines, das sich auf die Winterbedingungen konzentriert“, sagte Jespersen. „Dieser Zeitrahmen hat uns einen einzigartigen Einblick in eine Möglichkeit für die zukünftige Arktis gegeben, und es war ernüchternd, die Kaskade von Ökosystemveränderungen mitzuerleben und zu dokumentieren, die alle darauf zurückzuführen sind, dass einfach mehr Schnee auf dem Boden liegt.“
Der aktuelle Klimawandel führt dazu, dass Schnee und Eis in weiten Teilen der Arktis zurückgehen. Aber die gleiche Erwärmung, die den Rückgang vorantreibt, führt auch zu einer erhöhten Verdunstung und damit zu Niederschlägen in bestimmten Regionen. Höherer Schnee wirkt wie eine Decke und isoliert den im Sommer erwärmten Boden vor kalten Lufttemperaturen. Dadurch taut der Permafrost auf, wodurch Mikroorganismen die zuvor gefrorene organische Substanz fressen und dabei Gase freisetzen können, die den Planeten erwärmen.
„Permafrost-Emissionen werden wahrscheinlich früher einsetzen als erwartet“, sagte Czimczik.
Czimczik fügte hinzu, sie hoffe, dass ein wachsendes Bewusstsein für die Bedrohung durch Emissionen aus natürlichen Quellen die Menschen weiter dazu ermutigen werde, Emissionen aus anderen Quellen, die unter menschlicher Kontrolle stehen, einzudämmen. „Es ist eine Chance für Einzelpersonen, aber auch für CEOs und Regierungen, Emissionen zu reduzieren und in Lösungen zur Kohlenstoffabscheidung zu investieren, und wir müssen noch bessere Arbeit leisten, als wir dachten, da Permafrostemissionen dazu führen werden, dass wir unser Treibhausgas- und Temperaturziel verfehlen.“
Mehr Informationen:
SA Pedron et al, More Snow Accelerates Legacy Carbon Emissions From Arctic Permafrost, AGU-Fortschritte (2023). DOI: 10.1029/2023AV000942