E11 Gefrorene Böden und Oberflächenpermafrost

Thema

Permafrost bezeichnet Boden oder Gestein, dessen Temperatur mindestens zwei Jahre in Folge bei oder unter null Grad Celsius bleibt, unabhängig davon, ob er Eis enthält oder nicht. Er bedeckt etwa 25 Prozent der gesamten Landfläche der Nordhalbkugel.

Die Auftauschicht ist die oberste Schicht dieses Permafrosts. Sie taut jeden Sommer auf und gefriert jeden Winter wieder. Ihre Dicke variiert enorm, von wenigen Zentimetern in den Hochgebirgen der Arktis bis zu mehreren Metern im diskontinuierlichen Permafrost borealer Regionen.

Das Gefrieren und Auftauen dieses Bodens verändert seine hydrologischen Eigenschaften grundlegend: Gefrorener Boden verhält sich wie undurchlässig, da das Eis das Durchdringen von Wasser praktisch verhindert. Genau diese Undurchlässigkeit führt dazu, dass der Oberflächenabfluss während der Frühjahrstauzeit drastisch zunimmt.

Die Bildung der Frostfront folgt der Stefan-Gleichung, nach der die Tiefe dieser Frostfront proportional zur Quadratwurzel der akkumulierten Kältegradtage ist. Die Schmelzwärme des im Boden enthaltenen Wassers, 334.000 Joule pro Kilogramm, ist der Hauptfaktor in der Wärmebilanz des gesamten Permafrostbodens.

Die Klimaerwärmung beschleunigt das Auftauen dieses Permafrosts, was gravierende Folgen nach sich zieht: Die Zersetzung zuvor gefrorener organischer Substanz setzt Kohlendioxid und Methan frei, ein besonders starkes Treibhausgas; Bodensenkungen, wie sie in einem anderen Dokument beschrieben werden, zerstören auf diesem Permafrost errichtete Infrastrukturen; und die durch das Auftauen hervorgerufenen hydrologischen Veränderungen beeinflussen die Abflussregime arktischer Flüsse und Seen.

Das zu erwartende Verhalten dieses gesamten Systems sieht unter den aktuellen Erwärmungsbedingungen eine Auftaufront vor, die sich mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 2 Metern pro Jahrzehnt ausbreitet. Ausgehend von der thermischen Definition, mit der dieses Dokument beginnt, bis zum Vorrücken der Auftaufront, mit der es endet, und unter Berücksichtigung der aktiven Schicht, der Undurchlässigkeit des gefrorenen Bodens und der Stefan-Gleichung, bewirkt der Permafrost, dass ein Boden, der Jahrtausende lang gefroren und stabil geblieben ist, nun beginnt, den Kohlenstoff, das Wasser und die strukturelle Stabilität freizusetzen, die er all die Zeit gespeichert hatte.

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