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Geowissenschaften:Zeitreise im Permafrost

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Der Batagaika-Krater in Jakutien auf einer Luftaufnahme aus dem Jahr 2014. Seither sind die Ränder deutlich weiter abgebröckelt.

(Foto: NEFU/picture alliance/AP Photo)
  • In den vergangenen Jahrzehnten hat sich mitten in der Taiga in Jakutien ein ungewöhnlich tiefer Krater gebildet.
  • An ihm lassen sich Hunderttausende Jahre Klimageschichte ablesen.
  • Die Daten könnten auch eine Bedeutung für aktuelle Klimamodelle haben.

Es ist der Sommer 2017, als der Geowissenschaftler Thomas Opel vor einer 55 Meter hohen, fast senkrecht in den Himmel ragenden Steilwand steht. Es knistert, rieselt, poltert, Tag und Nacht. Plötzlich ein lautes Knallen: Aus dem Tor zur Unterwelt, wie der riesige Krater von Batagaika in Sibirien oft genannt wird, ist ein weiterer mächtiger Block vereister Erde herausgebrochen. Mit der Kettensäge schneidet Opel handbreite Quader aus der Wand heraus. Es ist ein gefährlicher Arbeitsort, jederzeit könnte sich ein weiterer Erdblock lösen und auf ihn herabstürzen. Aber die Proben, die er aus dem Eis holt, sind kostbar: Sie enthalten Jahrtausende alte Sedimente, ein einzigartiges Klimaarchiv. Mit dessen Hilfe hoffen Forscher, die Dynamik des Weltklimas besser beurteilen zu können - um genauere Vorhersagen über die künftige Entwicklung zu machen.

Im April dieses Jahres ist Thomas Opel mit einer Expeditionsgruppe der Potsdamer Außenstelle des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung zu dem mysteriösen Einbruchskrater zurückgekehrt. In Sibirien ist da noch Spätwinter, nachts sinken die Temperaturen auf minus 30 Grad Celsius. In dieser Jahreszeit kann einigermaßen sicher an der steinhart gefrorenen Wand gearbeitet werden.

Der ungewöhnlich tiefe, etwa einen Kilometer breite Kessel hat sich erst in den letzten zwei bis drei Jahrzehnten mitten in der Taiga gebildet, in der Nähe der kleinen Stadt Batagai in Jakutien. Seit fünf Jahren erregt er in der Wissenschaft Aufsehen. Das Entstehen dieser Formation war zunächst rätselhaft. Dann stellte sich heraus, dass der Einsturz von Menschen verursacht wurde: Als für die Erkundung einer Zinnmine eine Straßentrasse angelegt wurde, walzten Kettenfahrzeuge die schützende Vegetation nieder. Dadurch drang mehr Sonnenstrahlung auf den Permafrostboden vor; die Klimaerwärmung tat ein Übriges.

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Es entstanden kleine Seen, der Permafrost begann zu tauen, Eis und Schnee flossen als Schmelzwasser ab. Am Ende sackte die ausgelaugte Erde in sich zusammen. Solche Thermokarst-Senken sind nichts Seltenes, aber so groß wie der Batagaika-Krater ist sonst keine.

Als Thomas Opel im Frühjahr wieder nach Sibirien kam, sah er sofort die Veränderungen

Dabei liegt Batagaika nur 60 Kilometer von der kältesten Gegend der Nordhalbkugel entfernt. Dass sich sogar dort der Klimawandel so stark auswirkt, ist für Forscher bedenklich. Permafrost erstreckt sich über ein Viertel aller Landmassen der nördlichen Hemisphäre; dessen Auftauen bedroht die Infrastruktur und die gesamte Lebensgrundlage in weiten Regionen. Hinzu kommt, dass beim Tauen große Mengen des starken Klimagases Methan freigesetzt werden können, was die Erderwärmung zusätzlich beschleunigt. Erst kürzlich hatten Forscher festgestellt, dass der Permafrostboden in Teilen Kanadas so stark aufgeweicht ist, wie man es erst für das Jahr 2090 erwartet hatte.

Als Thomas Opel in diesem Frühjahr den Krater in Sibirien inspizierte, sah er sofort die enormen Veränderungen seit seinem letzten Besuch. Satellitenbilder bestätigten seinen Eindruck: In einigen Bereichen verliert die Steilwand jährlich etwa 20 Meter Dicke. "Ich war beeindruckt von der Geschwindigkeit der Erosion", sagt Opel, "aber auch von der Tatsache, dass ich mit einem Mal Jahrtausende altes Sediment und Eis greifbar vor mir hatte." Wieder konnte er einige Dutzend Probenblöcke gewinnen; derzeit werden sie im Potsdamer Labor des Alfred-Wegener-Instituts untersucht.

Variationen der Schneeschmelze

Im Winter, bei Temperaturen bis unter minus 40 Grad Celsius, reißt die gefrorene Erde auf, weil sich der Permafrostboden beim Abkühlen zusammenzieht. Dabei entstehen bis zu fünf Zentimeter breite, senkrechte Frostspalten. Taut im Frühjahr der Schnee an der Oberfläche, dringt in die Öffnungen Schmelzwasser ein und gefriert sofort wieder. Dieser Vorgang wiederholt sich Jahr für Jahr, wobei die Spalten meist in der Mitte erneut aufreißen. So wächst im Boden über die Jahre ein V-förmiger Keil heran, der mehrere Meter breit sein kann und bis zu 30 Meter tief in den Boden reicht. Im Inneren des Keils liegen die jüngsten Eisadern, zu den Rändern hin die immer älteren. Auf diese Weise entsteht ein Umweltarchiv, das Hunderttausende Jahre in die Vergangenheit reichen kann.

Mit dem Wasser dringt organisches Material in die Spalten ein und wird dort konserviert: Pollen, Pflanzenteile, Fäkalienreste von Tieren. Anhand solcher Spuren kann mit Kohlenstoff-Datierung das Alter der Eisadern bestimmt werden. In Sibirien gibt es kaum Gletscher oder Eiskappen wie in Grönland, die man anbohren könnte, um über die frühe Klimaentwicklung Auskunft zu erhalten.

Darum sind die Eiskeile, an die man herankommt, so wichtig für die Forschung. Wissenschaftler haben schon bis zu 60 000 Jahre alte Eiskeile gefunden, zum Beispiel auf der Bykowski-Halbinsel im Osten Sibiriens. Die Eiskeilproben aus dem Batagaika-Krater könnten deutlich älter sein: "Sie reichen mindestens 200 000 Jahre zurück", meint Opel. Das bedeutet, dass das Eis bereits die Eem-Warmzeit vor rund 125 000 Jahren überstanden hat, die letzte Warmzeit vor der aktuellen, dem Holozän. Im Süden Kanadas wurde ein durch vulkanische Ablagerungen geschützter Eiskeil sogar auf 700 000 Jahre vor unserer Zeitrechnung datiert.

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Thomas Opel liebt die Landschaft in Sibirien. Wenn die Sonne dort im Spätsommer über die Tundra scheint, fühlt er sich in dem unwirklich klaren Licht wie am Ende der Welt. Aber auch wissenschaftlich lohnt sich die Reise: "Ich kann dort etwas ganz Neues ergründen, das sehr komplex ist und das wir noch nicht ganz verstehen", sagt er.

Die Sommer wurden über Jahrtausende immer kühler. Aber was ist mit den Wintern?

Bisherige Modellrechnungen von Paläontologen ergeben, dass die globalen Temperaturen in den vergangenen 8000 Jahren bis ins 19. Jahrhundert hinein kontinuierlich abgenommen haben. Das stimmt mit der abnehmenden Sonneneinstrahlung überein, deren Ursache astronomische Parameter wie eine stärkere Neigung der Erdachse sind.

Darauf beruht die Hypothese, dass die Erde eigentlich einer neuen Eiszeit entgegenging - bis im vergangenen Jahrhundert die heutige, menschengemachte Erwärmung einsetzte. Aber die bekannten Messdaten zeigen im Wesentlichen nur das sommerliche Bild. Eiskeile hingegen speichern Informationen über den Winter. Um auf die Umweltbedingungen schließen zu können, untersucht Thomas Opel mit seinen Kollegen, wie sich das Verhältnis des schweren Sauerstoffisotops O-18 zum etwas leichteren O-16 über die Jahrtausende in den Eiskeilen verändert hat.

Dabei gilt im Allgemeinen: Je weniger O-18 im Eis, desto kälter war es. Zum ersten Mal konnten eindeutig datierte Wintertemperaturen aus dem sibirischen Permafrost ermittelt werden. "In den zurückliegenden 7000 Jahren sind die Winter im Lenadelta kontinuierlich wärmer geworden - eine Entwicklung, die wir bisher aus kaum einem anderen arktischen Klimaarchiv kennen", sagt Opels Kollege Hanno Meyer. Die Gegenläufigkeit des Trends - kälter im Sommer, aber wärmer im Winter - war bisher schwer nachzuweisen.

Um wie viel Grad Celsius genau die Temperaturen variieren, können die Wissenschaftler noch nicht sagen, weil es noch keine zuverlässige Eichung der Isotopenverhältnisse in Eiskeilen am Temperaturverlauf gibt. "Wir brauchen ein besseres Prozessverständnis. Unter welchen Einflüssen gelangt das Wintersignal in die Eiskeile und wird dort fixiert?" fragt Meyer.

"Deshalb haben wir uns in den letzten Jahren verstärkt die jüngsten Variationen des Schnees und der Schneeschmelze angesehen." Auf diese Weise hoffen die Forscher, die Daten aus der Vergangenheit besser interpretieren zu können - und so Temperaturdaten zu erhalten, die dann in aktuelle Klimamodelle einfließen können. Die Gegenwart ist also der Schlüssel zur Vergangenheit, die wiederum eine Prognose für die Zukunft erlaubt.

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