Permafrostböden: Mögliche Quelle für abrupten Treibhausgasanstieg am Ende der letzten Eiszeit

Das CO2 – freigesetzt in der Bølling/Allerød Warmphase – stammte dieser neuen Interpretation zufolge vermutlich aus auftauenden arktischen Permafrostböden und verstärkte durch positive Rückkopplung die initiale Erwärmung. Die Studie erscheint jetzt online im Fachmagazin Nature Communications.

Einer der abruptesten Anstiege des Kohlendioxidgehalts der Atmosphäre am Ende der letzten Eiszeit fand vor ungefähr 14.600 Jahren statt. Eiskerndaten zeigen, dass der CO2-Gehalt damals innerhalb von 200 Jahren um mehr als 10 ppm zunahm (parts per million – Teile pro Millionen, Maßeinheit für die Zusammensetzung von Gasen).

Diese CO2-Zunahme war mit etwa 0,05 ppm pro Jahr deutlich geringer als der durch fossile Brennstoffe verursachte aktuelle Anstieg im atmosphärischen CO2 von 2-3 ppm pro Jahr in der letzten Dekade. Diese Daten beschreiben eine abrupte Veränderung im globalen Kohlenstoffkreislauf während des Übergangs von der letzten Eiszeit in die heutige Warmzeit und lassen Rückschlüsse auf ähnlich verlaufende Prozesse zu, die in der Zukunft eine Rolle spielen könnten.

Um den Ursprung des Treibhausgases zu ermitteln, hat ein Team um die Geo- und Klimawissenschaftler Dr. Peter Köhler und Dr. Gregor Knorr vom Alfred-Wegener-Institut Computersimulationen zur neuen Interpretation dieser CO2-Daten durchgeführt. Anlass für diese Berechnungen waren von französischen Kollegen veröffentlichte neue Radiokohlenstoffdaten (14C), die Informationen über das Alter des in die Atmosphäre eingetragenen CO2 lieferten. Das Alter wiederum lässt Rückschlüsse auf die Kohlenstoffquelle zu.

„Der gegen Null gehende Anteil von Radiokohlenstoff im CO2, das in die Atmosphäre freigesetzt wurde, zeigt uns, dass der Kohlenstoff sehr alt gewesen sein muss“, sagt Köhler. Der Kohlenstoff könne daher nicht aus der Tiefsee stammen, denn, so Köhler weiter: „Der in der Tiefsee gespeicherte Kohlenstoff steht über eine Dauer von Jahrtausenden im Austausch mit der Atmosphäre, in der 14C durch die Einwirkung kosmischer Strahlung entsteht.“

Radiokohlenstoff ist jedoch instabil und zerfällt mit einer Halbwertszeit von etwa 5.700 Jahren. Die atmosphärischen Daten von CO2 und 14C sind nur zu erklären, wenn eine Kohlenstoffquelle angenommen wird, die nahezu kein 14C mehr enthält – die Treibhausgase müssen also eine andere Quelle als die Tiefsee gehabt haben.

Solch eine potentielle Quelle für atmosphärischen Kohlenstoff sind Permafrostböden, in denen teilweise sehr altes organisches Material enthalten ist, das beim Auftauen der Böden in Form der Treibhausgase CO2 und Methan freigesetzt wird. Zurückzuführen ist das Tauen der arktischen Permafrostböden darauf, dass ein plötzliches Anspringen des großskaligen atlantischen Wärmetransportes im Ozean die Bølling/Allerrød-Warmphase initiierte.

Die Menge des in die Atmosphäre eingetragenen Kohlendioxids konnten die Forscher mit einem Computermodell abschätzen, das den globalen Kohlenstoffkreislauf simuliert. Demnach ist der Eintrag von mehr als einer halben Gigatonne Kohlenstoff pro Jahr (1 Gigatonne = 1 Petagramm) über zwei Jahrhunderte notwendig, um die beobachteten Daten zu erklären. Das entspricht einer Gesamtmenge von mehr als 100 Gigatonnen Kohlenstoff. Heutige anthropogene CO2-Emissionen durch fossile Brennstoffe sind mit etwa zehn Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr mindestens um einen Faktor zehn größer als die Freisetzungsraten dieses natürlichen Prozesses.

Das prognostizierte Auftauen großer Permafrostgebiete, gefolgt vom Anstieg der Treibhausgase, trat laut der Studie zeitgleich mit der nordhemisphärischen Klimaerwärmung am Beginn der Bølling-Warmzeit auf. Die freigesetzten Treibhausgase können die anfängliche Erwärmung durch Rückkopplungseffekte verstärken.

Ein ähnlicher Effekt wird im aktuellen Bericht des Weltklimarates (IPCC) auch für die Zukunft prognostiziert. Die Erwärmung beispielsweise in Sibirien führt schon heute zum Auftauen von Permafrostböden: CO2 und Methan gasen aus. Dieselben Prozesse, die heute beobachtet werden – und in noch stärkerem Ausmaße in den kommenden Jahrzehnten erwartet werden – haben vermutlich in ähnlicher Weise bereits vor 14.600 Jahren stattgefunden. „Allerdings ist der Klimazustand der Erde heute bereits durch anthropogen emittierte Treibhausgase verändert. Die zukünftige CO2-Freisetzung aus dem prognostizierten Auftauen von Permafrost ist deutlich geringer als der Eintrag durch fossile Brennstoffe. Diese Emissionen aus Permafrostböden sind jedoch zusätzliche Treibhausgasquellen, die den anthropogen verursachten Effekt noch verstärken“, sagt Köhler.

Hintergrund
Der von den Wissenschaftlern untersuchte abrupte CO2-Anstieg vor etwa 14.600 Jahren vor heute war einer von drei schnellen Schwankungen im Kohlenstoffkreislauf während des Übergangs von der letzten Eiszeit in die jetzige Warmzeit, wie amerikanische Kollegen (Marcott et al.; doi:10.1038/nature13799) mittels neuer CO2-Daten an einem Eiskern in der Westantarktis gezeigt haben, die Ende Oktober 2014 im Fachmagazin Nature veröffentlicht wurden.

Da aber CO2-Analysen an Eiskernen durch den Einschlussprozess der Gase im Eis immer nur eine gemittelte Version des atmosphärischen Signals enthalten, ist die genaue Größe des CO2-Pulses noch mit Unsicherheiten behaftet. Dennoch lässt sich klar abschätzen, dass während dieser abrupten CO2-Anstiege die entsprechenden Änderungsraten im atmosphärischen CO2 deutlich geringer waren als die durch fossile Brennstoffe verursachten Raten im atmosphärischen CO2 von etwa 2-3 ppm pro Jahr, die wir heute erleben.

Originalstudie
Peter Köhler, Gregor Knorr und Edouard Bard (2014): Permafrost thawing as a possible source of abrupt carbon release at the onset of the Bølling/Allerød. Nature Communications 5:5520; DOI: 10.1038/ncomms6520; http://www.nature.com/naturecommunications

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Das Alfred-Wegener-Institut forscht in der Arktis, Antarktis und den Ozeanen der mittleren und hohen Breiten. Es koordiniert die Polarforschung in Deutschland und stellt wichtige Infrastruktur wie den Forschungseisbrecher Polarstern und Stationen in der Arktis und Antarktis für die internationale Wissenschaft zur Verfügung. Das Alfred-Wegener-Institut ist eines der 18 Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands.