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Permafrost: Entstehung, Auftauen und Folgen
Permafrost ist Untergrund, dessen Temperatur mindestens zwei Jahre hintereinander unter 0 °C bleibt. Er muss dabei weder vollständig aus Eis bestehen noch überall geschlossen vorkommen. Erwärmt sich Permafrost, können Bodeneis schmelzen, der Boden absacken und gespeicherter Kohlenstoff als Treibhausgase freigesetzt werden.
Auf dieser Seite lernst du, Permafrost sicher zu erkennen, seine Verbreitung zu erklären und die Folgen des Auftauens als Ursache-Wirkungs-Ketten herzuleiten.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was Permafrost wirklich bedeutet
Stell dir einen Boden vor, dessen Oberfläche im Sommer weich und nass wird. Trotzdem kann der Untergrund darunter dauerhaft kalt bleiben. Genau diese Trennung ist für das Verständnis von Permafrost entscheidend.
Permafrost
Permafrost ist Boden, Sediment oder Gestein, dessen Temperatur mindestens zwei aufeinanderfolgende Jahre unter 0 °C liegt. Entscheidend ist die Temperatur des Untergrunds – nicht, ob alle Poren mit Eis gefüllt sind.
Permafrost kann wenig oder sehr viel Eis enthalten. In eisreichem Untergrund kommen Eislinsen und größere Eiskörper vor. Trockener Permafrost enthält dagegen so wenig Wasser, dass nicht alle Poren mit Eis gefüllt sind.
Über dem Permafrost liegt häufig die Auftauschicht, auch Aktivschicht genannt. Sie taut im Sommer auf und gefriert im Winter erneut. Je nach Klima, Vegetation und Boden kann sie nur wenige Zentimeter oder mehrere Meter mächtig sein.
Permafrost wird durch seine Temperatur über mindestens zwei Jahre definiert. Die Auftauschicht verändert sich dagegen mit den Jahreszeiten.
Ein Oberboden taut jeden Sommer bis in 80 cm Tiefe auf. Darunter bleibt der Untergrund seit vielen Jahren unter 0 °C.
Die oberen 80 cm bilden die Auftauschicht. Der dauerhaft kalte Untergrund darunter ist Permafrost. Das sommerliche Auftauen der Oberfläche bedeutet also nicht, dass der gesamte Permafrost verschwunden ist.
Wo Permafrost vorkommt
Permafrost kommt vor allem in polaren und subpolaren Gebieten vor, zum Beispiel in Sibirien, Kanada und Alaska. Außerdem tritt er in Hochgebirgen auf. Selbst auf der 2.962 m hohen Zugspitze gibt es alpinen Permafrost.
Auf der Nordhalbkugel sind ungefähr 22,8 Millionen Quadratkilometer beziehungsweise rund 24 Prozent der Festlandsfläche von Permafrost unterlagert. In Sibirien kann er bis zu 1.500 m mächtig sein. Solche großen Mächtigkeiten entstanden über lange kalte Zeiträume.
Die räumlichen Typen beschreiben, wie geschlossen die Permafrostdecke ist:
- Kontinuierlicher Permafrost bildet eine weitgehend geschlossene Decke. Ungefrorene Bereiche können beispielsweise unter großen Seen und Flüssen vorkommen.
- Diskontinuierlicher Permafrost besteht aus gefrorenen und ungefrorenen Teilflächen; der Permafrostanteil liegt über 50 Prozent.
- Sporadischer Permafrost kommt nur noch auf einzelnen begünstigten Flächen vor; sein Anteil liegt unter 50 Prozent.
Diese Einteilung ist räumlich gemeint. Diskontinuierlicher Permafrost ist also nicht bloß Untergrund, der zeitweise im Winter friert.
Ob Permafrost an einem Ort erhalten bleibt, hängt nicht allein von der geographischen Breite oder Höhe ab. Wichtig sind auch:
- Luft- und Bodentemperatur,
- Hanglage und Mikroklima,
- Dicke und Dauer der Schneedecke,
- Vegetationsbedeckung,
- Bodenart, Feuchtigkeit und Wärmeleitfähigkeit,
- Seen, Flüsse und Grundwasser.
Schnee und Vegetation können den Boden isolieren. Eine mächtige Schneedecke bremst im Winter die Abgabe von Wärme an die kalte Luft. Deshalb kann wenig Schnee eine stärkere Auskühlung begünstigen. Auch Moos oder andere Vegetation kann den Wärmeaustausch bremsen und die sommerliche Auftauschicht dünn halten.
Was in der Auftauschicht geschieht
Im Sommer kann Wasser aus Regen und Schneeschmelze in die Auftauschicht gelangen. Der gefrorene Untergrund darunter lässt es jedoch nur schlecht versickern. Dadurch wird der Oberboden häufig wassergesättigt.
An Hängen kann dieser nasse, weiche Boden langsam fließen oder abrutschen. Wiederholtes Gefrieren und Tauen bewegt und durchmischt außerdem das Material. Die frostbedingte Durchmischung heißt Kryoturbation.
Typische Formen zeigen, wie stark Frost und Bodeneis eine Landschaft gestalten:
- Eiskeile wachsen, wenn Frostspalten wiederholt Wasser aufnehmen und dieses gefriert.
- Frostmusterböden entstehen, wenn Frosthub Steine nach oben bewegt und das Material nach vielen Frostwechseln Muster bildet.
- Pingos sind Bodenaufwölbungen mit einem Eiskern. Schmilzt der Kern, kann eine kreisförmige Hohlform zurückbleiben.
Nach der Schneeschmelze sammelt sich Wasser in einer Auftauschicht über gefrorenem Untergrund. Auf einem Hang wird der wassergesättigte Boden beweglich.
Die entscheidende Kette lautet:
geringe Versickerung → wassergesättigte Auftauschicht → Fließen oder Rutschen → Gefahr für Straßen, Gebäude und Leitungen
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Die im Sommer tauende obere Zone heißt . Der Untergrund darunter bleibt mindestens unter 0 °C. Weil Wasser dort schlecht versickert, kann der Oberboden werden. Die frostbedingte Durchmischung des Bodens heißt .
Warum tauender Permafrost den Boden verändert
Mit steigenden Luft- und Bodentemperaturen kann die sommerliche Auftauschicht tiefer werden. Wird das thermische Gleichgewicht dauerhaft gestört, beginnt auch der darunterliegende Permafrost abzubauen.
Besonders folgenreich ist das Schmelzen von Bodeneis. Eis nimmt im gefrorenen Untergrund Raum ein und kann das Bodengerüst stützen. Schmilzt es, verliert der Untergrund Volumen und Stabilität. Die Oberfläche sinkt oft ungleichmäßig ab.
Thermokarst
Thermokarst bezeichnet Bodensenkungen, Geländeformen und weitere Prozesse, die durch das Tauen von eisreichem Permafrost entstehen.
Ungleichmäßige Senkungen können Straßen verbiegen, Fundamente beschädigen, Landebahnen verformen und Pipelines gefährden. Auch Wasserläufe, Seen und Lebensräume können sich verändern.
Dabei wirken zwei verschiedene Schadenswege:
- Über noch gefrorenem Untergrund kann sich Wasser in der Auftauschicht stauen und den Boden beweglich machen.
- Beim Tauen von eisreichem Permafrost schmilzt stützendes Bodeneis, sodass der Boden absackt.
Unter einer Straße liegt eisreicher Permafrost. Ein Abschnitt enthält viel Bodeneis, ein benachbarter Abschnitt nur wenig. Bei Erwärmung schmilzt im eisreichen Bereich mehr Eis. Dieser Abschnitt sinkt stärker ab.
Die Straße verformt sich nicht gleichmäßig. Genau diese räumlich unterschiedliche Absenkung macht Bauen in tauenden Permafrostgebieten schwierig.
Wie Auftauen und Klima zusammenhängen
In Permafrostböden lagern große Mengen organischer Reste von Pflanzen und Tieren. Wegen der niedrigen Temperaturen wurden sie über lange Zeit nur langsam zersetzt.
Taut der Boden, werden Mikroorganismen aktiver. Sie zersetzen organisches Material. Dabei können Kohlendioxid (CO₂) und Methan (CH₄) in die Atmosphäre gelangen. Beide Gase verstärken den Treibhauseffekt.
Erwärmung → Auftauen → mikrobielle Zersetzung → Freisetzung von CO₂ und CH₄ → zusätzliche Erwärmung → weiteres Auftauen
Diese Wirkungskette heißt Permafrost-Kohlenstoff-Rückkopplung.
Schätzungen nennen für Permafrost einen Vorrat von etwa 1.300 bis 1.600 Gigatonnen Kohlenstoff. Zum Vergleich werden für die Atmosphäre rund 800 Gigatonnen Kohlenstoff angegeben. Diese Zahlen sind Schätzwerte; sie bedeuten nicht, dass der gesamte gespeicherte Kohlenstoff sofort freigesetzt wird.
Veränderungen werden unter anderem durch langfristige Messungen in Bohrlöchern untersucht. Forschende erfassen Bodentemperatur und Bodenfeuchte in verschiedenen Tiefen. Aus Messreihen können sie erkennen, ob sich der Untergrund erwärmt und wie sich die Auftautiefe verändert.
Lokale Maßnahmen wie angepasste Bauweisen, der Erhalt einer isolierenden Vegetationsdecke und eine sorgfältige Landnutzung können Schäden begrenzen. Sie ersetzen jedoch nicht die globale Begrenzung der Erwärmung, wenn Permafrost langfristig erhalten werden soll.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Permafrost
- Definition: mindestens zwei Jahre unter 0 °C
- Aufbau: Auftauschicht über dauerhaft kaltem Untergrund
- Verbreitung: Polarregionen und Hochgebirge
- Standortfaktoren: Klima, Schnee, Vegetation, Boden und Wasser
- Frostdynamik: Kryoturbation, Eiskeile, Frostmusterböden und Pingos
- Auftaufolge: Bodeneisschmelze, Senkung und Thermokarst
- Infrastruktur: Schäden durch nassen, beweglichen oder absackenden Boden
- Klima: CO₂- und CH₄-Freisetzung kann die Erwärmung verstärken
Abschluss-Check
Wenn du alle drei Abschlussfragen begründen kannst, beherrschst du den Kern: Permafrost ist ein langfristiger Temperaturzustand des Untergrunds, seine Stabilität hängt von mehreren Standortfaktoren ab, und sein Auftauen verbindet Landschaftsveränderungen mit lokalen Schäden und globalen Klimawirkungen.