Permafrostböden zählen zu den wichtigsten Kohlenstoffsenken der Erde. Während die oberen Schichten Jahr für Jahr in den Sommermonaten tauen, bleiben die unteren Schichten üblicherweise gefroren und speichern den in ihnen enthalten Kohlenstoff sowie zahlreiche Nährstoffe und Mineralien teils über Jahrtausende. Durch die globale Erwärmung taut der Permafrost jedoch immer weiter. Verstärkt wird dieser Prozess dadurch, dass sich Flüsse aus Schmelzwasser bis in tieferliegende Bodenschichten graben und dabei Teile des Bodens abtragen. Wie genau diese Flüsse entstehen und wie sie die Landschaft beeinflussen, war allerdings bislang unklar.
Netzwerke aus Eiskeilen
Ein Team um Shawn Chartrand von der Simon Fraser University in Kanada hat die Entstehung und die Auswirkungen dieser Flüsse nun genauer untersucht. Dabei fokussierte sich das Team auf ein rund acht Kilometer langes Tal auf der Axel-Heiberg-Insel in der kanadischen Arktis. Das jahreszeitliche Tauen und Gefrieren der oberen Bodenschichten hat hier zu einem für Permafrostböden typischen Muster geführt: Im Winter bilden sich tiefe Risse im Boden, die sich im Frühjahr mit Schmelzwasser füllen. Wenn dieses wieder gefriert, entstehen Eiskeile, die sich im Laufe der Zeit zu Netzwerken zusammenfügen. Dadurch entsteht ein vieleckiges Muster, die sogenannten Polygonfelder.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Polygonfelder beeinflussen, wie abfließendes Oberflächenwasser durch die Landschaft geleitet wird“, berichtet das Team. „Dabei tragen sie zur Entstehung von Flusssystemen bei, die die Landschaft aufgrund der Klimaerwärmung verändern.“ Für die Studie haben Chartrand und sein Team historische Luftaufnahmen der Region ausgewertet und mit eigenen Feldstudien sowie physikalischen Modellierungen kombiniert. „Die Zeitreihe von Luftaufnahmen seit 1959 zeigt, dass sich Polygonfelder, die mit Frost und Tauwetter zusammenhängen, relativ schnell innerhalb einiger Jahrzehnte bilden können“, berichten sie.
Komplexes Zusammenspiel von Einflussfaktoren
Dabei folgt die Entstehung der Flusssysteme anderen Regeln als in Gebieten ohne Permafrost. Während sich Flüsse normalerweise in Abhängigkeit davon bilden, wie leicht der Boden erodiert und wie stark die Wasserströme sind, kommt es in Gebieten mit Permafrost auf andere Faktoren an: „Wichtig sind der Zeitpunkt, das Ausmaß und die Dauer von Überschwemmungsereignissen und die Frage, ob die darunter liegenden Sedimentpartikel vollständig oder nur teilweise gefroren sind“, erklärt Chartrand. „Durch die Modellierung der Wasserbewegungen in der Landschaft haben wir herausgefunden, dass Hochwasser, das durch miteinander verbundene Polygontäler geleitet wird, die Wahrscheinlichkeit von Erosion und Kanalbildung erhöht.“
