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02.08.2021

Methan-Emissionen aus Permafrostböden nach sibirischer Hitzewelle

Anlass

Die Permafrostböden in Sibirien haben während und nach der lang anhaltenden Hitzewelle im Sommer 2020 große Mengen Methan emittiert. Zu diesem Ergebnis kommt ein Team um Nikolaus Froitzheim von der Universität Bonn. Die Wissenschaftler haben für ihre Arbeit die Konzentration des potenten Treibhausgases in der Atmosphäre über den betroffenen Regionen untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass die Methan-Emissionen wahrscheinlich nicht durch mikrobielle Aktivitäten entstanden ist, sondern dass es sich um sogenanntes thermogenes Methan handelt. Dieses entsteht in tiefen Gesteinsschichten durch chemische Umwandlung von Biomasse bei hohen Drücken und Temperaturen. Diese Methan-Quelle wurde bisher in der Diskussion um auftauende Permafrostböden nur nachgelagert berücksichtigt. Die Studie ist am 02.08.2021 im Fachjournal „PNAS“ veröffentlicht worden (siehe Primärquelle).

Die Regionen des Permafrosts gelten als eines der Kippelemente des Klimasystems. In einigen dieser Gebiete ist der Boden seit vielen tausend Jahren dauerhaft gefroren und reicht in Sibirien in bis zu 1.500 Meter Tiefe. Diese Böden speichern einerseits abgestorbene Biomasse, die beim Auftauen durch Bakterien zersetzt wird. Dabei entsteht neben Kohlendioxid auch Methan. Zudem ist Methan als festes Gashydrat in und unter Gesteinsformationen gespeichert, das bei einer Erwärmung durch Risse im Gestein an die Oberfläche und von dort in die Atmosphäre gelangen könnte. Allein in den Permafrostböden der Nordhalbkugel ist mehr Kohlenstoff gespeichert (1.300 Gigatonnen) als zusammen in der gesamten Atmosphäre (830 Gigatonnen) und der globalen Vegetation (520 Gigatonnen) [I].

Methan (CH4) ist ein hochwirksames Treibhausgas. Seine Emissionen spielen eine wichtige Rolle bei der globalen Erwärmung. Diese stammen sowohl aus natürlichen Prozessen – vulkanische Aktivitäten, Sümpfe, Permafrostböden – als auch zu etwa 60 Prozent aus vom Menschen gemachten Quellen, etwa der Nutzung fossiler Energieträger, Viehzucht, dem Reisanbau oder der Verbrennung von Biomasse. Die Konzentration des Gases in der Atmosphäre ist von vorindustriell 694 ppb (Parts per Billion, zu Deutsch „Teile pro Milliarde“) auf 1.888 ppb im Jahr 2021 angestiegen [II]. Der aktuellen Ausgabe des Global Methane Budgets zufolge hinterlassen die Methan-Emissionen aus den Permafrostböden noch kein messbares Signal [III]. Auch der IPCC-Sonderbericht „Ozean und Kryosphäre“ spricht von „medium evidence and low agreement“, dass die bisherige Erwärmung bereits zusätzliche Methan- und Kohlendioxid-Emissionen aus den Permafrostregionen verursacht hat [IV]. Tauen die Permafrostböden nun allerdings bei fortschreitendem Klimawandel zunehmend auf, könnte dies eine selbstverstärkende Rückkopplung nach sich ziehen: Methan trägt zum Temperaturanstieg bei. Diese höheren Temperaturen beschleunigen das Auftauen der Böden und somit die Freisetzung von weiterem Methan.

Für ihre aktuelle Studie analysierten die Wissenschaftler Satellitendaten zu den monatlichen atmosphärischen Methan-Konzentrationen aus den Jahren 2020 und 2021. Sie stellten dabei fest, dass diese Konzentration über bestimmten geologischen Formationen in zwei langgestreckten Regionen besonders deutlich anstieg. In diesen dominiert Karbonat-Gestein, auf dem nur dünne oder keine Böden vorhanden und Feuchtgebiete selten sind. In den Augen der Forscher müsse es sich daher um thermogenes Methan handeln, da ein mikrobieller Ursprung unter diesen Umständen unwahrscheinlich sei. Untermauert sehen sie ihre Schlussfolgerung durch die Beobachtung, dass die erhöhten Methan-Konzentrationen noch bis ins Frühjahr 2021 anhielten – also Monate nach Ende der Hitzewelle und trotz wieder niedriger Temperaturen.

Übersicht

     

  • Prof. Dr. Dieter Gerten, Leiter der Forschungsgruppe „Planetary Opportunities and Planetary Boundaries“, Forschungsabteilung Erdsystemanalyse, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), Potsdam, und Professur für Klimasystem und Wasserhaushalt im Globalen Wandel, Geografisches Institut, Humboldt-Universität Berlin
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  • Prof. Dr. Guido Grosse, Leiter der Sektion Permafrostforschung, Fachbereich Geowissenschaften, Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI), Potsdam
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  • Dr. Hinrich Schaefer, Leiter der Arbeitsgruppe Atmospheric Emissions, Abteilung Atmosphere,National Institute of Water & Atmospheric Research Ltd (NIWA), Wellington, Neuseeland
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  • Dr. Thomas Schneider von Deimling, Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Sektion Permafrostforschung, Fachbereich Geowissenschaften, Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI), Potsdam
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Statements

Prof. Dr. Dieter Gerten

Leiter der Forschungsgruppe „Planetary Opportunities and Planetary Boundaries“, Forschungsabteilung Erdsystemanalyse, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), Potsdam, und Professur für Klimasystem und Wasserhaushalt im Globalen Wandel, Geografisches Institut, Humboldt-Universität Berlin

„Wenn sich die These bewahrheitet, wäre dies eine alarmierende, kurzfristige Entwicklung zusätzlich zu der bei fortwährendem Klimawandel zu erwartenden langfristigen, über Jahrhunderte währenden Freisetzung von Kohlendioxid und Methan aus den auftauenden Permafrostböden. Die Studie wirft somit auch weiteres Licht auf die komplex miteinander verschachtelten Vorgänge in der hochsensiblen Arktis – in der Atmosphäre, auf der Landoberfläche, im Boden, im Tiefengestein und im Meer.“

Prof. Dr. Guido Grosse

Leiter der Sektion Permafrostforschung, Fachbereich Geowissenschaften, Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI), Potsdam

„Auf das Echo der Wissenschaft auf diese Studie bin ich wirklich gespannt. Ich sehe ein paar Probleme, die nicht erklärt sind. Erstens: Um den Effekt der Hitzewelle 2020 zu belegen, müsste es unabhängige Kontrollzeiträume geben, zum Beispiel vor 2020. Diese werden aber nicht präsentiert – vermutlich, weil die Satellitendaten nicht verfügbar sind. Woher wissen die Autoren, ob die Situation 2020 nicht einem normalen Jahr entspricht? Zweitens wurde keine Modellierung der Hitzewelle in den Permafrost beziehungsweise ins Gestein durchgeführt. Worauf basiert also die Aussage, dass die Hitzewelle in wenigen Wochen so tief in den Untergrund eingedrungen ist, um Hydrate zu destabilisieren? Was ist die Hydrat-Stabilitätszone für die untersuchte Region und das Gestein? Eigentlich kann all dies modelliert werden, in der Studie aber wird spekuliert. Drittens bleibt die Frage, woher die Vermutung stammt, dass geologisches Methan unbedingt in der Form von Hydraten im Karbonat steckt? Und viertens: Warum sind die vermuteten beziehungsweise gemessenen Emissionen im Winter von Dezember bis Februar besonders hoch? Warum hat der April 2021 die höchsten Emissionen? Dies sind nicht erklärte Messdaten, wie die Autoren auch selbst sagen. Das ist in meinen Augen also sehr spekulativ.“

„Wenn jedoch alles so stimmt, wie es die Studie präsentiert, ist es durchaus ein umfangreicheres Problem, das noch nicht auf dem Schirm war. Wir haben 2012 in einer Studie [1] darauf hingewiesen, dass Permafrost als ein Deckel für darunter liegende geologische Gaslager fungieren kann und dass der Deckel löchriger wird, wenn Permafrost taut.“

Dr. Hinrich Schaefer

Leiter der Arbeitsgruppe Atmospheric Emissions, Abteilung Atmosphere,National Institute of Water & Atmospheric Research Ltd (NIWA), Wellington, Neuseeland

„Der Ausstoß von großen Methanmengen in Permafrostgebieten würde die Klimakrise bedeutend verschlimmern. Bisher haben Messungen in der Arktis keine Hinweise ergeben, dass sein solcher Prozess schon in Gang ist. Die Anzeichen für Methanausstoß von Clathraten (in Clathraten sind Gase in gefrorenem Wasser eingelagert; Anm. d. Red.) ist deshalb besorgniserregend. Es ist bemerkenswert, wie klar die Gesteinsformationen der Clathrate in den Satellitendaten hervorstechen. Das könnte allerdings auch ein Hinweis darauf sein, dass die erhöhten Methanwerte auf Fehlinterpretationen der Rohdaten beruhen. Die Messungen werden von mehreren Parametern beeinflusst, zum Beispiel der Luftfeuchtigkeit und davon, wie gut die Erdoberflӓche Sonnenlicht reflektiert. Einflüsse wie örtliche Geologie und Mikroklima könnten die Ergebnisse verfӓlschen. Winde verteilen Luftmassen mit erhöhtem Methan; solche ‚Methanwolken’ windabwӓrts der Clathrate sind in den Satellitendaten nicht deutlich erkennbar. Es wӓre wichtig, mit einem atmosphӓrischen Transportmodell zu berechnen, wie sich das ausgestoßene Methan zur fraglichen Zeit verteilt hat und örtliche Messungen in Bodennӓhe zu planen, um die Befunde der Autoren zu bestӓtigen.”

Dr. Thomas Schneider von Deimling

Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Sektion Permafrostforschung, Fachbereich Geowissenschaften, Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI), Potsdam

In Ergänzung des Statements von Guido Grosse:
„Die eigentliche Frage, ob thermogenes Methan durch Auftauen des Permafrosts ein nicht vernachlässigbares Feedback beschreibt, finde ich relevant. Aber auch ich sehe hier einige offene Fragen: Wenn die Emissionen aus Hydraten kommen sollen und durch die Hitzewelle getriggert wurden, dann müssen die Hydrate im oberen Meterbereich im Boden liegen, denn ansonsten würde eine einzige Hitzewelle bei Weitem nicht ausreichen, um tiefere Schichten ‚anzuzapfen‘. Zudem finde ich das Bild der Emissionen im Frühjahr nach der Hitzewelle ziemlich ‚überraschend‘. Wie passt das mit den klimatischen Bedingungen zusammen? Denn der Boden sollte vollständig rückgefroren sein und ist schneebedeckt. Kleine Inseln erscheinen ebenfalls als hotspots. Ich frage mich, wie gut die Daten die tatsächlichen Emissionen wiedergeben. Mir scheint das Frühjahrsbild viel entscheidender, da dort die mit Abstand größten Emissionen – da großflächig verteilt – zu sehen sind.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Alle: Keine Angaben erhalten.

Primärquelle

Froitzheim N et al. (2021): Methane release from carbonate rock formations in the Siberian permafrost area during and after the 2020 heat wave. PNAS; 118. DOI: 10.1073/pnas.2107632118.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Walter Anthony KM et al. (2012): Geologic methane seeps along boundaries of Arctic permafrost thaw and melting glaciers. Nature Geoscience; 5: 419–426. DOI: 10.1038/ngeo1480.

Literaturstellen, die vom SMC zitiert wurden

[I] Strauss J et al. (2017): Deep Yedoma permafrost: A synthesis of depositional characteristics and carbon vulnerability. Earth-Science Reviews; 172: 75-86. DOI: 10.1016/j.earscirev.2017.07.007.

[II] Dlugokencky E: Trends in Atmospheric Methane: Global CH4 Monthly Means. Webseite des Global Monitoring Laboratory der NOAA.

[III] Saunois M et al (2020): The Global Methane Budget 2000-2017. Earth Syst. Sci. Data; 12, 1561-1623. DOI: 10.5194/essd-12-1561-2020.

und dazu gehörig Science Media Center (2020): Weltweite Methan-Emissionen auf Rekordniveau. Research in Context. Stand: 06.08.2020.

[IV] IPCC (2019): Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate (SROCC) und Summary for Policymakers (SPM)

Weitere Recherchequellen

Science Media Center (2020): Natürliche Methan-Emissionen geringer als bisher angenommen. Research in Context. Stand. 19.02.2020.