Date post: | 05-Apr-2015 |
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Permafrostböden-
Folgen des Auftauens für den globalen Klimawandel
von Stephan Leiß & Thomas Gruhl
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Gliederung Was sind Permafrostböden ?
Verbreitung von Permafrostböden
Mächtigkeit von Permafrostböden
Aufbau von Permafrostböden
Auftauen der Permafrostböden
Bedeutung für den Klimawandel
Freisetzung von CO2 und CH4
Veränderung der Albedo
Auswirkungen auf den globalen Wasserkreislauf
klimatische Folgen
GegenmaßnahmenIngenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl
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Was sind Permafrostböden Forschungsgegenstand der „Glaziologie“ (Wissenschaft von Eis und
Schnee)
Synonym für Dauerfrostboden
Grundsätzliche Bezeichnung für Böden, die mindestens 2 Jahre dauerhaft eine Temperatur unter 0°C aufweisen
Tauen in den Sommermonaten, wenn überhaupt, nur oberflächlich auf aktive Schicht eines Permafrostbodens
Mächtigkeit der Permafrostbodenschicht ist durch die zunehmende Erdwärme mit der Tiefe begrenztIngenieurhydrologie I SoSe
2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl
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Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl
Freiliegender Permafrostboden in Sibirien
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Verbreitung von Permafrostbödenaktuelle Verteilung von Permafrost auf der Nordhalbkugel:• dunkelblau: kontinuierlicher Permafrost (90 – 100 % gefroren)
• blau: diskontinuierlicher Permafrost (50 – 90 % gefroren)
• hellblau: sporadischer Permafrost (10 – 50 % gefroren)
Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl
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Verbreitung von PermafrostbödenPermafrostzone:
„Zirkumpolare Gebiete ewiger Gefrornis, welches die Tundra der Nordkontinente und die großen Waldgebiete (borealer Nadelwald) umfasst“
sämtliche Gebiete, die Grundvoraussetzungen erfüllen
Regionen mit T Durchschnitt < -1 °C und N Jahr < 1000 mm
Vor allem Regionen in Grönland (99%), Alaska (80%), Russland (50%), Kanada (40-50%) und China (20%)
Gebiete auf der Nordhalbkugel von ca. 23mio km², entsprechen ca. 25% der Landfläche
nur sehr geringe Ausdehnung in der Antarktis, da hier nur 1% des Festlandes eisfrei istIngenieurhydrologie I SoSe
2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl
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Mächtigkeit von Permafrostboden
Faustformel: Tiefe Permafrostschicht = f (T Durchschnitt )
pro Minusgrad ca. 50 – 100 m Permafrosttiefe
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Mächtigkeit von Permafrostböden
Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl
Mächtigkeit der Permafrostschicht hängt zusätzlich ab von:Eigenschaften des SedimentsBodenbedeckender Schicht (Art und Dichte der Vegetation,
Dicke der Schneedecke) beeinflusst Oberflächentemperatur des Bodens
Wärmetransport in Tiefe hängt ab von:Wassergehalt des SedimentsRegenmenge, Eisgehalt, Grundwasserstand
In Sibirien bis 1500 m, in Skandinavien nur ca. 20 m
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Aufbau von PermafrostbödenAuftaubereich „active layer“
(max. 25 m): taut im Sommer mehr oder
weniger stark auf
Dauerfrostboden: immer gefroren Permafrosttafel bezeichnet
Grenze zum Auftaubereich
Niefrostbereich „Talik“ begrenzt durch geothermische
Wärmezufuhr aus dem Erdkern Permafrostbasis bezeichnet
Grenze zum PermafrostIngenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl
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Auftauen der Permafrostböden
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aktuelle Verbreitung Prognose: Verbreitung im Jahr 2050
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Auftauen der Permafrostböden
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Erwärmung der Atmosphäre und höhere Schneedecke, die zu geringerer Abkühlung im Winter führt
Erwärmung des Permafrostbodens in Tiefen bis zu 40m
Große Auswirkungen bei relativ warmen Permafrostböden von -1 bis -2 °C Bodentemperatur:
Böden tauen im Sommer auf und frieren nicht wieder ein Permafrostgrenze wandert nordwärts
Vertiefung des Auftaubereiches bei gleichzeitiger Verkleinerung des Dauerfrostbodens
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Auftauen der Permafrostböden
Auftauen der Böden führt zur Bildung von Kratern, die mit Tauwasser gefüllt sind „Thermokarste“
Bildung von Sümpfen und Mooren
Im Boden gebundener Kohlenstoff wird freigesetzt
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Thermokarste Landschaft
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Bedeutung für den Klimawandel
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• Permafrost ist bereits heute CH4-Nettoquelle, Emission > Speicherung
• Dagegen weiterhin CO2-Senke
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Freisetzung von CO2 und CH4
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Überreste von Pflanzen und Tieren bilden Kohlenstoffgehalt der Permafrostböden:
ca. 1.700 Gigatonnen (Gt) in arktischen Böden, doppelte Menge wie zur Zeit in der Atmosphäre
Erhöhte Temperatur führt zu erhöhter Aktivität von Mikroben: Mikroben zersetzten Kohlenstoff, je nach Milieu, zu CO2 oder CH4
CO2 und CH4 werden beim Auftauen mehr und mehr in die Atmosphäre abgegeben
Zusätzliche Freisetzung von CH4 aus Tümpeln und Mooren
CO2 Freisetzung durch vermehrtes Auftreten von Tundrenfeuern
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Freisetzung von CO2 und CH4
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Freisetzung von CH4 aus Methanhydrat (gasförmiges Methan, eingeschlossen in „Käfig“ aus Wassermolekülen)
Bedingungen im Permafrost erlauben Vorkommen in 100 –
2000 m Tiefe
steigende Bodenwassertemperatur führt zur Verkleinerung der
Stabilitätszone
ab 3 K signifikant, ab 8 K vollständig verschwunden
Methanhydrat destabilisiert sich und CH4 wird freigesetzt
CH4 steigt auf kann durch Taliki freigesetzt werden
auch sehr geringen Mengen können großen Einfluss haben,
da lediglich 4 Gt CH4-C in Atmospähre
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Freisetzung von CO2 und CH4
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CH4 ist sehr viel stärkeres Treibhausgas als CO2:
Global Warming Potential (GWP) von CH4 beträgt, bezogen auf 100 Jahre, 25
Folgen der Freisetzung hängen von deren Art (Diffusion oder
Blowout) und Geschwindigkeit ab Diffusion: Freisetzung feiner Bläschen, die durch das Sediment ins das freie
Wasser aufsteigen
CH4 kann aerob oder anaerob oxidiert werden
Blowout: Schlagartiges Ausstoßen von Gasblasen unter großen CH4-Austrag in
die Atmosphäre
Zahlen über freigesetztes Methan schwanken stark
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Veränderung der Albedo
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Steigende Boden- und Atmosphärentemperatur erlaubt Ausbreitung der Vegetation nach Norden:
Tundrenlandschaften werden durch Strauchvegetation und Wälder ersetzt Waldbedeckung nimmt allgemein zu
Veränderung der Albedo
ausbreitende Vegetation ist in der Lage mehr CO2 aus der Atmosphäre aufzunehmen
Annahme, dass positiver Effekt durch die CO2-Aufnahme vom negativen Effekt der verringerten Albedo übertroffen wird
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mögliche Auswirkungen auf den globalen Wasserkreislauf
Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl
Freigesetztes Tauwasser aus Permafrostböden kann Wasserführung der Flüsse verändern: steigender Meeresspiegel erhöhte Süßwasserzufuhr in der Weltmeere Möglichkeit der Auswirkung auf ozeanische
Zirkulationssysteme wie dem Golfstrom
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klimatische FolgenErwärmung
Auftauen der
Permafrost- böden
CO2 und
CH4 – Freisetzung Änderung der
Albedo
Wärmeaufnahme
positive, also sich selbstverstärkende Rückkopplung: Methan gelangt in
Atmosphäreverstärkte Erderwärmungschmelzende Eisflächenerhöhte Wärmeaufnahme der
Ozeane und Änderung der Albedo
Schmelzen der Permafrostböden
verstärkte Erderwärmung….
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Gegenmaßnahmen
Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl
Stoppen der vom Menschen gemachten Treibhausgasemissionen: Umstellung der Stromversorgung auf CO2-freie Quellen Forschung und Entwicklung einer sauberen Energieversorgung Unabhängig von fossilen Brennstoffen
Erdwärmenutzende Wärmepumpenheizungen: Bildung von künstlichen Permafrostböden durch abgezogene
Wärmeenergie, die nicht natürlich nachgeliefert werden kann Problematik von sinkender Heizleistung durch Eisbildung um die
Wärmetauscherschlangen
Energetische Nutzung des oberflächlich freigesetzten CH4
Feldversuch mit Ansiedlung pflanzenfressender Tiere: Entstehung eines Steppe-Grasland-Ökosystems mit verbesserter Albebo
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Vielen Dank für eure
Aufmerksamkeit !
Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl
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Quellenverzeichnis
Ingenieurhydrologie I SoSe 2013 Stephan Leiß & Thomas Gruhl
http://de.wikipedia.org/wiki/Permafrostboden http://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Permafrost http://www.klimaretter.info/forschung/hintergrund/13109-klimagefahr-lauert-im-
permafrost http://www.focus.de/wissen/klima/klimaerwaermung/tid-29668/teufelskreis-
klimawandel-temperaturanstieg-wuerde-dramatische-mengen-von-treibhausgasen-freisetzen_aid_924653.html
http://www.welt.de/wissenschaft/article111584550/Wenn-Permafrostboeden-tauen-droht-der-Klima-Gau.html
http://www.umweltbundesamt.de/klimaschutz/publikationen/permafrost.pdf http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/arktische-tundra-auch-bei-frost-
entweicht-methan-a-594432.html http://homepages.uni-paderborn.de/wgs/Dlehre/Methanhydrat.pdf http://www2.klett.de/sixcms/media.php/76/permafrost.jpg http://www.naju-wiki.de/index.php/Permafrost