Permafrost unter Wasser taut schnell und tief – besonders wenn es sich um Salzwasser handelt. Doch wie tief ist der Permafrost in Seen und Lagunen an den Küsten der hohen arktischen Breiten bereits getaut? Und entweicht im Nordosten Sibiriens das Treibhausgas Methan tatsächlich in großen Mengen aus dem ehemals gefrorenen Untergrund? Dies herauszufinden, war das Ziel der Expedition „Bykovsky 2017“. Dazu wurden auf der sibirischen Halbinsel Bykowsky insgesamt vier Bohrungen durchgeführt – zwei in Lagunen mit Anschluss an das Arktische Meer und zwei weitere in Seen, welche bereits vor Tausenden Jahren durch Thermokarst-Prozesse auf dem Permafrost entstanden sind. Und das Ganze unter den kalten Bedingungen des arktischen Frühlings.
Prof. Dr. Guido Grosse, Leiter der AWI-Sektion Periglazialforschung und des ERC Projektes PETA-CARB, erläutert das Forschungsvorhaben: “Die Bohrkerne helfen uns Polarforschern, besonders spannende Fragestellungen zu beantworten: Wieviel Kohlenstoff ist in Permafrost und bereits aufgetauten Sedimenten unter Seen und Lagunen gespeichert? Wie alt ist der Kohlenstoff und wie anfällig für die Zersetzung durch Mikroben? Wie viel Methan wird dabei unter den Gewässern gebildet? Wie viel davon erreicht tatsächlich die Atmosphäre?”
Vorbereitet und organisiert vom Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar und Meeresforschung (AWI), wurde die Expedition zusammen mit dem Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ)und den russischen Partnern des Trofimuk Instituts für Petroleum-Geology und Geophysik in Novosibirsk sowie des Melnikov Permafrost Instituts in Jakutsk durchgeführt.
Die Expedition startete am 3. April 2017 in der Hafenstadt Tiksi an der Nordpolarmeerküste. Die ehemalige Hafenstadt hatte seit den 90er Jahren die Hälfte ihrer Einwohner verloren. Wegen der fehlenden Rentabilität der Nordostpassage liegt der dortige Hafen brach, wichtige andere Industrien fehlen. Das AWI nutzt den Ort, um von dort aus Expeditionen in die russische Arktis durchzuführen. Die umfangreiche Organisation der diesjährigen bisher größten Kampagne aus Potsdam, begann schon im letzten Jahr und dauerte mehrere Monate. Die Phase der der technischen Vorbereitungen wurde bereits in einem ESKP Artikel vorgestellt.
Echtes Teamwork gefragt
Die vierwöchige Expedition deckte zahlreiche wissenschaftliche Teilgebiete ab: Tiefenbohrungen, Bohrungen von oberflächennahen Sedimenten, sowie Eiskernentnahme und geophysikalische Messungen. „Und alle haben natürlich spezielle Anforderungen", so Dr. Jens Strauss, Wissenschaftler am AWI Potsdam. Dank der langjährigen Erfahrung, die das AWI durch regelmäßige Expeditionen in den Norden Russlands gesammelt hat, konnte die Vielfalt der Projekte durch Teamwork bestmöglich umgesetzt werden. „Insgesamt 23 Forscher und Techniker haben hier an einem Strang gezogen. Unser Team bewegte sich zwischen verschiedenen Station wie ein kleines mobiles Dorf, bestehend aus vier Hütten, die von Raupenfahrzeugen auf riesigen Schlitten über das Eis gezogen wurden”, beschreibt Jens Strauss den Expeditionsverlauf.
AWI-Permafrostforscher Dr. Lutz Schirrmeister weiß aus Erfahrung: “Es gibt nur äußerst wenige Bohrungen in der Arktis, die es geschafft haben, den getauten Permafrost – den sogenannten Talik – unter den Seen und Lagunen zu durchbohren und Material aus dem Grenzbereich zur gefrorenen Schicht zu bergen.” Jun-Prof. Susanne Liebner (GFZ), Leiterin der Helmholtz-Nachwuchsgruppe MicroCene ist besonders an diesen wertvollen Proben interessiert. „Erste Studien deuten darauf hin, dass in der Übergangszone zwischen dauerhaft gefrorenem Untergrund und aufgetauten Schichten ein Teil des freigesetzten Methans durch mikrobielle Prozesse wieder zu Kohlendioxid umgewandelt wird“, so Liebner.
Was ist das Besondere an den Bohrkernen aus Bykowsky? AWI-Wissenschaftler Dr. Boris Biskaborn sagt dazu: “Auf dem getauten Permafrost wurden in den Seen und Lagunen auf Bykovsky mehrere Meter mächtige Sedimente abgelagert. Da diese Ablagerungen mit dem Permafrostbohrer nur schwer und sehr lückenhaft zu Tage gefördert werden können, haben wir das manuell betriebene Kolbenlotsystem auf dem Eis eingesetzt. So konnten wir ungestörte und komplett erhaltene Kerne aus den Seen und Lagunen bergen, die noch im Feld hochauflösend beprobt wurden.” Die Kerne wurden unmittelbar nach der Bergung an die Kollegen vom GFZ übergeben. „Die Proben werden gekühlt und dann für weitere Analysen in unser Labor nach Potsdam gebracht. Hier untersuchen wir die mikrobiellen Lebensgemeinschaften und deren Funktion im Kohlenstoffkreislauf in den unterschiedlichen Sedimenten“, beschreibt Susanne Liebner das weitere Vorgehen. Die Kerne werden mit der Radiokarbon-Methode datiert, um mit biogenen und chemischen Proxies Veränderungen des Klimas seit der letzten Eiszeit zu analysieren. Die Ergebnisse liefern „wichtige Hinweise für den Zusammenhang zwischen Permafrosterwärmung und der räumlich-zeitlichen Umweltvariabilität”, ergänzt Boris Biskaborn.
Wissenschaftliche Arbeit unter Extrembedingungen
Der Einsatz von Metall-Gestänge bei Temperaturen von bis zu -29 °C und den teils starken Winden in den ersten zwei Wochen war nicht nur anstrengend für den Körper, sondern barg auch besondere technische Herausforderungen. Das unterkühlte Metall des Kolbenlotsystems überzog sich schnell mit einem Eispanzer sobald es für die Kernentnahme wieder aus dem Wasser gezogen wurde. Manchmal steckten dann die Kerne im Kernrohr fest und mussten sorgfältig befreit werden. Gefragt war daher ein ausgeprägtes Improvisationstalent – vielleicht die wichtigste Voraussetzung für erfolgreiche Bohrkampagnen in der Arktis überhaupt.
Um den gefrorenen Boden unter dem Wasser zu erkunden und so die Tiefe des Auftauens zu vermessen, wurden elektromagnetische Methoden verwendet. “Zusammen mit Ergebnissen einer weiteren Expedition im kommenden Sommer liefern diese Methoden dreidimensionale Bilder der Permafrostverteilung unter Wasser”, so der beteiligte AWI-Wissenschaftler Dr. Paul Overduin.
Durch die Bohrungen wissen die Forscher nun, dass der Permafrost deutlich tiefer aufgetaut ist als ursprünglich angenommen. „Wenn das Material Ende des Jahres in unseren Laboren ist und wir die direkten Temperaturmessungen ausgewertet und unsere Ergebnisse mit Bohrungen verglichen haben, die schon vor mehr als 30 Jahren in der Umgebung stattfanden, werden wir die Geschichte des tauenden Permafrost vervollständigen können”, sagt Jens Strauss zu den wissenschaftlichen Erkenntnissen der Expedition.
In einer gemeinsamen Studie wollen die Forscher am AWI und GFZ die Methanmenge und ihre räumliche Variabilität innerhalb der Seen untersuchen und mit den geophysikalischen Ergebnissen der bevorstehenden Sommerexpedition vergleichen. Anhand der Konzentration von Methan-Bläschen im Eis konnten die Forscher beobachten, dass die Seen unterschiedlich viel Methan ausstoßen.
Am 28. April landeten die Helmholtz Wissenschaftler wieder sicher und zufrieden in Deutschland. Die Kooperation der beteiligten Institute wird in regelmäßigen Treffen und durch gemeinsame Publikationen fortgesetzt. Erst wenn das Kernmaterial in Potsdam eingetroffen ist, fängt die Arbeit richtig an. Gemeinsam mit den russischen Partnern werden die langen Kerne dann im Eiskeller geteilt, um die Erwärmung der Arktis und deren Folgen besser zu verstehen.
