Gefahr durch wanderndes Treibhausgas

Das deutsche Forschungsschiff Polarstern während einer Eisstation. Ansicht von Bohrlöchern zum Herausnehmen von Eisbohrkernen und Wasserproben aus dem arktischen Meereis. (Foto Stefan Hendricks / AWI)

Deutsche Wissenschaftler aus dem Bereich Biogeochemie vom Alfred-Wegener-Institut bei der Arbeit. Auf einer kleinen Fläche, auf der sie mit einem Hohlbohrer durch das Eis bohren, nehmen sie Eisbohrkerne und sägen sie in kurze Stücke, die die Schichten der Eisoberfläche bis zum Grund darstellen. Diese migrieren gut dokumentiert in Säcken und werden auf dem Schiff von verschiedenen Gruppen analysiert. Nach dem Auftauen wird ein Kern gefiltert, um beispielsweise die Menge an Eisalgen zu bestimmen. (Foto: Stefan Hendricks / AWI)

AWI-Meereis-Physiker haben ein Eiscamp errichtet, um Schmelzteiche auf arktischem Meereis zu untersuchen. (Foto Alfred-Wegener-Institut Mar Fernandez)

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Auf dem Meeresboden der flachen Küstenregionen nördlich von Sibirien produzieren Mikroorganismen Methan, wenn sie Pflanzenreste abbauen. Wenn dieses Treibhausgas ins Wasser gelangt, kann es auch im Meereis eingeschlossen werden, das sich in diesen Küstengewässern bildet. So kann das Gas tausende Kilometer durch den Arktischen Ozean transportiert und Monate später in einer völlig anderen Region freigesetzt werden. Dieses Phänomen ist Gegenstand eines Artikels von Forschern des Alfred-Wegener-Instituts, der in der aktuellen Ausgabe des Online-Journals Scientific Reports veröffentlicht wurde. Obwohl diese Wechselwirkung zwischen Methan, Ozean und Eis einen signifikanten Einfluss auf den Klimawandel hat, wurde sie bisher in Klimamodellen nicht berücksichtigt.

Im August 2011 durchquerte der Eisbrecher Polarstern vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) seinen Weg durch das eisbedeckte Nordpolarmeer auf einem Kurs, der sie nur wenige hundert Kilometer vom Nordpol entfernt nahm . Damals hat die AWI-Geochemikerin Dr. Ellen Damm die Gewässer des Hohen Nordens auf das Treibhausgas Methan getestet. Bei einer Expedition in die gleiche Region vier Jahre später hatte sie die Möglichkeit, die Messungen zu verschiedenen Zeiten zu vergleichen und fand deutlich weniger Methan in den Wasserproben.

Ellen Damm analysierte zusammen mit Dr. Dorothea Bauch vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel und weiteren Kollegen die Proben, um die regionalen Pegel von Methan und die Quellen zu bestimmen. Durch die Messung der Sauerstoffisotope im Meereis konnten die Wissenschaftler schlussfolgern, wo und wann das Eis entstanden ist. Dazu hatten sie auch Meereisproben genommen. Ihre Erkenntnisse: Das Eis transportiert das Methan durch den Arktischen Ozean. Und das scheint jedes Jahr anders zu sein, wie die beiden Forscher und ihre Kollegen vom AWI, vom Finnischen Meteorologischen Institut in Helsinki und von der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau im Online-Journal Scientific Reports berichten.

Die Proben aus dem Jahr 2011 stammten aus Meereis, das fast zwei Jahre zuvor, im Oktober 2009, seine lange Reise nach Norden in den Küstengewässern des Laptew-Meeres in Ostsibirien begonnen hatte. Die Proben aus dem Jahr 2015, die erst in der Arktis zur Hälfte durchgeführt wurden so lange, zeigte ein deutlich niedrigeres Niveau des Treibhausgases. Die Analyse ergab, dass dieses Eis viel weiter draußen in den tieferen Ozeanen gebildet wurde. Die Modelle der Klimaforscher haben bisher die Wechselwirkungen zwischen Methan, dem Arktischen Ozean und dem darauf schwimmenden Eis nicht berücksichtigt.

Jedes Molekül Methan in der Luft hat 25-mal den Effekt auf den Temperaturanstieg im Vergleich zu einem Molekül Kohlendioxid, das durch Verbrennung von Kohle, Öl oder Gas in die Atmosphäre freigesetzt wird. Methan in der Arktis hat auch enorme Auswirkungen auf die Erwärmung in den nördlichen Breiten und verschlimmert die globale Erwärmung weiter - ein guter Grund, den Methankreislauf im hohen Norden genauer zu untersuchen.

Methan wird durch Viehzucht und Reisanbau sowie verschiedene andere natürliche Prozesse produziert. Zum Beispiel sammeln sich die Reste von Algen und anderen Pflanzenmaterialien auf dem Boden der flachen Laptew-See und in anderen flachen Gewässern vor der arktischen Küste. Wenn dort kein Sauerstoff vorhanden ist, bauen Mikroorganismen diese Biomasse ab und produzieren Methan. Bis heute haben Simulationen den Wegen von Kohlenstoff und der Freisetzung von Methan aus den arktischen Regionen zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt.

Im Herbst, wenn die Lufttemperaturen sinken, beginnen auch viele offene Gewässer zu kühlen. "Meereis bildet sich an der Oberfläche der russischen Schelfmeere und wird dann von den starken Winden nach Norden getrieben", erklärt AWI-Meereisphysiker Dr. Thomas Krumpen, der ebenfalls an der Studie teilnahm. Die Eisbildung und Offshore-Winde erzeugen in diesen flachen Randmeeren starke Strömungen, die das Sediment aufwirbeln und das dort produzierte Methan in die Wassersäule tragen. Das Methan kann auch im Eis eingeschlossen werden, das sich im Winter in diesen offenen Wasserbereichen - auch Polynya genannt - schnell bildet.

"Wenn mehr Meerwasser einfriert, kann es die darin enthaltene Sole vertreiben und große Mengen des im Eis eingeschlossenen Methans mitschleppen", erklärt AWI-Forscherin Ellen Damm. Infolgedessen bildet sich unter dem Eis, das große Mengen an Salz und Methan enthält, eine Wasserschicht. Doch das Eis an der Oberfläche und das darunter liegende, dichte Salzwasser werden zusammen mit dem darin enthaltenen Treibhausgas vom Wind und den Strömungen angetrieben. Thomas Krumpen: "Es dauert etwa zweieinhalb Jahre, bis das entlang der Küste der Laptew-See entstandene Eis über den Arktischen Ozean und über den Nordpol in die Framstraße zwischen den Ostkosten von Grönland und Svalbard getragen wird. "Unnötig zu sagen, dass das im Eis und dem darunter liegenden Salzwasser eingeschlossene Methan für die Fahrt mitgenommen wird.

Die steigenden Temperaturen des Klimawandels schmelzen dieses Eis zunehmend. Sowohl die von Meereis bedeckte Wasserfläche als auch die Dicke des Eises sind in den letzten Jahren zurückgegangen, und dünneres Eis wird vom Wind immer weiter geblasen. "In den letzten Jahren haben wir beobachtet, dass Eis immer schneller über den Arktischen Ozean transportiert wird", bestätigt Thomas Krumpen. Und dieser Prozess bedeutet natürlich große Veränderungen im Methanumsatz der Arktis. Dementsprechend stellt die Quantifizierung der Quellen, Senken und Transportwege von Methan in der Arktis weiterhin eine erhebliche Herausforderung für die wissenschaftliche Gemeinschaft dar.