Rund ein Sechstel der gesamten Erdoberfläche gilt als Permafrostgebiet. Es zeichnet sich dadurch aus, dass der Boden dort mindestens zwei Jahre lang dauerhaft gefroren ist. Oft steckt die Kälte in solchen Regionen schon seit Jahrtausenden im Erdreich, sodass der Dauerfrost bis in eine Tiefe von mehreren hundert Metern, im Extremfall rund eineinhalb Kilometer tief, reichen kann. Permafrost besteht aus Gestein, Sedimenten, Erde - und unterschiedlichen Mengen an Eis. Permafrostböden gibt es in den kalten Klimazonen der hohen Breitengrade und in Hochgebirgen. Man findet den speziellen Boden in Alaska, Skandinavien, Russland, Kanada, China und Grönland, aber auch in Deutschland: auf der Zugspitze.

Weichen Permafrostböden auf, wirkt sich das auf die Welt aus

Tauende Permafrostböden haben weitreichende Folgen: Weichen sie auf, wirkt sich das auf das weltweite Klima und auf ganze Ökosysteme, aber auch auf die Landschaft, Infrastruktur, Wirtschaft und Bevölkerung vor Ort aus: Treibhausgase werden freigesetzt, die die Erderwärmung beschleunigen. Permafrost ist eigentlich wasserundurchlässig - wenn er taut, kann darüber liegendes Wasser versickern, Seen und Feuchtgebiete vertrocknen. Der Boden wird instabil und verschiebt sich, Küsten stürzen weg, Häuser, Brücken und Leitungen brechen zusammen. Erdrutsche und Steinschläge gefährden die Bevölkerung zusätzlich.

Aus tauenden Permafrostböden entweichen Treibhausgase

Permafrostboden kann man sich wie eine riesige Tiefkühltruhe im Erdreich vorstellen. Die Überreste von Pflanzen und Tieren sind darin seit Jahrtausenden konserviert. Normalerweise ist er gefroren und fest wie Zement. Mit der Erderwärmung steigen jedoch auch im Untergrund die Temperaturen. Taut das organische, kohlenstoffhaltige Material im Boden auf, wird es von Mikroorganismen zersetzt. Kohlendioxid (CO2) und Methan werden freigesetzt, die als Treibhausgase den Treibhauseffekt verstärken, die Erwärmung der Atmosphäre vorantreiben und so die globale Temperatur erhöhen. Methan sogar 25-mal so stark wie Kohlendioxid. Oft ist deshalb die Rede von der drohenden "Methanbombe" aus Permafrostböden. Laut Alfred-Wegener-Institut (AWI) geht man derzeit davon aus, dass im organischen Material der Permafrostböden bis zu 1.500 Gigatonnen Kohlenstoff enthalten sind - fast doppelt so viel wie die aktuelle Menge in unserer Atmosphäre.

Prognose: Tauender Permafrost erhöht Temperatur bis 2100 um 0,2 Grad

Die meisten bisherigen Projektionen gehen davon aus, dass die Treibhausgase aus tauendem Permafrost bis 2100 etwa 0,2 Grad Celsius zur weltweiten Erwärmung beitragen werden. Wahrscheinlich werden die Permafrostböden bis dahin sogar für einen höheren Wert verantwortlich sein - und dies nicht nur, weil sich der Klimawandel immer weiter beschleunigt. Für die Modellrechnungen wurden bislang meist ausschließlich die Emissionswerte hinzugezogen, die entstehen, wenn sich pflanzliche und tierische Überreste in den Permafrostböden selbst zersetzen. Mittlerweile weiß man jedoch, dass die Treibhausgase in auftauenden Permafrostgebieten auch aus Steinböden entweichen können - und diese Werte in den Prognosen noch berücksichtigt werden müssten.

Permafrostböden setzen Umweltgifte wie Quecksilber frei

Mit dem Klimawandel wärmer werdende Permafrostböden wirken sich jedoch nicht nur auf die Temperatur und damit wiederum auf den Klimawandel aus. Im Permafrostboden sind auch Umweltgifte eingelagert - zum Beispiel große Mengen an Quecksilber. Im gasförmigen Zustand gelangen sie mit Luftströmungen an die Pole, landen dort am Boden und frieren fest. Taut der Boden auf, gelangen die Giftstoffe in die Umwelt und in die Nahrungskette.

Gefahr für Straßen und Häuser: Taut der Dauerfrostboden, sackt der Boden ab

Wenn Permafrostboden auftaut, verlieren die Menschen vor Ort buchstäblich den Boden unter den Füßen: Vor allem in der Arktis wurden auf dem Dauerfrostboden Häuser, Straßen, Flughäfen und Pipelines errichtet. Weltweit sind mehr als tausend Siedlungen und Städte mit zusammen etwa fünf Millionen Menschen auf arktische gefrorene Böden gebaut, sagt Mathias Ulrich, Geograf an der Universität Leipzig. "Prognosen gehen davon aus, dass in 30 Jahren 42 Prozent dieser Siedlungen permafrostfrei sind." Und wenn sich der Boden erwärmt, kann er wegsacken und die Bauten mitreißen.

Aufgetauter Permafrost: Schäden an bis zu 50 Prozent der Infrastruktur

Eine internationale Forschungsgruppe um Jan Hjort von der University of Oulu (Finnland) legte im Fachjournal "Nature Reviews Earth & Environment" zu diesem Problem nun Zahlen vor: Laut den Berechnungen dürften bis 2050 zwischen 30 und 50 Prozent der Gebäude und Infrastruktur-Einrichtungen in den von Permafrost geprägten nördlichen Gebieten von Schäden verschiedener Schweregrade bedroht sein. Die Forscherinnen und Forscher identifizierten die gefährdeten Bereiche mithilfe von auf Geodaten basierenden statistischen Analysen. Betroffen sind vor allem Kanada, Alaska, Grönland, die Hochebene von Tibet und Russland.

Insbesondere in Russland, dem flächenmäßig größten Land der Erde, dürfte das langsame Auftauen der Permafrostböden zu einem großen Problem werden. Denn fast zwei Drittel der Bodenfläche sind dort dauerhaft gefroren. Die Prognose der Forschungsgruppe: Die Reparaturkosten für Permafrost-bedingte Schäden am russischen Straßennetz belaufen sich für die Jahre 2020 bis 2050 auf circa sieben Milliarden US-Dollar.

Gebäudeschutz: Häuser werden auf Pfählen gebaut

Wie in vielen Permafrostgebieten stehen in der nördlichsten Großstadt der Welt, dem russischen Norilsk, die Häuser deshalb auf zehn bis 30 Meter langen Pfählen. So soll verhindert werden, dass Gebäude bei Temperaturschwankungen zusammenbrechen. Doch wenn es immer wärmer wird, senkt sich der Boden immer tiefer ab: Sei der Boden drei bis fünf Meter in die Tiefe hinein aufgetaut, könne er sich bis zu einem Meter absenken, berichtet Ingenieur Ali Kerimow, Direktor der Forschungs- und Produktionsgesellschaft Fundament. Dann können auch die Pfähle die Häuser nicht mehr vor dem Einsturz bewahren. Besonders gefährlich wird es, wenn auch Pipelines oder Tanks beschädigt werden und Treibstoff in den Boden sickert.

Schutz für die Infrastruktur: Lösungen für auftauende Permafrostböden

Um die Infrastruktur und damit auch die Bevölkerung in Permafrostgebieten zu schützen, sind neue Ideen und Entwicklungen gefragt. Ingenieur Kerimow setzt sich für regelmäßige Überwachungen von gefrorenen Böden ein: "Das Überwachungssystem sollte so aufgebaut sein, dass Änderungen der Bodentemperatur und eine mögliche geringere Tragfähigkeit des Fundaments fünf bis zehn Jahre im Voraus vorhergesagt werden können." Dann bliebe genug Zeit, um Mittel und Wege zu finden, geeignete Maßnahmen für mehr Sicherheit rechtzeitig umzusetzen.

Nur noch kleine Gebäude auf Permafrostboden

Schon jetzt werden an vielen Orten Fundamente und Böden künstlich gekühlt, damit Häuser auf tauendem Permafrost nicht zusammenbrechen. Dabei greifen die Experten auf sogenannte Thermostabilisatoren zurück. An neuen Materialien für Fundamente, die mit Temperaturschwankungen besser zurechtkommen, wird geforscht. Da Schäden und damit Gefahren vorprogrammiert sind, sollten in Permafrostgebieten keine neuen Gebäude ohne solche neuartigen Lösungsansätze mehr errichten werden. Auf neue Hochhäuser verzichtet Norilsk bereits: Seit 2002 werden nur noch kleinere Gebäude auf dem tauenden Boden gebaut.