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Wo Permafrost lückenhaft ist, erodieren Hänge stärker
Permafrost stabilisiert weite Teile der arktischen Landschaft. In zwei Regionen Alaskas haben Forscher jedoch deutliche Unterschiede beim Bodenabtrag gefunden. Nach ihren Modellrechnungen sind die für Hänge typischen Erosionsprozesse dort, wo der gefrorene Untergrund nur noch lückenhaft vorkommt, etwa zwei- bis dreimal intensiver. Das könnte Folgen für Landschaften haben, deren Dauerfrost durch die Erwärmung zurückgeht.
Pittsburgh (U.S.A.). Dauerhaft gefrorener Untergrund hält große Teile der arktischen Böden zusammen. Doch Permafrost, der definitionsgemäß mindestens zwei Jahre in Folge gefroren bleibt, ist nicht überall geschlossen verbreitet. Während er in besonders kalten Gebieten mehr als 90 Prozent der Fläche unterlagert, sind es in Regionen mit lückenhaftem Permafrost nur 50 bis 90 Prozent.
Wenn der Boden stärker auftaut, verändert sich auch der Abtransport von Erdmaterial. An Hängen kann es langsam talabwärts wandern, während Bäche Sedimente über ihre Rinnen weiterbefördern. Bisher war kaum quantifiziert, wie stark beide Prozesse in unterschiedlich gefrorenen Landschaften sind. Für die Reaktion der Arktis auf die Erwärmung ist diese Unterscheidung entscheidend.
Forscher der University of Pittsburgh (Pitt) um Emrah Özpolat haben nun den langfristigen Bodenabtrag in zwölf kleinen See-Einzugsgebieten Alaskas untersucht. Sie kombinierten Sedimentmessungen mit einem Landschaftsmodell, das den Transport auf Hängen und die Erosion durch Fließgewässer getrennt erfasst.
Sieben der untersuchten Seen liegen nahe Delta Junction im Inneren Alaskas. Dort ist der Permafrost lückenhaft und die Landschaft überwiegend bewaldet. Fünf weitere Seen befinden sich im Norden bei Toolik, in einer Tundraregion mit weitgehend geschlossenem Permafrost. Die Einzugsgebiete sind jeweils kleiner als drei Quadratkilometer.
Die Wissenschaftler untersuchten, wie viel mineralisches Material sich seit dem mittleren Holozän in diesen Seen angesammelt hat. Das Alter der Ablagerungen bestimmten sie mit Radiokarbondatierungen, ihr Volumen auf zwei voneinander unabhängigen Wegen. Aus diesen Daten schätzten sie die mittleren Erosionsraten über mehrere Jahrtausende ab.
Anschließend verknüpfte das Team die Sedimentmengen mit der Geländeform der Einzugsgebiete. So ließ sich im Modell berücksichtigen, dass unterschiedlich steile Hänge und verschieden geformte Täler den Abtrag auch unabhängig vom Permafrost beeinflussen können.
Schon die aus den Seeablagerungen berechneten Erosionsraten lagen bei Delta Junction erheblich höher als bei Toolik. Dieser direkte Vergleich allein zeigt allerdings nicht, welche Vorgänge den Unterschied verursachen. Erst die Modellanalyse ermöglichte es, Hangprozesse und die Erosion durch Bäche getrennt zu bewerten.
Dabei war vor allem der langsame Transport von Bodenmaterial an Hängen für die Unterschiede in den Sedimentdaten statistisch relevant. Er wird als diffusiver Transport bezeichnet und kann beispielsweise durch Frostwechsel oder Bodenbewegungen entstehen. Für den modellierten Beitrag der Bachrinnen ließ sich dagegen kein statistisch eindeutiger Einfluss nachweisen. Das bedeutet nicht, dass Fließgewässer gar kein Material transportieren.
Die mittlere modellierte Intensität der Hangprozesse fiel im Gebiet mit lückenhaftem Permafrost etwa 2,1- bis 3,0-mal so hoch aus wie im Gebiet mit geschlossenem Dauerfrost. Eine vereinfachte Modellversion, die nur den Hangtransport berücksichtigt, bestätigte den Unterschied und erwies sich gegenüber einzelnen Messpunkten als weniger empfindlich.