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Sibirien wurde im Sommer von einer extremen Hitzewelle erfasst. Mit dem Klimawandel gerät das bisher stabil kalte Ökosystem aus den Fugen: Brände wüten, der Boden taut auf, Gase entweichen. Das ist nicht nur lokal eine Katastrophe, sondern auch weltweit eine Gefahr.

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Permafrost: Tauende Böden richten in Alpen und Tundra Schäden an

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Sibirien wurde im Sommer von einer extremen Hitzewelle erfasst. Mit dem Klimawandel gerät das bisher stabil kalte Ökosystem aus den Fugen: Brände wüten, der Boden taut auf, Gase entweichen. Das ist nicht nur lokal eine Katastrophe, sondern auch weltweit eine Gefahr.

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So fangen für gewöhnlich Filme wie „I am Legend", „Jurassic Park" oder „12 Monkeys" an: In Sibirien wird im abgetauten Eis ein Mammut freigelegt, das ein jahrtausendealtes Virus in sich trägt. Forscher reaktivieren die bis dahin völlig unbekannten Virustypen im Labor. Der Rest ist (Menschheits-)Geschichte.

Was hier wie Science Fiction klingt, ist gar nicht so weit hergeholt. Wie unter anderem das Magazin „Spektrum der Wissenschaft" berichtet, gelang es einem Team der französischen Forschungsorganisation CNRS in Marseille erst kürzlich, 13 noch völlig unbekannte Virustypen zu reaktivieren, die bis dahin im ewigen Permafrost konserviert waren.

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Aber beginnen wir von vorne. Der Klimawandel und die damit einhergehende globale Erderwärmung sorgen dafür, dass der Permafrost in der nördlichen Hemisphäre langsam aber stetig abschmilzt. Bei Permafrostböden liegt die Temperatur dauerhaft, mindestens aber für zwei Jahre ununterbrochen bei Null Grad oder darunter.

Steigende Temperaturen sorgen nun dafür, dass mit der Eisschmelze Tierkadaver und Pflanzenmaterialien freigelegt werden - und mit ihnen die Bakterien und Viren, die sie vor mehr als zehntausend Jahren in sich trugen.

Die Büchse der Pandora im Permafrost

Dass Viren und Bakterien im Permafrost quasi im Winterschlaf überdauern können, ist hinlänglich bekannt. Schon 2014 gelang es einem französischen Forscherteam das sogenannte Riesenvirus Pithovirus sibericum mithilfe einer Amöbe im Labor wiederzubeleben.

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2017 reanimierten belgische Biologen schließlich zwei Viren, die im Kot eines verendeten Karibus entdeckt wurden und „auch nach 700 Jahren im Eis noch intakt und infektiös" gewesen seien, wie die Forscher berichten.

In den letzten Jahren mehren sich die Hinweise, dass der Permafrostboden ein gigantisches Reservoir alter Mikroben oder Viren bereithält, die wieder zum Leben erwachen können, wenn sich die Umweltbedingungen ändern.
Forscherteam in der Studie „Back to the future in a petri dish", 2017

In ihrer Studie mit dem treffenden Titel „Zurück in die Zukunft in einer Petrischale" warnten die belgischen Forscher explizit vor den Gefahren, die von konservierten Mikroben im Permafrost ausgehen können.

Wenn also das „ewige" Eis in Permafrostgebieten gar nicht so ewig währt, dann dürften uns mit der bevorstehenden Erderwärmung noch einige virale Entdeckungen bevorstehen.

„Zombie-Viren" als Bedrohung für die öffentliche Gesundheit?

Die erst kürzlich wiederbelebten Viren des Forscherteams um die Mikrobiologin Jean-Marie Alempic sind weitaus älter als 700 Jahre. So soll einer der neu entdeckten Virustypen den Wissenschaftlern zufolge etwa 50.000 Jahre im Permafrost überdauert haben.

Wie es in dem noch nicht veröffentlichten Bericht der CNRS-Arbeitsgruppe heißt, wurden zwar in den letzten Jahren keine neuen Abhandlungen über „lebende" Viren veröffentlicht. Dies heiße aber nicht, „dass solche Vorkommen selten sind und dass „Zombie-Viren" keine Bedrohung für die öffentliche Gesundheit darstellen", so die Forscher.

Der jüngste Bericht wolle entsprechend eine „realitätsnähere Einschätzung" ermöglichen, wie es in der Zusammenfassung heißt.

Killer, Begleiter, Wegbereiter Wie Viren die Menschheitsgeschichte prägen

Der Permafrost und die Folgen des Klimawandels

Insgesamt konnte das Team der CNRS 13 völlig neue Virustypen aus sibirischen Bodenproben isolieren, darunter auch Proben aus dem Lena-Fluss und den Permafrostböden Kamtschatkas.

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Wegen schmelzendem Eis in der Arktis Veränderter Wasserkreislauf im hohen Norden Dramatisches Abschmelzen Die Gletscher der Alpen tauen in Rekordgeschwindigkeit Sensationsfund in Kanada Goldgräber entdecken eingefrorenes Mammutbaby
Diese Regionen Sibiriens werden bereits jetzt maßgeblich durch die Folgen des Klimawandels beeinflusst. In der weltweit kältesten Großstadt Jakutsk, die 1632 noch auf Permafrost gebaut wurde, sacken schon jetzt ganze Straßenzüge und Eisenbahnschienen ab, Gebäude bekommen Risse oder stürzen ganz ein.

© Reuters/MAXIM SHEMETOV

Besonders prekär: Bei der Zersetzung von organischem Material, das laut des CNRS-Forscherteams bis zu einer Million Jahre lang im Permafrost schlummern kann, werden zusätzliches Methan und Kohlendioxid gebildet. Und das wiederum verstärkt den Treibhauseffekt.
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Die Büchse der Pandora im Permafrost: 50.000 Jahre alte „Zombie-Viren" im Labor wiederbelebt

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So fangen für gewöhnlich Filme wie „I am Legend", „Jurassic Park" oder „12 Monkeys" an: In Sibirien wird im abgetauten Eis ein Mammut freigelegt, das ein jahrtausendealtes Virus in sich trägt. Forscher reaktivieren die bis dahin völlig unbekannten Virustypen im Labor. Der Rest ist (Menschheits-)Geschichte.

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https://www.spektrum.de/news/permafrost-zehntausende-jahre-altes-virus-wiederbelebt/2081040

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Dieses Mammutbaby wurde im Permafrostboden gefunden. Mit ihm können Bakterien und Viren eingefroren worden sein.

Riesige Flächen auf der Nordhalbkugel werden heute noch von Permafrost dominiert: dauerhaft gefrorene Böden, die allenfalls oberflächlich auftauen. In ihnen eingeschlossen überdauern die Überreste von Tieren oder Pflanzen Jahrtausende fast unverändert - und mit ihnen auch die Bakterien und Viren, die sie einst in sich trugen. Einem Team um Jean-Marie Alempic vom CNRS in Marseille gelang es nun, 13 bislang unbekannte Virentypen aus entsprechenden Proben nachzuweisen und wieder zu aktivieren, wie die Arbeitsgruppe in einer noch unveröffentlichten Studie auf dem bioRxiv schreibt.

Bei einem der Viren schätzen die Forscher, dass es 50 000 Jahre im Eis überdauert haben könnte, bevor es im Labor in Zellkulturen erneut virulent wurde - ein neuer Weltrekord. Das gleiche Team hatte zuvor ein 30 000 Jahre altes Virus aus dem Permafrost wiedererweckt. Bei dem aktuellen Rekordhalter handelt es sich um ein Amöben infizierendes Riesenvirus, das nun den Namen Pandoravirus yedoma trägt. Es ist so groß, dass es bereits mit einem normalen Lichtmikroskop nachgewiesen werden kann, und stammt aus einer Bodenprobe, die unterhalb eines arktischen Sees genommen wurde.

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, Das Rätsel um die Atemwegsinfekte bei Kindern

Auch die weiteren Viren infizierten Amöben in Zellkulturen und wurden damit nach dem Auftauen erneut virulent. Das Team hatte sie unter anderem aus der Wolle von Mammuts und den Eingeweiden eines eingefrorenen Wolfs isoliert. Alempic und Co schätzen, dass es noch tausende unbekannte Viren im Permafrost geben könnte, von denen manche womöglich auch Menschen infizieren könnten. Angesichts der zunehmenden Nutzung der Permafrostgebiete und des Klimawandels, der die Böden verstärkt auftauen lässt, drohten hier also gewisse Risiken, schreiben die Forscher.

Der Autor ist Chefredakteur von "Spektrum der Wissenschaft", "Gehirn&Geist" und "Spektrum.de".

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Permafrost: Zehntausende Jahre altes Virus "wiederbelebt"

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Riesige Flächen auf der Nordhalbkugel werden heute noch von Permafrost dominiert: dauerhaft gefrorene Böden, die allenfalls oberflächlich auftauen. In ihnen eingeschlossen überdauern die Überreste von Tieren oder Pflanzen Jahrtausende fast unverändert - und mit ihnen auch die Bakterien und Viren, die sie einst in sich trugen.

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In einer sich erwärmenden Arktis bewirken Störungen des thermisch-hydrologischen Gleichgewichts eine Degradation von Permafrost. Diese Störungen können zu einer Vertiefung der saisonalen Auftauschicht, zu thermisch bedingter Erosion sowie zu schneller Oberflächenabsenkung und Thermokarst führen. Das…

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Abschnitte: Permafrost

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Climate tipping elements are critical, large-scale components of the Earth system, which are characterized by a threshold behaviour. These systems appear to remain stable with increasing global temperature, but starting at a particular global temperature threshold, very small additional disturbances can 'tip' them into a qualitatively new state. If you imagine a pencil being slowly pushed further over a table edge. At first nothing happens; then it falls.

The geographical distribution of global and regional tipping elements, color-coded according to the best estimate for their temperature thresholds, beyond which the element would likely be 'tipped'. Figure designed at PIK, based on Armstrong McKay et al., Science (2022).

The threshold behavior is often based on self-reinforcing processes which, once tipped, can continue without further external forcing. It is thus possible that a component of the Earth system remains 'tipped', even if the background climate falls back below the threshold. The transition resulting from the exceedance of a system-specific tipping point can be either abrupt or gradual. Crossing single tipping points has severe impacts on the environment and threatens the livelihood of many people1 . There is also the risk that, through feedback loops, further tipping points in the Earth System are reached and a domino-like chain reaction is initiated2 ,3 .

Since the first publications in 2007/20084 ,5 , scientific knowledge about tipping elements has greatly improved - and it is still a highly-active field of research. For example, the University of Exeter and the Potsdam Institute for Climate Impact Research (PIK) have signed an agreement to jointly investigate climate change tipping points. Also, a project is being prepared to compare computer-model output with respect to tipping points : TipMIP, a „TIPping point Model Intercomparison Project". PIK News and Publications about Tipping Elements

The most recent science

Below each tipping element is briefly profiled and the most recent research summarised - based on a 2022 updated tipping element review by an international group of scientists (from Exeter University, Stockholm Resilience Center, Future Earth and the Potsdam Institute for Climate Impact Research)6 .

Click to expand the grey bars and learn more about individual tipping elements. All stated temperatures refer to warming with respect to preindustrial levels. The temperature threshold is the global mean temperature increase at which the tipping element is likely to be tipped. In brackets we provide the range of global mean temperature increase at which it is possible for the tipping element to be tipped, e.g. 3°C (2°-4°C).

Armstrong McKay et al. (Science, 2022) identify:

9 core tipping elements that significantly contribute to Earth system functioning;

plus 7 regional tipping elements, which significantly contribute to human wellbeing or have unique value within the Earth system.

The flashlights indicate how close the threshold for likely tipping is to the global warming already observed today. Current observations put average global warming at 1.2°C and increasing.

The consensus symbols indicate the confidence level that the authors of Armstrong McKay et al. have assigned to each threshold value, based on their assessment of the number and agreement of studies available.

Ice Masses (cryosphere entities)

When ice melts it exposes a generally darker underlying surface, whether the rocky bed of a glacier or the sea. This darker surface absorbs more radiation from the sun, in turn accelerating the melting of the remaining ice. This mechanism, known as the ice-albedo feedback, is a classic example of a self-reinforcing process where the same phenomenon, namely ice loss, is both the driver and the result of temperature rise. However, this is not the only mechanism (described below) that makes the Earth's large ice masses a tipping element.

What and Where?
Greenland is covered by an up to three kilometer thick ice sheet - all year around.

Tipping Point & Tipping Process
Collapse: The Greenland ice loss due to glacier flow into the sea and enhanced melting during summer has considerably increased in recent years due to global warming. As a consequence, the ice sheet is becoming thinner and thereby losing height. This means that its surface, which today still reaches into high, cold air layers, is increasingly exposed to lower and warmer layers of air, which accelerates the melting process.

Temperature Threshold & Timescales
There are indications that the tipping point, leading to a long-term (10 000 years) complete ice loss, is likely reached at global warming levels of 1.5°C (possibly between 0.8°C and 3°C). The more that threshold is transgressed, the faster the tipping process can unfold (but at least 1000 years; the maximum estimate is 15 000 years).

Impacts of Tipping
Complete loss of the ice sheet would lead to world-wide sea-level rise of up to seven meters, and other tipping elements (particularly the Atlantic Meridional Overturning Circulation) would be affected.

What and Where?
The Arctic ocean is - to a large extent - covered by a floating cover of frozen ocean water, called sea ice. The extent of the ice cover depends on the season. This tipping element is the winter sea-ice cover, which never exceeds a thickness of a few meters. [Sea ice is not to be confused with table icebergs, which can be several hundreds of meters thick. They are pieces of former ice shelves, which are the floating end of land-based glaciers. It should also not be confused with the summer sea-ice cover, which has already been diminished to such an extent that the North Pole is likely to be ice free in summer within this century.]

Tipping Point & Tipping Process
Collapse : Several computer model simulations show that shifts in the timing of sea-ice growth and melt causes exhibit threshold behaviour.

Temperature Thresholds & Timescales
The threshold that can be identified from the models lies at approximately 6.3°C (4.5-8.7°C), and the duration of the tipping process is estimated at 20 years (10-100 years).

What and Where?
The winter sea ice in the Barents Sea (between Scandinavia, the island of Svalbard and Nowaja Semlja) is a special case in comparison with the rest of the Arctic Sea ice.

Impacts of Tipping
Among the consequences of sea-ice loss in the Barents Sea are a significant impact on atmospheric circulation, the climate in Europe as well as potential impacts on the Atlantic Meridional Overturning Circulation.

What and Where?
Around a thousand billion tons of carbon are estimated to be stored in the upper three meters of the frozen soil.

Tipping Point & Tipping Process
Abrupt Thaw: Degradation of the surface layer exposes deeper soil layers to thawing and decomposition and therefore accelerates thermokarst formation. Although this is a local process, it could be triggered almost synchronously at sub-continental scale.

Impacts of Tipping
Abrupt thaw could, in comparison to gradual thaw, increase carbon emissions from permafrost soils by 50-100%, and could potentially trigger large-scale boreal permafrost collapse (see below). In any case, thawing permafrost would contribute considerably to global warming and therefore to the associated risks, from extreme weather to sea-level rise.

What and Where?
The arctic permafrost, which has been frozen for centuries or even millennia, is located in Siberia and North America. These 'Yedoma soils' lie over three meters beneath the surface and are thought to contain many additional billions of tonnes of carbon. If it were to thaw, it would potentially release large amounts of the greenhouse gases carbon dioxide and methane.

Tipping Point & Tipping Process
Collapse : These gas compounds originate from organic material which was stored during the last Ice Age. The heat caused by microbial decomposition of the carbon compound accelerates thawing and degradation of the soil.

Temperature Thresholds & Timescales
A threshold could be reached at about 4°C (3-6°C) according to the (relatively few) estimates. The timescale for tipping is 50 years (10-300 years).

Impacts of Tipping
The released carbon compounds could lead to additional global warming of 0.2-0.4°C.

What and Where?
Extrapolar glaciers are all glaciers are not located in Greenland or Antarctica. Often referred to as 'alpine glaciers', they usually have specific local properties.

Temperature Thresholds & Timescales
A global estimate for the temperature threshold is 2°C (1.5-3°C), and for the duration of the process 200 years (50-1 000 years).

What and Where?
Large parts of the base of the towering West Antarctic ice sheet rest on the continental bedrock below sea level. Moving inland, this bedrock falls away, reaching a depth of 2.5km below sea level - the ice sheet, however, is high enough to still reach above sea level.

Temperature Thresholds & Timescales
The threshold for tipping is estimated at 1.5°C (1-3°C) global mean temperature rise. The timescale for a collapse is estimated at 2 000 years (500 years if the threshold is strongly exceeded, with a maximum of 13 000 years).

Impacts of Tipping
If the ice sheet were to break up, sea level would rise worldwide by about three meters.

What and Where?
There are some sub-glacial basins in East Antarctica that, like the West Antarctic ice sheet, are grounded below sea level. These include the Wilkes, Aurora und Recovery basins.

Temperature Thresholds & Timescales
The temperature threshold for collapse is estimated at 3°C (2-6°C) and the process could happen within 2 000 years (500-10 000 years).

What and Where?
The East Antarctic ice sheet stores the biggest part of Earth's frozen reservoir of freshwater.

Temperature Thresholds & Timescales
At warming of around 7.5°C (5-10°C) a tipping process could start leading to a complete loss of the East Antarctic ice sheet over more than 10 000 years.

Circulation Systems

There are some prominent examples of atmospheric and ocean circulation with marked (but variable) annual or seasonal patterns - but these can change. Throughout the history of our planet's climate, there have been multiple phases of disruption and re-organization. This section gives a brief outline of potentially abrupt changes in circulation systems which could occur in the future.

What and Where?
The overturning circulation of the Atlantic is like a huge conveyor belt, transporting warm surface water northwards and, after cooling and sinking in high latitudes, cold deep water southwards. It is called a 'thermohaline' circulation because it is driven by temperature differences and differences in salinity. The Gulf Stream, which is responsible for the mild climate of northwestern Europe, is part of this large-scale system of Atlantic currents.

Tipping Point & Tipping Process
Collapse: One of its main motors is the cold, dense (and therefore heavy) salt water which sinks near Greenland and the Labrador coast. If the amount of freshwater from melting ice in the northern latitudes increases, this deep water formation could cease, slowing down the circulation motor.

Temperature Thresholds & Timescales
Scientific evidence points to a temperature threshold of 4°C (1.4-8°C) with a timescale of 50 years (15-300 years).

Impacts of Tipping
There are severe impacts on temperature and precipitation patterns: warming of the southern hemisphere, a southward shift of the intertropical convergence zone, monsoon weakening in Africa and Asia, strengthening in the southern hemisphere leading to drying in the Sahel and in parts of the Amazon, and reduced natural carbon sinks. It can also lead to cooling in the North Atlantic - however, this does not result in a substantial reduction in global warming since the different processes interact in such a way that the resulting warming and cooling effects cannot simply be added together.

What and Where?
As part of the subpolar gyre in the North Atlantic, there is an overturning circulation in the Labrador-Irminger sea.

Tipping Point & Tipping Process
Collapse: Several models show a collapse of that overturning circulation as a consequence of global warming.

Temperature Thresholds & Timescales
The temperature threshold is estimated to lie at around 1.8°C (1.1-3.8°C), and the process could take place within 10 years (5- 50 years).

Impacts of Tipping
The consequences of tipping are a regional cooling in the North Atlantic of around 2-3°C and potentially a global cooling of 0.5°C (however, this should not be understood as a potential mechanism for combatting global warming). Furthermore, a northern shift of the jet stream is expected, as are weather extremes in Europe and a southward shift of the intertropical convergence zone.

Ecosystems (biosphere components)

The living part of the Earth system, called the biosphere, plays a decisive role for the climate, both locally and via difference feedback mechanisms also for the global climate. For example, drier, warmer climate conditions can lead to vegetation die back, which releases additional carbon back into the atmosphere, resulting in increased carbon dioxide in the atmosphere and thus further fuelling climate change. When global warming crosses a temperature threshold, a tipping point, ecosystems can experience irreversible change.

What and Where?
The coniferous forests of the northern regions (taiga) - experts often call them 'boreal' forests - represent almost a third of the global forest area. They are located circularly around the Arctic. This tipping element exhibits two tipping processes: southern dieback and northern expansion (see below).

What and Where?
The coniferous forests of the northernregions (taiga) - referred to by scientists as 'boreal forests' - represent almost a third of the global forest area. They are located circularly around the Arctic. This tipping element exhibits two tipping processes: southern dieback (see above) and northern expansion.

What and Where?
Tropical and subtropical coral reefs are among the ecosystems with the highest biodiversity worldwide. They have an enormous influence on the marine food web, nutrient an carbon cycles in the ocean and are essential for the well-being of millions of people worldwide. For example, they provide coastal protection and are important for tourism.

Impacts of Tipping
All of the above mentioned ecosystem services of coral reefs vanish with die-off.

What and Where?
The West African monsoon and the vegetation in Sahel are closely connected, allowing for greening of the Sahel.

Tipping Point & Tipping Process
Greening: There are many known self-reinforcing processes. In particular, dust and aerosols influence rainfall patterns. Increasing rainfall leads to increased vegetation and vice versa.

Temperature Thresholds & Timescales
It is not entirely clear if indeed tipping will take place, but there are hints pointing towards several abrupt changes in the past, known weaknesses in models that fail to reproduce expected tipping behavior and enormous regional consequences. Therefore, the authors of Armstrong McKay et al., define this process as tipping point, with a threshold of 2.8°C (2-3.5°C), and a timescale of 50 years (10-500 years).

Impacts of Tipping
A fundamental change in regional vegetation.

Developments in tipping elements science

Tipping element research has made enormous advances since its beginnings in the 2000s. Some proposed tipping elements, depending on not always consistent definitions, have been rejected in the meantime - or are so uncertain that they no longer appear in the list above.

Uncertain: Shift of Indian summer monsoon; Increase or loss of sea ice in the southern Ocean; Break-up of stratocumulus clouds near in equatorial latitudes; Collapse of Antarctic Bottom Water formation, Increase of Indian Ocean upwelling; Loss of tibetean snowfields; Global anoxia in the ocean.

Rejected: Abrupt expansion of the Arctic ozone hole; Permanent/extreme El Niño; Instability of the northern polar jetstream.

Outdated map of tipping elements in the earth system.

There are other possible tipping elements showing self-perpetuating processes, but they either have no threshold behavior or show only local, but no large-scale synchronized tipping. Among these are the gradual thaw of boreal permafrost, loss of Arctic summer sea ice, the weakening of the global carbon sink on land and in the ocean, the weakening of the biological ocean carbon pump and the dissolution of marine methane hydrates.

References

1.

Lenton, Timothy M., et al. "Climate tipping points-too risky to bet against." Nature, (2019): 592-595.

2.

Wunderling, N., Donges, J. F., Kurths, J., & Winkelmann, R.. "Interacting tipping elements increase risk of climate domino effects under global warming." Earth System Dynamics, 12(2),(2021): 601-619.

3.

Steffen, Will, et al. "Trajectories of the Earth System in the Anthropocene." Proceedings of the National Academy of Sciences 115.33 (2018): 8252-8259.

4.

Lenton, Timothy M., and Hans Joachim Schellnhuber. "Tipping the scales." Nature Climate Change 1.712 (2007): 97-98.

5.

Lenton, Timothy M., et al. "Tipping elements in the Earth's climate system." Proceedings of the national Academy of Sciences 105.6 (2008): 1786-1793.

6.

Armstrong McKay et al. "Exceeding 1.5°C global warming could trigger multiple climate tipping points." Science 377(6611), (2022).

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Tipping Elements - big risks in the Earth System

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Climate tipping elements are critical, large-scale components of the Earth system, which are characterized by a threshold behaviour. These systems appear to remain stable with increasing global temperature, but starting at a particular global temperature threshold, very small additional disturbances can 'tip' them into a qualitatively new state.

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Im Sommer 2021 scheint die halbe Welt in Flammen zu stehen. Wälder brennen lichterloh, besonders schlimm ist die Situation im Pazifischen Nordwesten, in der Mittelmeerregion - und in Sibirien. Hier erzeugen die sich durch heißes, trockenes Wetter rasend schnell verbreitenden Feuer gigantische Rauchwolken, die die Atmosphäre mit hunderten Millionen Tonnen erderwärmendem CO ₂ anreichern.

Unter den Bewohnern der Region sind viele Bauern, die versuchen zu ernten, was noch zu ernten ist, bevor ihre Felder vom Feuer vernichtet werden. Gleichzeitig kämpfen sie - oft auf sich allein gestellt - gegen die Flammen.

Sibirien ist für seine extrem kalten Winter berühmt. Weniger bekannt ist, dass in diesem Teil der Welt Waldbrände in den Sommermonaten keineswegs eine Seltenheit sind. Doch auch wenn die Brände schon immer mit einer gewissen Berechenbarkeit auftreten, ist nicht von der Hand zu weisen, dass sie in den vergangenen Jahren neue Dimensionen erreicht haben. Das gilt speziell für Sacha, eine Republik im äußersten Nordosten Russlands mit einer Fläche, die fast der der Europäischen Union (ohne Schweden und Finnland) entspricht. Die Waldbrände in Sacha im Jahr 2020 waren die bis dato schlimmsten: Zwischen Juni und August dieses Jahres emittierten sie mehr CO ₂, als es seit Beginn der Satellitenaufzeichnungen im Jahr 2003 jemals zuvor der Fall gewesen war.

Die Waldbrandsaison 2021 startete in Sibirien im späten April und nahm Mitte Juni dramatisch an Fahrt auf. Mit einem Ende wird nicht vor dem späten Oktober gerechnet. Das Geschehen wird unter anderem von Copernicus überwacht, einem gemeinsamen Erdbeobachtungsprogramm der Europäischen Union und der European Space Agency (ESA). Die bisher erhobenen Daten zeigen, dass die Kohlenstoffbelastung durch die sibirischen Waldbrände bereits jetzt mehr als doppelt so hoch ist wie im gesamten vergangenen Jahr. Gegenüber dem Mittel der Langzeitbeobachtungen ist sie im Schnitt sogar fünfmal höher.

„In Sibirien hat es schon immer Feuer gegeben", sagt Jessica McCarty, Feuerökologin an der Miami University in Ohio. „Extreme Waldbrandperioden kommen vor. Doch in Gesprächen mit meinen Kollegen vor Ort habe ich nicht den Eindruck gewonnen, dass das, was dort gerade passiert, normal ist oder vorhersehbar war."

Rauch über dem Nordpol

Wie schon 2020 wurden auch die aktuellen Brände durch außergewöhnlich heißes Wetter zusätzlich angefacht: Seit dem späten Frühjahr brechen die Temperaturen in Russland immer wieder Rekorde, Mitte Juni hatte eine Hitzewelle das Land fest im Griff. Sie war glücklicherweise nicht so extrem wie die im Juni 2020, die vermutlich dazu führte, dass die Temperaturen in der Arktis zum ersten Mal über die 37 °C-Marke kletterten, doch Jessica McCarty meint, dass der sehr milde Frühling 2021 zu ungewöhnlich trockenen Böden geführt hätte, die nun die Grundlage für großflächige Waldbrände bildeten.

Breiteten sich die Brände 2020 vor allem in der Tundra im Norden Sibiriens aus, sind es in der Saison 2021 vornehmlich die Pinien-, Fichten- und Lärchenwälder der Taiga im Süden, die in Flammen stehen. Laut Berichten der russischen Forstwirtschaftsbehörde sind seit Saisonbeginn in Sacha über sechs Millionen Hektar Waldfläche verbrannt - mehr als die gesamte Fläche Niedersachsens. „Es ist ein schlimmes Jahr für Sacha", sagt die russische Feuerwissenschaftlerin Elena Kukavskaya. Die bisher verbrannte Fläche sei schon jetzt so groß wie die gesamte verbrannte Fläche am Ende der Waldbrandsaison 2020.

Der Rauch der Feuer verhüllt die Dörfer in der Region, verdunkelt die Sonne, erschwert das Atmen und färbt den Himmel apokalyptisch rot.

Und der Rauch bleibt nicht in Sibirien. In der ersten Augustwoche 2021 zogen zwei der riesigen Wolken direkt über den Nordpol und dann weiter nach Süden Richtung Kanada. Laut Zack Labe, Klimaforscher an der Colorado State University in Fort Collins, ist es „nicht ungewöhnlich", dass der Rauch von Waldbränden im Sommer über die Ränder des Arktischen Ozeans zieht. „Untypisch ist allerdings, dass derartig große Rauchwolken direkt über den Nordpol wandern und sich dadurch quasi über dem gesamten Nördlichen Polarkreis ausbreiten", sagt er.

Es besteht die Gefahr, dass sich die dunklen Rauchpartikel auf dem arktischen Eis ablagern. Dadurch würden die Sonnenstrahlen stärker absorbiert, was zu einem schnelleren Abschmelzen des Eises führen könnte. Mark Parrington, leitender Wissenschaftler des Copernicus-Programms, berichtet jedoch, dass sich die Situation noch anders darstelle: Der Rauch sei bei seiner Reise über den Nordpol in der Atmosphäre verblieben und hätte dabei durch Verdunkelung für eine Reduzierung der Sonneneinstrahlung gesorgt. Das Ergebnis seien kurzfristige, örtlich begrenzte Temperaturrückgänge gewesen.

Herauszufinden, welchen konkreten Effekt eine solch extreme Rauchentwicklung auf das Eis der Arktis hat, ist „ein gutes Beispiel für die Herausforderungen, denen wir uns beim Verstehen all der komplexen Wechselwirkungen in Bezug auf das Klima der Arktis gegenübersehen", so Labe.

Wenn der Permafrost schmilzt

Die schlimmsten Folgen der diesjährigen Feuer dürften die Klimaschäden sein, die durch die extremen Mengen an Kohlenstoff verursacht werden, die der Rauch in die Atmosphäre trägt. Daten des Copernicus-Programms zeigen Mark Parrington zufolge, dass zwischen dem 1. Juni und dem 15. August 2021 durch die Feuer in der Republik Sacha fast 800 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid freigesetzt wurden - das ist fast die komplette jährliche Emission Deutschlands, der immerhin viertgrößten Wirtschaftsnation der Welt.

Mark Parringtons Schätzungen beziehen jedoch lediglich das CO 2 mit ein, das durch das Verbrennen der Vegetation freigesetzt wird. Setzten die Feuer auch noch die kohlenstoffreichen Böden in Brand, würde dieser Wert um ein Vielfaches ansteigen.

Genau das scheint zu passieren. Amber Soja, wissenschaftliche Mitarbeiterin am National Institute of Aerospace mit Hauptsitz in Hampton, Virginia, hat den Verlauf der Brände verfolgt. Sie sagt, dass die Feuer dieses Sommers in einigen Fällen bereits die oberen organischen Schichten der Böden verbrannt hätten. Dadurch sei die darunterliegende gefrorene Schicht, der sogenannte Permafrost, ungeschützt und beginne zu schmelzen und auszutrocknen. Dies wiederum würde die Feuer weiter anfachen und dazu führen, dass die Flammen noch tiefer in die Erde eindringen.

Die gesamte Region Sacha ist von Permafrost eingenommen, der Kohlenstoff über Jahrhunderte und Jahrtausende speichert. Das immer tiefere Abtauen des Permafrosts führt laut Amber Soja zu langfristigen Schäden an diesem wichtigen CO 2 -Lager im Eis.

Die fortschreitende Erderwärmung verstärkt diese Schäden noch. Klimamodelle besagen, dass selbst dann, wenn das Ziel des Pariser Klimaschutzabkommens, die Erderwärmung auf 2 °C zu beschränken, eingehalten wird, die Temperaturen in der russischen Arktis um 5 °C steigen werden. Schon jetzt ist das arktische Sibirien eine der sich am schnellsten erwärmenden Regionen der Erde.

Der Permafrost setzt nicht nur beim Abtauen gespeicherte, klimaschädliche Gase frei, er wird auch zu Nahrung für Mikroben, die neben CO 2 noch ein anderes Treibhausgas produzieren: Methan, das auf 100 Jahre betrachtet ungefähr dreißigmal schädlicher ist als Kohlenstoffdioxid.

Laut Merritt Turetsky, Leiterin des Institute of Arctic and Alpine Research an der University of Colorado in Boulder, werden sich die Auswirkungen der CO ₂-Emissionen des tauenden Permafrosts noch über Jahrzehnte im Klimasystem niederschlagen. Im Moment gebe es jedoch noch nicht genug Daten, um verlässlich sagen zu können, welchen Umfang diese Auswirkungen haben werden. „Bis wir konkrete Zahlen haben, wird es noch Jahre dauern", sagt sie.
Dieser Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.

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Waldbrände in Sibirien: Tauender Permafrost, gefährlicher Rauch

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Im Sommer 2021 scheint die halbe Welt in Flammen zu stehen. Wälder brennen lichterloh, besonders schlimm ist die Situation im Pazifischen Nordwesten, in der Mittelmeerregion - und in Sibirien. Hier erzeugen die sich durch heißes, trockenes Wetter rasend schnell verbreitenden Feuer gigantische Rauchwolken, die die Atmosphäre mit hunderten Millionen Tonnen erderwärmendem CO 2 anreichern.