Dennis Lenz
Auftauender Permafrost setzt gewaltige Mengen an lange gebundenem Kohlenstoff frei und gilt deshalb als gefährlicher Verstärker der Erderwärmung. Eine im Fachmagazin Nature veröffentlichte Studie eines internationalen Teams unter Beteiligung der Ludwig-Maximilians-Universität München zeigt nun ein deutlich komplexeres Bild. Auf dem Qinghai-Tibet-Plateau kompensiert die chemische Verwitterung von Gesteinen im Mittel rund 78 Prozent der Kohlendioxid-Emissionen aus Flüssen, in einzelnen Bereichen sogar mehr. Damit gerät ein bislang kaum beachteter geologischer Prozess in den Fokus der Klimaforschung.
Permafrost bezeichnet Boden oder Gestein, das mindestens zwei Jahre in Folge dauerhaft Temperaturen unter dem Gefrierpunkt hält. In diesen gefrorenen Schichten lagert enorm viel organischer Kohlenstoff aus abgestorbenen Pflanzen und Tieren, der über Jahrtausende konserviert wurde. Steigen die Temperaturen, taut der Boden auf, und Mikroorganismen beginnen, dieses Material abzubauen. Ein großer Teil des dabei mobilisierten Kohlenstoffs gelangt in Flüsse, wird dort zu Kohlendioxid umgewandelt und an die Atmosphäre abgegeben. Dieser Vorgang wirkt wie eine sich selbst verstärkende Rückkopplung, weil das zusätzlich freigesetzte Treibhausgas die Erwärmung weiter antreibt und dadurch noch mehr Permafrost auftaut. Solche Rückkopplungen zählen zu den schwer kalkulierbaren Größen in Klimamodellen, weil sie den ohnehin laufenden Temperaturanstieg beschleunigen können und die künftige Entwicklung des Kohlenstoffkreislaufs mitbestimmen.
Weniger bekannt ist, dass beim Auftauen nicht nur organisches Material frei wird, sondern auch frische Mineraloberflächen mit Wasser und gelösten Stoffen in Kontakt kommen. Bei der chemischen Verwitterung von Silikatgestein reagieren bestimmte Minerale mit gelöstem Kohlendioxid und binden es langfristig in Form von Karbonat oder gelöstem Hydrogencarbonat. Dieser Prozess entzieht der Atmosphäre über geologische Zeiträume Kohlenstoff und gilt als eine der wichtigsten natürlichen Stellschrauben des irdischen Klimas. Wie stark diese Verwitterung von Gestein in Permafrostregionen wirkt und ob sie die dortigen Emissionen nennenswert ausgleichen kann, war bislang kaum quantifiziert. Genau diese Lücke schließt die neue Untersuchung, indem sie erstmals systematisch misst, wie sich beide gegenläufigen Prozesse entlang eines Gradienten von tauendem Permafrost verhalten.
Für ihre Analyse wählte das Forschungsteam das Qinghai-Tibet-Plateau, die größte zusammenhängende Permafrostlandschaft außerhalb von Arktis und Antarktis. Das Gebiet eignet sich besonders gut, weil der Permafrost dort in ganz unterschiedlichen Zuständen vorliegt. In einigen Regionen ist der Boden durchgängig gefroren, in anderen nur noch sporadisch, und in wieder anderen ist er bereits vollständig verschwunden. Diese räumliche Abfolge bildet eine Art natürlichen Zeitraffer ab, der zeigt, wie sich die Chemie der Gewässer verändert, wenn der Permafrost über Jahrhunderte hinweg schrittweise zurückgeht. Das Team maß in rund 50 Flüssen die Kohlendioxid-Emissionen und kombinierte diese Werte mit detaillierten chemischen Analysen des Wassers. So ließ sich für jeden Fluss abschätzen, wie viel Kohlenstoff aus dem Abbau organischen Materials stammt und wie viel durch Verwitterungsreaktionen gebunden wird.
Die Auswertung ergab ein klares Muster entlang des Permafrost-Gradienten. Wo der Boden noch durchgängig gefroren ist, fällt die Kompensation durch Verwitterung mit etwa 15 Prozent vergleichsweise gering aus. Mit abnehmender Permafrostbedeckung steigt der Anteil jedoch deutlich an und kann in Regionen mit nur noch sporadischem Permafrost rechnerisch über 100 Prozent erreichen. Über das gesamte Untersuchungsgebiet gemittelt gleicht die verwitterungsbedingte Kohlenstoffbindung im Schnitt rund 78 Prozent der CO2-Emissionen aus den Flüssen aus. Entscheidend ist dabei die Art des freigesetzten Gesteins, denn nicht jede Verwitterung wirkt in dieselbe Richtung. Silikatminerale binden Kohlendioxid und schaffen eine Senke, während die Oxidation von Schwefelmineralen wie Pyrit die Emissionen zusätzlich erhöhen kann. Auf dem tibetischen Hochland überwiegen die silikatischen Prozesse, weshalb sich unter dem Strich ein klarer Netto-Kompensationseffekt zeigt.
Die Ergebnisse relativieren das verbreitete Bild vom Permafrost als reiner Kohlenstoffbombe, ohne die grundsätzliche Gefahr zu entwarnen. Denn der Verwitterungseffekt kompensiert die Emissionen nur teilweise und wirkt vor allem regional dort, wo silikatreiches Gestein dominiert. Die überraschende Erkenntnis liegt in der Dynamik: Je weiter der Permafrost auftaut, desto stärker gewinnt die verwitterungsbedingte Kohlenstoffbindung an Bedeutung, weil immer mehr frisches, reaktionsfähiges Gestein freigelegt wird. Damit könnte ein geologischer Prozess, der bislang in vielen Klimamodellen kaum berücksichtigt wurde, den durch mikrobiellen Abbau angetriebenen Teufelskreis in bestimmten Landschaften spürbar abschwächen. Ähnliche gegenläufige Effekte kennt die Forschung bereits aus anderen kalten Regionen, etwa wenn Schmelzwasser abschmelzender Gletscher durch reaktive Sedimente ebenfalls Kohlendioxid festlegt.
Für Leser in Deutschland ist die Studie in mehrfacher Hinsicht relevant, weil sie zeigt, wie unvollständig die bisherige Modellierung von Klimarückkopplungen sein kann und wie stark einzelne geologische Faktoren die Prognosen verschieben. Die Autoren betonen, dass ihre Messungen zwar auf das Qinghai-Tibet-Plateau begrenzt sind, das zugrunde liegende Zusammenspiel von biologischen und geologischen Prozessen aber grundsätzlich auf andere Permafrostgebiete übertragbar sein dürfte. Gleichzeitig warnen sie vor voreiligen Schlüssen, denn wo schwefelhaltige Minerale vorherrschen, kann die Verwitterung die Emissionen sogar verstärken statt sie zu dämpfen. Der genaue Beitrag dieser Prozesse zur globalen Kohlenstoffbilanz bleibt vorerst offen und muss in weiteren Regionen überprüft werden. Klar ist jedoch, dass eine realistische Einschätzung der künftigen Erwärmung nicht nur den Abbau organischen Materials, sondern auch die Chemie des freigelegten Gesteins berücksichtigen muss, um die Wechselwirkungen im tauenden Untergrund korrekt abzubilden.
Nature, Rock weathering can counteract river CO2 emissions induced by permafrost thaw; doi:10.1038/s41586-026-10664-8