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Mikroorganismen produzieren im Grund der flachen Meeresregionen nördlich von Sibirien aus Pflanzenresten Methan. Gelangt dieses Treibhausgas ins Wasser, kann es im Meereis eingeschlossen werden, das sich auf diesen Küstengewässern bildet. Damit kann Methan über Tausende von Kilometern durch das Nordpolarmeer transportiert und Monate später in völlig anderen Regionen wieder freigesetzt werden. Darüber berichten Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Instituts in der aktuellen Ausgabe des Online Journals Scientific Reports. Auch wenn der Klimawandel dieses Wechselspiel zwischen Methan, Meer und Eis stark beeinflusst, ist es in den Modellen der Klimaforscher bisher noch nicht berücksichtigt.

Zur Erforschung der Schmelztümpel und Bohrlöcher, mussten die Wissenschaftler ein Camp auf dem Meereis aufschlagen. Immer in der Nähe: Der Eisbrecher „Polarstern“. Bild: Marcel Nicolaus
Zur Erforschung der Schmelztümpel und Bohrlöcher, mussten die Wissenschaftler ein Camp auf dem Meereis aufschlagen. Immer in der Nähe: Der Eisbrecher „Polarstern“. Bild: Marcel Nicolaus

Nur ein paar hundert Kilometer entfernt vom Nordpol bahnt sich der Eisbrecher Polarstern vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) im August 2011 seinen Weg durch das eisbedeckte Nordpolarmeer. Im Wasser dort im hohen Norden untersucht die AWI-Geochemikerin Dr. Ellen Damm das Treibhausgas Methan. Bei einer Expedition ins gleiche Gebiet findet die Forscherin vier Jahre später erheblich weniger Methan in den Wasserproben, und kann so die Messungen vom gleichen Ort zu verschiedenen Zeiten vergleichen. Diese Proben hat Ellen Damm gemeinsam mit Dr. Dorothea Bauch vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel und weiteren Kollegen analysiert. Ziel war es, die Methanmengen regional zu erfassen und ihre Herkunft zu bestimmen. Indem sie Sauerstoff-Isotopen im Meereis messen, können die Wissenschaftlerinnen rückschließen, wann und wo das Eis entstanden ist. Dafür hatten sie an Orten der Wasserproben zusätzlich auch Meereisproben genommen. Ihr Ergebnis: Das Eis transportiert das Methan offensichtlich quer durch das Nordpolarmeer. Und das anscheinend von Jahr zu Jahr anders, berichten die beiden Forscherinnen gemeinsam mit Kollegen vom AWI, vom Finnischen Meteorologischen Institut in Helsinki und von der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau in der Online-Zeitschrift Scientific Reports.

Neben den Bohrlöchern ins Eis beprobten die Forscher auch die Schmelztümpel und entnahmen Wasser und Eis aus diesen. Eine Person wurde dabei immer als Bärenwache aufgestellt. Bild: Mar Fernandez
Neben den Bohrlöchern ins Eis beprobten die Forscher auch die Schmelztümpel und entnahmen Wasser und Eis aus diesen. Eine Person wurde dabei immer als Bärenwache aufgestellt. Bild: Mar Fernandez

So stammten die Proben aus dem Jahr 2011 aus Meereis, das knapp zwei Jahre vorher, im Oktober 2009, in den Küstengewässern der Laptewsee weit im Osten Sibiriens seine lange Reise nach Norden begonnen hatte. Die deutlich geringeren Mengen an Treibhausgas der Proben aus dem Jahr 2015 waren gerade einmal halb so lang im Arktischen Ozean unterwegs. Dieses Eis hatte sich viel weiter draußen in tieferem Wasser auf dem Meer gebildet, wie die Analysen zeigten. In den Modellen der Klimaforscher aber spielt dieses Wechselspiel von Methan, dem Nordpolarmeer und dem dort schwimmenden Eis bisher keine Rolle. Jedes Molekül Methan in der Luft treibt die Temperaturen 25-mal stärker in die Höhe als Kohlendioxid, das bei der Nutzung von Kohle, Erdöl und Erdgas in die Atmosphäre gelangt. Auch in der Arktis trägt daher Methan erheblich zur starken Erwärmung hoher nördlicher Breiten bei und verstärkt die globale Klimaerwärmung weiter. Es gibt also gute Gründe, sich den Methankreislauf im hohen Norden genauer anzuschauen. Methan entsteht bei der Rinderzucht oder dem Anbau von Reis, aber auch in vielen anderen natürlichen Prozessen. So sammeln sich im Boden der flachen Laptewsee nördlich von Sibirien wie auch in anderen flachen Gewässern vor den arktischen Küsten Reste von Algen und anderem Pflanzenmaterial. Fehlt dort Sauerstoff, verdauen Mikroorganismen diese Biomasse und produzieren dabei Methan. Bisher berücksichtigen die Modellrechnungen noch zu wenig die Wege von Kohlenstoff und die Methanfreisetzung aus arktischen Regionen. Wenn im Herbst die Temperaturen in der Luft sinken, kühlt auch das an vielen Stellen offene Wasser ab. „An der Oberfläche der russischen Schelfmeere bildet sich jetzt Meereis, das von starken Winden Richtung Norden getrieben wird“, erklärt AWI-Meereisphysiker Dr. Thomas Krumpen, der ebenfalls an der Studie mitgearbeitet hat. Durch Eisbildung und ablandige Winde entsteht dann auf den flachen Randmeeren eine kräftige Strömung, die die Sedimente aufwirbelt und das dort gebildete Methan in die Wassersäule trägt. Das Methan aber kann im Eis eingeschlossen werden, das sich auf einer solchen Polynia genannten offenen Wasserfläche im Winter rasch wieder bildet.

Eine Biogeochemiegruppe des deutschen Forschungsteams des Alfred-Wegener-Instituts bei der Arbeit. Auf einem kleinen Areal, auf dem sie mit einem hohlen Bohrer das Eis durchbohren, entnehmen sie Eiskerne und zersägen sie in kurze Stücke, die die Schichten von der Eisoberfläche bis zur Unterkante repräsentieren. Diese wandern gut dokumentiert in Tüten und werden auf dem Schiff von verschiedenen Gruppen analysiert. Nach dem Auftauen wird z.B. ein Kern gefiltert, um die Menge an Eisalgen zu bestimmen. Bild: Stefan Hendricks
Eine Biogeochemiegruppe des deutschen Forschungsteams des Alfred-Wegener-Instituts bei der Arbeit. Auf einem kleinen Areal, auf dem sie mit einem hohlen Bohrer das Eis durchbohren, entnehmen sie Eiskerne und zersägen sie in kurze Stücke, die die Schichten von der Eisoberfläche bis zur Unterkante repräsentieren. Diese wandern gut dokumentiert in Tüten und werden auf dem Schiff von verschiedenen Gruppen analysiert. Nach dem Auftauen wird z.B. ein Kern gefiltert, um die Menge an Eisalgen zu bestimmen. Bild: Stefan Hendricks

„An diesem Eis friert weiteres Wasser fest und kann dabei die enthaltene Salz-Lake ausstoßen, die große Mengen des im Eis eingeschlossen Methans mitreißen kann“, erklärt AWI-Forscherin Ellen Damm. Dadurch bildet sich unter dem Wasser eine Schicht, die nicht nur sehr viel Salz, sondern auch größere Mengen Methan enthält. Das Eis auf dem Meer und das dichte Salzwasser darunter aber wird mitsamt dem darin enthaltenen Treibhausgas vom Wind und den Strömungen weiter getragen. „Es dauert ungefähr zweieinhalb Jahre, bis das Eis, das sich an den Küsten der Laptewsee gebildet hat, quer über das Nordpolarmeer und am Nordpol vorbei bis in die Framstraße zwischen der Ostküste Grönlands und Spitzbergen getrieben wird“, erklärt Thomas Krumpen. Das im Eis und im Salzwasser darunter enthaltene Methan macht diese Wanderung natürlich mit. Die steigenden Temperaturen im Klimawandel schmelzen dieses Eis zunehmend. Sowohl die vom Meereis bedeckte Fläche wie auch die Dicke des Eises nehmen daher in den letzten Jahren weiter ab. Dünneres Eis aber wird vom Wind schneller weiter geschoben. „Tatsächlich beobachten wir, dass in den vergangenen Jahren das Eis immer schneller über das Nordpolarmeer getragen wird“, erklärt Thomas Krumpen. Dadurch ändert sich natürlich auch der Methan-Umsatz in der Arktis kräftig. Quellen, Senken und Transportwege von Methan in der Arktis zu quantifizieren, bleibt eine große Herausforderung für die Wissenschaft.

Mehrere Gruppen von Forschern entnahmen immer verschiedenste Proben und waren dadurch auf dem Eis versammelt. Solche Probenentnahmen bilden eine willkommene Abwechslung zu den Labortagen. Bild: Stefan Hendricks
Mehrere Gruppen von Forschern entnahmen immer verschiedenste Proben und waren dadurch auf dem Eis versammelt. Solche Probenentnahmen bilden eine willkommene Abwechslung zu den Labortagen. Bild: Stefan Hendricks

Quelle: Alfred-Wegener-Institut