Studie liefert neue Erklärung für Sibiriens Permafrostkrater

Mysteriöse Krater, die erstmals vor einem Jahrzehnt im sibirischen Permafrost auftauchten, wurden durch durch den Klimawandel verursachte Druckverschiebungen verursacht, die explosionsartig gefrorenes Methan unter der Erde freisetzten, berichtet eine neue Studie. Die Forschung bietet neue Einblicke in die Entstehung von Kratern, die erstmals 2014 auf der russischen Jamal-Halbinsel beobachtet wurden.

Die neue Studie zeigt, dass die ungewöhnliche Geologie der Region in Kombination mit der globalen Erwärmung einen Prozess auslöste, der zur Freisetzung von Methan aus im Permafrost vorhandenen Methanhydraten führte.

„Es gibt sehr, sehr spezifische Bedingungen, die das Auftreten dieses Phänomens ermöglichen“, sagte Ana Morgado, Chemieingenieurin an der Universität Cambridge und eine der Autoren der Studie. „Wir sprechen von einem sehr speziellen geologischen Raum.“

Die Forschung wurde veröffentlicht in Geophysikalische Forschungsbriefe.

Der Fall der Permafrostexplosion

Die Jamal-Halbinsel ist eine tief liegende Landmasse, die von Nord-Zentralrussland in die Karasee hineinragt. Im Jahr 2014 gab es Berichte über einen Krater mit einem Durchmesser von etwa 70 Metern (230 Fuß) an seiner breitesten Stelle, der plötzlich im Permafrost auftauchte. Im Laufe des nächsten Jahrzehnts wurden weitere Krater sowohl auf der Jamal-Halbinsel als auch auf der benachbarten Gydan-Halbinsel entdeckt.

Im letzten Jahrzehnt sind zahlreiche Erklärungen aufgetaucht, die die Explosionen auf eine Ansammlung von Methan im Untergrund aufgrund des schmelzenden Permafrosts oder auf die Nähe von Kratern zu Erdgasreserven zurückführen.

Die Autoren stellten jedoch fest, dass die Erwärmung des Permafrosts allein nicht ausreichen würde, um eine Explosion auszulösen. Die neue Erklärung besagt, dass die Oberflächenerwärmung zu einer schnellen Druckänderung tief im Boden führt, was zur Freisetzung von explosivem Methan führt.

„Wir wussten, dass etwas dazu führte, dass die Methanhydratschicht zusammenbrach“, sagte Morgado. „Es ist ein bisschen wie Detektivarbeit.“

Osmose verursacht Explosionen

Die Forscher lösten das Rätsel von Grund auf, indem sie sich zunächst einer grundlegenden Frage widmeten: Wurden die Explosionen durch physikalische oder chemische Prozesse verursacht?

„Es gibt nur zwei Möglichkeiten, eine Explosion auszulösen“, sagte Julyan Cartwright, Geophysiker beim spanischen Nationalen Forschungsrat und einer der Autoren der Studie. „Entweder kommt es zu einer chemischen Reaktion und es kommt zu einer Explosion, als würde Dynamit explodieren, oder man pumpt den Fahrradreifen auf, bis er explodiert, das ist Physik.“

In diesem Fall gebe es keine Hinweise darauf, dass die Explosionen durch chemische Reaktionen verursacht worden seien, sie müssten also eine physikalische Ursache gehabt haben. „Und dann müssen Sie überlegen: Welche Pumpe pumpt Ihren Fahrradreifen auf?“ sagte er.

Die Autoren sagen, dass es sich bei der Pumpe um Osmose handelte, also um die Art und Weise, wie sich eine Flüssigkeit bewegt, um die Konzentration gelöster Substanzen auszugleichen. Salzwasser ist ein klassisches Beispiel. Wenn es eine Barriere gibt, die zwar Wasser, aber kein Salz durchlässt, kann sich auf der salzhaltigen Seite ein Druck aufbauen, wenn das Wasser hindurchfließt.

Der dicke, tonige Permafrost der Jamal-Halbinsel fungiert als osmotische Barriere und wird durch die Erwärmung verändert. Diese 180 bis 300 Meter (590 bis 980 Fuß) dicke Schicht bleibt das ganze Jahr über dauerhaft gefroren. Eine darüber liegende „aktive Schicht“ des Mutterbodens taut saisonal auf und gefriert wieder.

Über die Tundra verstreut und eingebettet in den Permafrost befinden sich ungewöhnlich meterdicke Schichten hochsalzigen, nicht gefrorenen Wassers, sogenannte Krypogegs, die durch eine Kombination aus Druck und Salzgehalt flüssig gehalten werden. Unter den Kryopegs befindet sich eine Schicht aus kristallisierten Methan-Wasser-Feststoffen, sogenannten Methanhydraten, die durch hohen Druck und niedrige Temperaturen stabil gehalten werden.

Aber wärmere Temperaturen destabilisieren diese Schichten. Der Klimawandel führte dazu, dass die aktive Schicht schmolz und sich nach unten ausdehnte, bis sie den Kryopeg erreichte, wobei Wasser freigesetzt wurde, das sich durch osmotischen Druck innerhalb des Kryopegs bewegte, fanden die Forscher heraus.

Im Kryopeg ist jedoch nicht genügend Platz, um das durch Osmose erzeugte zusätzliche Schmelzwasser aufzunehmen, sodass der Druck zunimmt. Durch den zunehmenden Druck entstehen Risse im Boden, die vom Cryopeg an die Oberfläche steigen. Anschließend kehrt sich der Druckgradient um: Der rissige Boden führt zu einem plötzlichen Druckabfall in der Tiefe. Diese Druckänderung beschädigt die Methanhydrate unter dem Kryopeg, was zu einer Freisetzung von Methan und einer physischen Explosion führt.

Der Zeitraum bis zur Explosion könne Jahrzehnte dauern, heißt es in der Studie. Dieser Zeitstrahl entspricht der zunehmenden globalen Erwärmung ab den 1980er Jahren.

Die neue Erklärung beruht darauf, wie die globale Erwärmung und die Geologie der Region zusammenwirken, um diese Explosionen zu erzeugen, die nur auf der Jamal-Halbinsel vorkommen.

„Dies könnte ein sehr seltenes Phänomen sein“, sagte Morgado. „Aber die freigesetzte Methanmenge könnte einen ziemlich großen Einfluss auf die globale Erwärmung haben.“