Verschwindende Seen: Neue Datenplattform zu Permafrost-Seen in der Arktis

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Die Datenbank „Lost Lakes“ macht Informationen zur Wasserfläche
zugänglich, um Veränderungen in arktischen Permafrostlandschaften zu
erkennen und lokale Gemeinden zu unterstützen, auf diese zu reagieren.

Permafrost ist ein wichtiges Puzzleteil im komplexen Ökosystem der Arktis:
Er speichert große Mengen Kohlenstoff über lange Zeiträume und bietet
festen, stabilen Grund. Schmilzt das Eis, sackt der Boden ab und es
entsteht eine Senke, in der sich das Schmelzwasser sammeln und über viele
Jahre zu einem See anwachsen kann.

Diese Thermokarstseen beschleunigen den
Abbau von Permafrost, sind aber gleichzeitig eine wichtige Lebensgrundlage
für die Menschen vor Ort. Forschende des Alfred-Wegener-Instituts haben
mit technischer Unterstützung nordamerikanischer Partner die Datenbank
„Lost Lakes“ aufgebaut, die wichtige Informationen über den Zustand von
Thermokarstseen der Arktis in Echtzeit sowie über längere Zeiträume hinweg
bereitstellt. Das ermöglicht es, Veränderungen in den
Permafrostlandschaften zu erkennen, sobald sie passieren, und unterstützt
die Gemeinden vor Ort dabei, frühzeitig darauf zu reagieren.

Thermokarstseen sind typische, äußerst dynamische Elemente in den eher
flachen arktischen und subarktischen Permafrostgebieten: Sie entstehen,
wenn eisreicher Permafrost taut, treiben selbst dann das weitere Auftauen
voran und machen dadurch den einst im Permafrost gefrorenen Kohlenstoff
für Mikroben zugänglich, die ihn in Treibhausgase wie CO2 und Methan
umwandeln. Die stärker werdende globale Erwärmung taut aber auch den
Permafrost immer tiefer auf, sodass ganze Seen plötzlich innerhalb weniger
Stunden verschwinden können, wenn der Boden unter ihnen oder das Ufer
instabil wird und das Wasser sich seinen Weg bahnt. Von ihrem Entstehen
über ihr weiteres Wachstum bis zu ihrem Verschwinden verändern sie sich
über Zeiträume von Jahrzehnten bis Jahrtausenden.

In der Arktis gibt es Millionen solcher Thermokarstseen. „Für die lokalen
Gemeinden sind sie von großer Bedeutung, denn oft sind sie die einzige
Quelle für Trinkwasser“, sagt Dr. Ingmar Nitze vom Alfred-Wegener-
Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) in
Potsdam. Der Permafrostforscher hat mit technischer Unterstützung der
Projektpartner die Plattform „Lost Lakes“ entwickelt, die mithilfe von
Kartenansichten, Zeitreihendiagrammen und Satellitenvorschauen den
Wasserstand von etwa 4 Millionen arktischen Seen in Echtzeit aufzeigt –
und damit die Seen erkennt, die gerade verschwinden. Dies ist nicht nur
wissenschaftlich von Interesse. Denn wenn Seen ganz plötzlich auslaufen,
gefährdet das die Trinkwasserversorgung arktischer Gemeinden, die in
Permafrostgebieten ohnehin schon angespannt ist: Der teils mehrere hundert
Meter dick gefrorene Boden verhindert, dass Grundwasser einfach verfügbar
ist, und zusätzlich können Oberflächengewässer durch Schadstoffe,
Bakterien und Industriealtlasten schwer belastet sein.

„Die Menschen vor Ort, die viel Zeit in dieser Landschaft verbringen,
nehmen deren ständigen Wandel meist zuerst wahr“, so Ingmar Nitze. Mit
Lost Lakes stehen ihnen nun auch wissenschaftliche Echtzeit-Daten zur
Verfügung, die diese persönlichen Wahrnehmungen unterstützen, helfen die
weitere Umgebung zu beobachten und eventuell auch nötige Handlungsoptionen
besser planen zu können. „Um den Zugang zu erleichtern, haben wir ein
interaktives Dashboard aufgebaut. Mit dieser digitalen Übersicht können
Nutzerinnen und Nutzer räumliche Muster, langfristige Trends und aktuelle
Satellitenbilder für die Seen in ihrer Region oder anderen Gebieten
untersuchen.“

Lost Lakes zeigt, wie sich Seen in der Arktis seit 2016 deutlich verändert
haben

Die Plattform zeigt Daten von rund 4 Millionen Seen in nahezu Echtzeit
aber auch, wie sie sich seit 2016 entwickelt haben. Seit 2016 haben knapp
10.000 Seen eine beträchtliche Fläche verloren oder sind ganz
verschwunden. Dabei gibt es starke Schwankungen zwischen den Jahreszeiten.
Die meisten entleeren sich plötzlich kurz nach der Schneeschmelze und bis
zum Hochsommer zwischen Juni und Anfang August. Vor allem warme
Temperaturen und schneereiche Winter machen den Permafrostboden instabil
und durch das überschüssige Schmelzwasser können an den Seeufern seitliche
Durchbrüche entstehen, durch die das gesamte Wasser plötzlich abläuft und
ein vielleicht seit Jahrhunderten existierender See verschwindet. Vor
allem in den Sommern 2018, 2020 und 2022 sind außergewöhnlich viele Seen
verschwunden sind. Die wurde teils durch extrem warme und schneereiche
Winter davor begünstigt, welche den Boden für ein tieferes sommerliches
Auftauen und dann seitliches Auslaufen von Seen später im Sommer
vorbereiten.

Auch regional gibt es teilweise sehr große Unterschiede, weil die
Seendynamik sehr stark von Faktoren wie Klima, Untergrund oder die
Beschaffenheit des Permafrostes abhängt. „Wir haben ein
Untersuchungsgebiet in West-Alaska, die Seward Halbinsel, das sehr stark
betroffen ist und in dem in den letzten knapp 20 Jahren viele der größten
Seen verschwunden sind,“ sagt Ingmar Nitze. So sind beispielsweise im
Winter 2017/2018 insgesamt 192 Seen vollständig oder teilweise ausgelaufen
– fast doppelt so viele wie in den bisherigen Rekordjahren 2005 und 2006.
„Der Nordwesten Alaskas ist stark von sich verändernden Klimamustern
betroffen, wobei in den letzten Jahren neue Höchstwerte bei Temperaturen
und Niederschlägen verzeichnet wurden. Auch in diesem Jahr haben wir schon
ein paar auffällige Seen beobachtet, die gerade dabei sind zu
verschwinden.“

Um zuverlässige Aussagen anhand von Satellitenbildern machen zu können, ob
ein Thermokarstsee wirklich ausläuft, haben die AWI-Forschenden einen aus
Satellitendaten berechneten Werte-Index erstellt, mit dem sie
Beobachtungen entsprechend einordnen können. So ist es zum Beispiel sehr
wahrscheinlich, dass ein See Wasser verliert, wenn er auf den
Satellitenbildern deutlich kleiner ist als erwartet, oder wenn seine
Ausdehnung unter das absolute Minimum seit 2017 fällt. „Zusätzlich zur
Wasserfläche haben wir die multispektralen Satellitenbilder auch so
ausgewertet, dass wir Aussagen zum Oberflächenwasser, zur Schnee- und
Eisbedeckung, zu unbedeckten Böden und zur Vegetation machen können“,
erklärt Ingmar Nitze. „Mit LostLakes können wir für jeden See in der
arktischen Permafrostregion automatisiert und in nahezu Echtzeit erkennen,
ob plötzliche oder graduell anhaltende Wasserverluste nur temporäre
Anomalien sind oder tatsächlich das dauerhafte Ende eines Sees eingeleitet
wurde.“

Permafrost Discovery Gateway und PeTCaT

Die Entwicklung von „Lost Lakes“ ist Teil des „Permafrost Discovery
Gateway“ und die laufenden sowie zukünftigen Analysen werden als Teil des
Projekts „PeTCaT“ weitergeführt.

Das „Permafrost Discovery Gateway“ (PDG) ist eine frei zugängliche Online-
Plattform, die Informationen über die Permafrostbedingungen in der
gesamten Arktis zur Verfügung stellt. Sie stellt große räumliche
Datensätze und Arbeitswerkzeuge zur Verfügung, die die Menschen vor Ort,
Forschende und die breite Öffentlichkeit frei und in einfacher Weise
nutzen können. Seit 2023 arbeitet eine internationale Gruppe von
Expertinnen und Experten unter Beteiligung des AWI daran, ein KI-System
für das PDG zu entwickeln, mit dem das Auftauen des arktischen Permafrosts
noch schneller und effektiver untersucht werden kann. „Lost Lakes“ ist
Teil dieses Projekts, das von Google.org mit 5 Millionen US-Dollar
gefördert wird.

Das AWI leitet mit seiner Expertise in der Permafrostforschung in das
Projekt „Rapid Permafrost Thaw Carbon Trajectories“ (PeTCaT) ein. Ziel
ist, die Wissenslücken um schnelle Tauprozesse zu schließen und einen
neuartigen Datensatz als Grundlage für Projektionen aufzubauen, um
möglichen Entwicklungen und Einflüsse von Treibhausgasen aus tauendem
Permafrost zu zeigen. Das AWI arbeitet hierfür mit Forschenden aus
Deutschland, den USA, Kanada, den Niederlanden und Schweden zusammen.
Gefördert wird das Projekt mit 10 Millionen US-Dollar von der
gemeinnützigen Organisation Schmidt Sciences.