Zukünftige globale jährliche Verteilungen gefrorenen Bodens basierend auf dem Frost Number Model mit Kappa-Koeffizient

Warum der gefrorene Boden unter unseren Füßen wichtig ist

Tief unter dem Schnee und der Tundra der Arktis und hoch in Gebirgsketten vom Himalaya bis zu den Anden liegt Boden, der Jahr für Jahr gefroren bleibt. Diese verborgene Schicht, gefrorener Boden genannt, bindet Wasser, formt Landschaften, trägt Gebäude und Straßen und speichert enorme Mengen Kohlenstoff. Mit der Erwärmung des Planeten beginnt dieses gefrorene Fundament zu tauen, mit Folgen für Ökosysteme, Infrastruktur und Klima. Die hier zusammengefasste Studie liefert eine der detailliertesten Prognosen bisher darüber, wie sich der gefrorene Boden der Erde im restlichen Verlauf dieses Jahrhunderts verändern wird, und gibt Wissenschaftlern, Planern und Gemeinden einen klareren Blick auf das, was bevorsteht.

Ein genauerer Blick auf den gefrorenen Boden der Welt

Gefrorener Boden ist nicht einheitlich. Manche Böden oder Gesteine bleiben durchgängig mindestens zwei Jahre oder länger gefroren, andere Regionen frieren und tauen saisonal, und wieder andere frieren nur kurzzeitig. Zusammengenommen bedecken diese Formen gefrorenen Bodens derzeit einen großen Teil der Landfläche der Nordhalbkugel, einschließlich Sibirien, Alaska, Nordkanada, das hohe Tibetische Plateau, die Alpen und Teile der Anden. Wenn sich dieser gefrorene Boden verändert, kann das lokale Wasserversorgungssysteme stören, Hänge und Bauwerke destabilisieren und alten Kohlenstoff freisetzen, der das Klima weiter erwärmen könnte. Dennoch war es schwierig, exakt vorherzusagen, wo gefrorener Boden bestehen bleibt oder verschwindet, weil dies von feinen jahreszeitlichen Temperaturdetails abhängt und nicht nur davon, wie kalt die Winter werden.

Ein besseres Thermometer für das Unterirdische bauen

Die Autoren gehen dieses Problem an, indem sie ein vergleichsweise einfaches, aber leistungsfähiges Instrument verfeinern, das als Frost Number Model bekannt ist. Anstatt jeden physikalischen Prozess im Boden zu simulieren, nutzt dieses Modell, wie lange und wie stark die Luft jedes Jahr unter oder über dem Gefrierpunkt bleibt, um abzuschätzen, ob der Boden darunter gefroren bleibt. Ein zentrales Element ist eine numerische Grenze oder Schwelle, die entscheidet, wann ein Ort als dauerhaft, saisonal oder nur kurzzeitig gefroren gilt. Früher wurden solche Schwellen oft eher willkürlich gewählt, was die Genauigkeit einschränkte. In dieser Arbeit testeten die Forschenden systematisch viele mögliche Schwellenwerte gegen moderne, hochauflösende Karten des gefrorenen Bodens, die aus Satelliten-, Feldmessungen und anderen Daten erstellt wurden. Sie verwendeten ein statistisches Maß, den Kappa-Koeffizienten, um die Schwellen zu finden, die der Realität am besten entsprachen, und passten diese getrennt für hochnördliche Regionen und hochalpine Regionen sowie für die drei Hauptkategorien gefrorenen Bodens an.

Von Klimamodellen zu detaillierten Karten der Zukunft

Sobald die besten Schwellenwerte identifiziert waren, wandte sich das Team Klimaprojektionen der neuesten Generation globaler Modelle (CMIP6) zu. Anstatt die rohen Modelloutputs zu verwenden, stützten sie sich auf einen sorgfältig biaskorrigierten und heruntergebrochenen Datensatz, der tägliche Lufttemperaturen auf einem feinen globalen Gitter von etwa einem Viertel Grad Auflösung liefert. Von 1950 bis 2099 berechneten sie für jede Gitterzelle jährliche Gefrier- und Tauindizes, wandelten diese in einen Frostindikator um und klassifizierten so jeden Ort als perennially frozen (dauerhaft gefroren), seasonally frozen (saisonal gefroren), intermittently frozen (zeitweise gefroren) oder unfrozen (ungefähr oder nicht gefroren). Diesen Prozess wiederholten sie unter vier unterschiedlichen zukünftigen Szenarien, die von starken Emissionsminderungen bis hin zu einem hohen Emissionspfad mit begrenzter Minderung reichen, und erstellten damit einen vollständigen Satz jährlicher globaler Karten, die jetzt öffentlich verfügbar sind.

Was die Karten über eine wärmere Welt offenbaren

Das Bild, das sich ergibt, ist deutlich. Unabhängig vom betrachteten Zukunftspfad schrumpfen Flächen mit lang anhaltend gefrorenem Boden im Laufe des Jahrhunderts deutlich, während Regionen, die nur saisonal oder kurzzeitig frieren, zunehmen. Bis zur Jahrhundertmitte taut je nach Szenario etwa ein Fünftel bis nahezu ein Drittel des heutigen dauerhaft gefrorenen Geländes auf. Gegen Ende des Jahrhunderts wachsen die Verluste weiter: Unter dem höchstmöglichen Emissionspfad verschwindet rund drei Fünftel des globalen dauerhaft gefrorenen Bodens. Die dramatischsten Veränderungen treten entlang der südlichen Ränder des heutigen arktischen Permafrostgürtels und in hochalpinen Regionen wie dem Tibetischen Plateau auf, wo ein Großteil des lang gefrorenen Bodens in nur saisonal gefrorene Böden übergeht. Niedrigere Emissionsszenarien zeigen weiterhin erhebliche Verluste, doch das Rückzugs tempo ist langsamer und die verbliebenen gefrorenen Flächen sind größer.

Die neuen Karten nutzen, um sich auf Veränderungen vorzubereiten

Um die Vertrauenswürdigkeit ihres Ansatzes zu sichern, verglichen die Autoren ihre historischen Rekonstruktionen mit mehreren unabhängigen Karten des gefrorenen Bodens für Russland, Kanada und die weitere Arktis und fanden starke Übereinstimmung bezüglich Fläche und räumlicher Muster. Da der resultierende Datensatz die gesamte Erde in relativ hoher Auflösung und über 150 Jahre abdeckt, kann er nun als gemeinsame Referenz für viele Studien dienen. Hydrologen können ihn verwenden, um zu untersuchen, wie sich Flussläufe und Grundwasser verändern könnten; Ökologen können prüfen, wie veränderte Frost‑Taumuster Vegetation und Tierwelt beeinflussen; Ingenieure können ermitteln, wo Straßen, Pipelines und Gebäude am stärksten gefährdet sind; und Klimawissenschaftler können besser abschätzen, wie viel Kohlenstoff durch das Auftauen von Böden freigesetzt werden könnte. Für Nicht‑Fachleute ist die Hauptbotschaft klar: Gefrorener Boden ist keine ferne Kuriosität unter der Polartundra. Er ist ein fragiles, klimasensitives Fundament unseres Planeten, das sich bereits verändert, und unsere Entscheidungen über künftige Emissionen werden stark beeinflussen, wie viel davon erhalten bleibt.

Zitation: Pan, X., Li, H. & Nie, X. Future global annual frozen ground distribution datasets based on Frost Number Model with Kappa coefficient. Sci Data 13, 561 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06918-9

Schlüsselwörter: Permafrost, gefrorener Boden, Klimawandel, Arktische Erwärmung, Tibetisches Plateau