Arktische Flüsse rosten: Das Phänomen alarmiert Wissenschaftler in Alaska
In Alaska färben sich Flüsse leuchtend orange – ein überraschendes Phänomen, das Wissenschaftler alarmiert, die bereits eine Theorie haben, die diese Oxidation erklären könnte.
In den letzten Jahren haben sich Dutzende von Wasserwegen in der Brooks Range, einer abgelegenen und unberührten Ecke im Norden Alaskas, von kristallklarem Blau zu trübem Orange verfärbt, was sogar aus der Luft sichtbar ist. Forscher, die über das Gebiet flogen und segelten und ursprünglich etwas anderes untersuchten – das langsame Vordringen von Bäumen in die ehemalige Tundra, ein Anzeichen für den raschen Klimawandel –, waren überrascht, als sie entdeckten, dass offenbar Eisen aus den Flüssen sickerte, und konzentrierten ihre Untersuchungen darauf.
Feldanalysen ergaben hohe Konzentrationen gelöster Metalle, darunter Eisen, Aluminium, Cadmium und in einigen Fällen Zink, sowie sehr niedrige pH-Werte (um 2–3), Bedingungen, die für Wasserlebewesen giftig sind. Das Phänomen wurde bereits in mehr als 75 Flüssen und Bächen beobachtet, und Hunderte von „sauren Quellen”, die Mineralien in Feuchtgebiete und Wasserwege auslaugen, wurden identifiziert.
Die Hypothese der fluoreszierenden orangefarbenen Flüsse in der Arktis
Forschern zufolge führt die Erwärmung der Arktis dazu, dass der Permafrostboden auftaut und sulfidreiche Gesteine (wie Pyrit) Sauerstoff und Wasser ausgesetzt werden. Diese Kombination löst Reaktionen aus, bei denen Schwefelsäure entsteht und Metalle freigesetzt werden, wobei Eisen oxidiert und als orangefarbene Hydroxide ausfällt, die das Wasser trüben und sich auf Flussbetten und Ufern ablagern.
Dieser „natürliche Rost“ kann sich über Kilometer hinweg ausbreiten und die Wasserqualität sowie wichtige Lebensräume für Fische und Makroinvertebraten beeinträchtigen, von denen lokale Gemeinschaften und Wildtiere abhängig sind. In mehreren Abschnitten erreichte die Menge an gelöstem Metall Werte, die für Industrieabwässer typisch sind, was die Bedenken hinsichtlich ökologischer Auswirkungen und Risiken für die Wasserversorgung verstärkte.
Wenn sulfidhaltige Gesteine zum ersten Mal mit Luft und Wasser in Kontakt kommen, oxidiert der Schwefel und bildet Säure, wodurch der pH-Wert sinkt. In dieser sauren Umgebung lösen sich eisenhaltige Mineralien leichter auf.
Die Chemie der Oxidation: Eisen, Pyrit und extreme Säure
Das freigesetzte Eisen fließt als Fe(II) und Fe(III) stromabwärts; wenn es mit Sauerstoff reagiert und der pH-Wert steigt (aufgrund der Vermischung mit weniger saurem Wasser), fällt es als intensiv orangefarbene Eisenoxide und -hydroxide aus, der sichtbare „Rost“.
Geologen und Biogeochemiker vergleichen diesen Prozess mit einer natürlichen sauren Bergbauversickerung, die nicht durch den Bergbau, sondern durch das Auftauen des Permafrostbodens verursacht wird und die Hydrologie verändert und vor Jahrtausenden entstandene Pyritvorkommen freilegt. Es handelt sich um eine schnelle und anhaltende chemische Veränderung, die die Chemie ganzer Flüsse innerhalb weniger Jahreszeiten verändern kann.
Säure mobilisiert nicht nur Eisen, sondern transportiert auch andere Metalle (wie Aluminium und Cadmium), die die Physiologie von Fischen und benthischen Organismen beeinträchtigen. An mehreren untersuchten Standorten dokumentierten die Forscher eine starke Verschlechterung der Lebensräume und Ereignisse, die mit einem lokalen Zusammenbruch der Fischpopulationen einhergingen, was eine Kettenreaktion im gesamten Nahrungsnetz (einschließlich Raubtieren wie Bären) auslöste. Das Forschungsteam kartierte außerdem mehr als 500 saure Quellen in der Tundra, die als lokale „Fabriken” für saures Wasser und Metalle fungieren und mit dem Entwässerungsnetz verbunden sind.
Einfrieren beschleunigt die Freisetzung von Eisen
Um zu verstehen, warum sich dieses Problem in kalten Regionen verschärft, muss man einen wichtigen Aspekt berücksichtigen: Die Chemie im Eis verhält sich anders als die in flüssigem Wasser. Laborversuche von D. Jeong et al. haben gezeigt, dass sich die Auflösung von im Eis eingeschlossenen Eisenoxiden bei saurem pH-Wert (2–4) im Vergleich zur flüssigen Phase selbst im Dunkeln deutlich beschleunigt.
Der vorherrschende Mechanismus ist der „Einfrierungskonzentrationseffekt”: Bei der Eisbildung werden gelöste Stoffe (Protonen, organische Liganden und die Partikel selbst) aus dem Kristall ausgeschlossen und konzentrieren sich in Mikrolagen oder Korngrenzen mit flüssigem Wasser.
Um dies besser zu verstehen, stellen Sie sich Eis nicht als einen einheitlichen festen Block vor, sondern mit kleinen flüssigen Grenzen oder Wegen zwischen seinen Kristallen, selbst bei Temperaturen unter Null. Wenn Wasser gefriert, werden nicht alle Bestandteile in die Kristallstruktur des Eises integriert. Stattdessen konzentrieren sich Eisenoxidpartikel, organische Liganden (organische Moleküle, die sich an Eisen binden können) und Protonen (Wasserstoffionen, die den Säuregehalt erhöhen) in diesen kleinen flüssigen Bereichen. Da all diese Elemente auf engstem Raum zusammengepfercht sind, verstärken sich ihre Wechselwirkungen, was die Auflösung der Eisenoxide erheblich beschleunigt.
Darüber hinaus zeigt die Forschung, dass dieser verstärkte Auflösungseffekt mit sinkender Gefriertemperatur von -10 °C auf -196 °C zunehmend abnimmt. Dies deutet darauf hin, dass die Existenz und Bildung dieser flüssigen Bereiche an den Grenzen der Eiskörner für diesen Prozess absolut unerlässlich sind. Bei extrem niedrigen Temperaturen werden diese flüssigen Bereiche weniger ausgeprägt oder verschwinden ganz, wodurch der Konzentrationseffekt abnimmt.
Insgesamt stützen diese Erkenntnisse die Annahme, dass Frost-Tau-Zyklen in kalten Böden die Mobilisierung von Eisen aus Oxiden und Sulfiden in das Porenwasser und anschließend in Wasserläufe begünstigen. Genau diese Art von Permafrost-Auftauszenario tritt in der Arktis immer häufiger auf.
Vom Labor zur Landschaft: ein sich veränderndes und sich selbst verstärkendes System
In Alaska verstärkt die Erwärmung die Frost-Tau-Zyklen und vertieft die aktive Schicht (die saisonal aufgetaute oberste Schicht), sodass Wasser in Bereiche vordringen kann, die zuvor durch mehrjähriges Eis versiegelt waren. Die neu freigelegten Mineralien konzentrieren sich erneut in Mikro-Flüssigkeitstaschen innerhalb des Eises und setzen beim Auftauen Eisen und Säure in die Entwässerungsnetze frei. Dieser Säureimpuls mobilisiert weitere Metalle und oxidiert Eisen, was die orange Farbe stromabwärts verstärkt. Mehrere Fachleute warnen, dass dieser Kreislauf nur schwer umzukehren ist: Sobald sich die Mineralien aufgelöst haben und das System seine feste „Reserve” verloren hat, erholt es sich nicht schnell wieder.
Die Verfärbung ist daher das sichtbare Zeichen einer tiefergehenden geochemischen Veränderung, die mit dem Klima voranschreitet. Für Gemeinden, die von diesen Flüssen abhängig sind, sind die Herausforderungen praktisch und dringend. Die herkömmliche Behandlung von saurem Grubenwasser (üblich im Bergbau) ist teuer und für Punktquellen ausgelegt, nicht für Dutzende von diffusen Quellen in abgelegenen Wassereinzugsgebieten. Wenn der pH-Wert unter 5 fällt und dort bleibt, können viele Arten diese Bedingungen nicht tolerieren, was die Subsistenzfischerei und die Ökosystemleistungen gefährdet.
Die derzeitige wissenschaftliche Priorität besteht darin, die Überwachung zu konsolidieren, Basisdaten zu erheben und die räumliche und zeitliche Variabilität des sauren Auftriebs und dessen Zusammenhang mit der Permafrostdynamik zu verstehen, um vorherzusagen, wo und wann neue Episoden auftreten könnten.
Quellenhinweis:
Jeong, D., Kim, K., Choi, W. "Accelerated dissolution of iron oxides in ice". Atmospheric Chemistry and Physics 12:11125–11133. (2012).
Parshley, L., et al. "Why are Alaska’s rivers turning bright orange? Scientists have a theory. National Geographic. (2025).