Dauerhaft gefrorener Boden hat nicht zwangsläufig etwas mit Eis und Schnee zu tun. Er kann bis zu 30 Prozent Eis enthalten oder gar keines, von einer Schneedecke überzogen sein oder auch nicht. Von Permafrost spricht man immer dann, wenn ein Boden über mindestens zwei Jahre hinweg eine Temperatur von null Grad Celsius oder weniger hat. In erster Linie erfolgt die Definition demnach über die Temperatur, das Eis ist lediglich eine Folgeerscheinung.

Permafrostanschnitt an der Küste © Geological Survey Canada

Nicht nur Lufttemperaturen unter Null braucht der Permafrost um zu existieren. Es kommt auch darauf an, wie stark die Sonneneinstrahlung ist oder aus welchem Material sich der Boden zusammensetzt. Ein dunkler Boden zum Beispiel erhitzt sich schneller, wenn er von der Sonne beschienen wird; grobe Gesteinsbrocken im Boden leiten die Kälte besser in den Boden hinein und bieten größeren Porenraum für Wasser, das zu Eis gefriert und den Boden weiter auskühlt. Auch Pflanzen und Schnee haben einen großen Einfluss auf die Bodentemperaturen. Eine Torfmoosschicht wirkt isolierend im Sommer und kühlend im Winter. Mächtige Schneedecken können die starke Abkühlung des Bodens verhindern. Setzt der Schneefall jedoch spät ein und hält sich eine dünne Schneedecke bis weit in die Sommermonate, begünstigt dies den Bodenfrost. So entsteht ein Flickenteppich aus lokal sehr unterschiedlichen Permafrostböden.

Es handelt sich bei Permafrostböden nicht um kompakte, von der Oberfläche bis in die Tiefe gefrorene Blöcke. Vielmehr setzen sie sich aus drei sehr verschiedenen Schichten zusammen: Dem Auftauboden direkt an der Oberfläche, dem eigentlichen Permafrost oder auch Dauerfrostboden genannt darunter und zuletzt dem Niefrostboden.

Der Auftauboden oder "active layer" wird von den jahreszeitlichen (in Subpolarzonen) oder tageszeitlichen (in außerpolaren Hochgebirgen) Temperaturschwankungen am stärksten beeinflusst. Bei Temperaturen unter Null friert der active layer, ist es wärmer, taut er auf. Je nachdem welche klimatischen oder lokalen Bedingungen vorherrschen, kann der Auftauboden nur wenige Zentimeter oder aber mehrere Meter dick sein. Durch den Wechsel von Frieren und Tauen ist diese Schicht tatsächlich ausgesprochen "aktiv". Sie sorgt für ausgefallene Oberflächenstrukturen und macht Pflanzenwuchs im Permafrost überhaupt erst möglich.

Schmelzwasser aus der Auftauschicht kann nicht versickern, weil sich unterhalb direkt der dauerhaft gefrorene Boden anschließt. Es staut sich auf der Grenzschicht, dem so genannten Permafrostspiegel, und lässt den Boden versumpfen und Schmelzwassertümpel entstehen.

Der eigentliche Dauerfrostblock ist nicht einheitlich sondern besteht aus zwei Bereichen: Im oberen Teil, der bis zu 20 Meter mächtig sein kann, machen sich Temperaturschwankungen noch bemerkbar. Man nennt ihn deshalb auch "thermoaktive Schicht". Konstante Temperaturen bestimmen jedoch den Rest des Dauerfrostbodens, die "isothermische Permafrosttafel".

Noch tiefer in der Erde stößt man auf den Niefrostboden. Durch die geothermische Energie aus dem Erdinneren nimmt die Temperatur mit der Tiefe wieder zu und überschreitet schließlich die 0° Celsius-Grenze.