KLIMA-MEDIA.de Pressespiegel & Infoblog

Ein starker Temperaturabfall hat vor 137 Millionen Jahren das ausgeglichene, warme Klima der Kreidezeit kurz unterbrochen.

Glendonit von Spitzbergen aus dem Valanginium – Foto: Dr. Elizabeth Nunn

Die Wassertemperatur im Arktischen Ozean fiel von etwa 13 Grad auf 4 bis 7 Grad Celsius ab, sodass eventuell sogar die Pole vereisten. Gregory Price von der University of Plymouth und Elizabeth Nunn von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben Gesteinsproben mit Belemniten und fossilen Glendoniten aus Spitzbergen untersucht, um die Temperatur des Arktischen Ozeans vor 140 bis 136 Millionen Jahren zu ermitteln. Die Rekonstruktion des Paläoklimas hilft dabei, die Prognosen über die zukünftige Klima- und Umweltentwicklung zu verbessern und den Einfluss des Menschen auf das Klima abzuschätzen. Die Temperatur der Ozeane spielt für die Klimageschichte eine wichtige Rolle.

Nach bisherigen Erkenntnissen herrschte in der Kreidezeit ein global ausgeglichenes, warmes Klima mit hohen CO2-Werten, wobei auch schon immer wieder über kältere Perioden spekuliert worden war. Die jetzige Untersuchung der beiden Wissenschaftler belegt einen kurzen Kälteeinbruch vor 137 Millionen Jahren. „Es ist richtig kalt geworden, wenn wir es mit der durchschnittlichen Wassertemperatur in den arktischen Bereichen von 13 Grad oder vielleicht sogar 20 Grad vergleichen“, sagt Nunn. Während der Kreide-Warmzeit besiedelten Dinosaurier auch die Polarregion. Während marine Reptilien wie Pliosaurus und Ichtyosaurus bei Kälteeinbruch möglicherweise migrierten, ist unklar, wie Dinosaurier mit den kälteren Bedingungen klargekommen sind.

In ihrer Arbeit haben Nunn und Price Gesteine auf Spitzbergen untersucht, die für Paläontologen eine ideale Abfolge von Meeresablagerungen der damaligen Zeit offenlegen, als das Gebiet noch ein flaches Meer war. Einige Gesteinsschichten aus dem Valanginium der Unterkreide sind reich an Belemniten, also Fossilien, die unseren heutigen Tintenfischen ähneln, und fossilen Glendoniten, zwei bis drei Zentimeter großen Kristallen aus Kalziumkarbonat. An diesen Relikten können die Wissenschaftler das Verhältnis zweier Sauerstoffisotope bestimmen und daraus Rückschlüsse auf die Wassertemperatur ziehen. „Wird es kälter, dann wird das Sauerstoffisotop 16 vermehrt im Eis eingeschlossen und das Isotop 18 reichert sich relativ zum Isotop 16 im Meerwasser an. Dieses Verhältnis speichern Belemniten und Glendonite ab“, so Nunn.

Dr. Elizabeth Nunn kam vor zweieinhalb Jahren von der University of Plymouth an das Department für Angewandte und Analytische Paläontologie des Instituts für Geowissenschaften. Zurzeit untersucht die Wissenschaftlerin, ob und inwieweit es auch saisonale Temperaturveränderungen gegeben hat. Solche Wechsel von Sommer zu Winter oder umgekehrt hätten sich während der kurzen Lebenszeit der Belemniten – sie lebten wahrscheinlich nur ein bis drei Jahre – niedergeschlagen und könnten mit der heutigen analytischen Methodik ermittelt werden.

Nach den verheerenden Bränden in Russland macht der NABU auf die alarmierenden Folgen für das Weltklima aufmerksam.

Ein feuchtes Moor kann nicht brennen – Foto: Dohduhdah / Wikipedia

Nach Schätzungen von Prof. Florian Siegert vom GeoBio-Center der Ludwig-Maximilians-Universität in München könnten allein durch die Torfbrände in Russland zwischen 30 und 100 Millionen Tonnen klimaschädliches Kohlendioxid entstanden sein. Das entspricht in etwa vier bis zwölf Prozent der CO2-Jahresemission Deutschlands. Diese erste Auswertung basiert auf zunächst gering aufgelösten Satellitendaten. Um das gesamte Ausmaß der Katastrophe detailliert zu erfassen bedarf es dringend weiterer Forschung. Thomas Tennhardt, NABU-Vizepräsident und Leiter des Fachbereichs Internationales: „Die Torfbrände hatten nicht nur schlimme Auswirkungen für die Menschen und Tiere in der Region. Die Gefahr für das Klima wird durch die freigesetzten Rußpartikel noch verstärkt. Sie halten sich sehr lang in der Atmosphäre und können bis zur Arktis getragen werden, wo sie die Eisschmelze weiter beschleunigen.“

Wochenlang brannten im Umland von Moskau nicht nur Wälder, sondern auch Torfmoore. Die dadurch entstandene extreme Feinstaubbelastung kostete vermutlich Tausende von Menschen das Leben. Der dichte Qualm aus brennenden Mooren enthält große Mengen des äußerst gefährlichen Kohlenstoffmonoxids und klimaschädliches Kohlendioxid. Die daraus resultierende Schadstoffbelastung ist um ein Vielfaches höher als die aus brennenden Wäldern. Die russischen Torfmoore wurden seit den dreißiger Jahren flächendeckend für eine wirtschaftliche Nutzung trockengelegt. Um das Entstehen von Torfbränden künftig zu verhindern und die Funktionstüchtigkeit dieser Ökosysteme zu sichern, müssen die ehemaligen Torfmoore wieder vernässt werden.

Aus NABU-Sicht ist es daher notwendig, in den betroffenen Regionen in Russland ein Konzept zur Wiederherstellung der Moore zu starten. Dies schließt nicht zwangsläufig eine weitere Nutzung aus. Felix Grützmacher, NABU-Referent für Moorschutz: „In Deutschland zeigen solche Projekte bereits vielversprechende Ergebnisse. Bei der wirtschaftlichen Nutzung von zum Beispiel Schilf als Brenn- oder Baustoff kann der Boden nass bleiben und die Gefahr von Feuern ist gebannt. Dies wäre nicht nur ein Beitrag für den Klimaschutz, sondern hätte positive Effekte für viele Tier- und Pflanzenarten.

Wird das Eis auf dem Nordpolarmeer immer dünner? Forschungsflugzeug Polar 5 misst Meereiseisdicke nördlich von Grönland.

Die Polar 5 auf dem Eis vor dem Start zu einem Messflug – (c) Johannes Käßbohrer / AWI

Die Meereisausdehnung in der Arktis wird im September ihr jährliches Minimum erreichen. Prognosen lassen vermuten, dass es nicht so gering ausfallen wird wie im Jahr 2007, dem Jahr der geringsten Ausdehnung seit Satelliten diese aufzeichnen. Meereisphysiker vom Alfred-Wegener-Institut sorgen sich trotzdem um das langjährige Gleichgewicht im Nordpolarmeer. Sie haben Indizien dafür, dass die Masse des Meereises schwindet, weil seine Dicke abnimmt. Um dies zu belegen, messen sie derzeit die Eisdicke nördlich und östlich von Grönland mit dem Forschungsflugzeug Polar 5. Ziel der gut einwöchigen Kampagne ist es, den Export von Meereis aus der Arktis zu bestimmen. Hierüber findet etwa ein Drittel bis die Hälfte des Süßwasserexports aus dem Nordpolarmeer statt – ein wichtiger Antriebsfaktor im globalen Ozeanströmungssystem.

Die Frage, wann die Arktis im Sommer eisfrei sein wird, beschäftigt die Meereismodellierer um Prof. Dr. Rüdiger Gerdes vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft schon seit längerem. Satelliten erfassen die Ausdehnung des arktischen Eises seit mehr als 30 Jahren. Für die Bilanz, wie viel Meereis es gibt, ist neben der flächigen Ausdehnung auch die Dicke des Eises entscheidend. Diese lässt sich bisher jedoch nur vor Ort bestimmen: Beispielsweise mit Hilfe des so genannten EM-Bird, einem elektromagnetischen Messgerät, das Helikopter oder Flugzeuge in geringer Höhe über das Eis schleppen. Für Gerdes eine ganz besondere Aufgabe, denn gewöhnlich modelliert er seine Prognosen am heimischen Computer. Die Messkampagne mit dem Forschungsflugzeug Polar 5 des Alfred-Wegener-Instituts führt ihn jetzt erstmalig auf Expedition in die Arktis. „Ich bin sehr gespannt auf die Ergebnisse der Eisdickenmessungen“, so Gerdes. „Nur wenn wir wissen, wie das Eis unterschiedlicher Dicken verteilt ist, können wir berechnen, wie viel Süßwasser aus dem Nordpolarmeer über Eis abtransportiert wird.“

Ungefähr 3000 Kubikkilometer Eis driften jährlich aus dem Nordpolarmeer, das entspricht etwa 2700 Milliarden Tonnen. Das Eis exportiert Süßwasser, das über Flüsse und durch Niederschläge ins Nordpolarmeer gelangt. So wird dessen Salzgehalt aufrechterhalten, der langfristig konstant war. Der weltweit beobachtete Temperaturanstieg ist in den arktischen Breiten besonders ausgeprägt. Seit mehreren Jahren beobachten Forscher, dass das Eis immer dünner wird. Dadurch speichert und exportiert es weniger Süßwasser, und der Salzgehalt (auch als Salinität bezeichnet) des Arktischen Ozeans nimmt ab. Dies beeinflusst einerseits alle Lebewesen, die sich an die Bedingungen angepasst haben. Andererseits wirken sich Änderungen in der Salinität auch auf Strömungsmuster der globalen Ozeanzirkulation und damit den meridionalen Wärmetransport aus. Bei der Messkampagne TIFAX (Thick Ice Feeding Arctic Export) interessiert die Wissenschaftler besonders das mehrere Meter dicke, mehrjährige Eis, das vor allem an der Nordküste Grönlands vorkommt. „Hier von Station Nord aus die Messflüge zu starten, ist ein besonderes Abenteuer“, berichtet Gerdes von einer der nördlichsten Messstationen der Welt. „Mit dem hoch technisierten Forschungsflugzeug durch nahezu unbesiedelte Gebiete der Arktis zu fliegen ist ein starker Kontrast zu meiner Modellierungsarbeit am Computer.“

Wissenschaftler der Universität Trier wollen einen bedeutenden Beitrag zum Verständnis des Klimasystems in der Arktis leisten.

Die Polar 5 auf dem Eis – (c) Johannes Käßbohrer / AWI

Dazu wurde eine dreiwöchige Messkampagne im Rahmen des Trierer Projekts IKAPOS unter der Leitung von Prof. Günther Heinemann (Umweltmeteorologie) in Nordgrönland durchgeführt. Mit dem speziell für meteorologische Messungen instrumentierten Forschungsflugzeug „POLAR 5“ wurden bei Flügen über Gletschern in Nord- und Westgrönland sowie über Meereis und Ozean im Bereich der Nares-Straße zwischen Kanada und Grönland Messdaten erhoben. Die Expeditionsbasis befand sich im Inuit-Dorf Qaanaaq, in dem 600 Einwohner leben. Hauptziel der Messungen war die quantitative Erfassung von Austauschprozessen zwischen Eis- bzw. Ozeanoberfächen und der Atmosphäre.
Die Messungen dienen zum Verständnis des arktischen Klimasystems und der Klimamodellierung in polaren Regionen. Die Flugzeugmessungen wurden durch das Alfred-Wegener-Institut gefördert, die Auswertungen finden im Rahmen eines Projekts der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) statt und werden etwa zwei Jahre dauern.

Forscher wollen Rückschlüsse auf Klimabedingungen und Höhe des Meeresspiegels in der letzten Warmzeit ziehen.

Eislabor in sechs Metern Tiefe im grönländischen Eis – Foto: S. Kipfstuhl / AWI

Ende Juli hat die Eiskerntiefbohrung NEEM (North Greenland Eemian Ice drilling) auf dem grönländischen Eisschild das Felsbett in einer Tiefe von 2537,36 Metern erreicht. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 14 Ländern sind am NEEM-Projekt beteiligt. Es ist das Eiskernbohrprojekt mit der bisher größten internationalen Beteiligung. Ein großes Ziel bestand darin, erstmals grönländisches Eis aus der kompletten letzten Warmzeit zu erbohren, dem Eem-Erdzeitalter, das von etwa 130.000 bis 115.000 Jahren vor heute dauerte. Dies ist dem internationalen Forscherteam jetzt nach fünf Jahren Projektlaufzeit gelungen. Sie konnten darüber hinaus sogar Material der davor liegenden Eiszeit bergen. In den beiden untersten Metern direkt über dem Felsbett enthielt der Eiskern Gesteins- und anderes Material aus einer Zeit, in der Grönland eisfrei war.

„Wir erwarten, dass sowohl genetisches Material als auch Pollen im Eis zu finden sind und uns mehr über die Pflanzen erzählen, die auf Grönland vor vielleicht mehr als drei Millionen Jahren lebten, bevor Grönland vereiste“, erläutert die Projektleiterin Prof. Dorthe Dahl-Jensen vom Niels-Bohr-Institut an der Universität Kopenhagen. „Das Eem ist deshalb so bedeutsam, da es zu der Zeit drei bis fünf Grad Celsius wärmer war als heute. Der Meeresspiegel lag damals fünf Meter höher. Daher erlaubt die Eem-Warmzeit den besten Vergleich mit möglichen zukünftigen Klimazuständen“, berichtet Prof. Dr. Heinrich Miller vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft, der die deutsche Beteiligung am Projekt koordiniert.

Mehr als 300 Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen haben in den letzten Jahren im NEEM-Camp gearbeitet, insbesondere auch viele junge Nachwuchswissenschaftler. Sie untersuchen schnelle Klimaschwankungen mit Hilfe modernster Techniken. So werden aus den stabilen Isotopen in Wassermolekülen die Temperaturänderungen und die Feuchtigkeitsquellen vergangener Zeiten abgeleitet. Die in den Luftbläschen im Eis eingeschlossenen Treibhausgase und biologischen Spurenstoffe lassen uns die natürliche Variabilität und Rückkopplungsprozesse im Kohlenstoffkreislauf besser verstehen. Mittels spezieller und entlang des Eiskerns kontinuierlicher Analyseverfahren lösen die Wissenschaftler sogar Jahresschwankungen im Klima auf.

Die Messungen und Analysen erfolgen vor Ort in einem Tunnel sechs Meter unter der Schneeoberfläche. Er gehört zum NEEM-Camp, einem der am schwersten zugänglichen Orte auf dem grönländischen Inlandeis. Neueste Laserinstrumente für die Bestimmung der Wasserisotope und Treibhausgase, die kontinuierliche Schmelzwasseranalyse von gleichzeitig mehr als zehn Spurenstoffen und modernste Geräte zur Untersuchung der Eiskristalle zählen zu den eindrucksvollsten Geräten.

Hauptziel des NEEM-Projektes ist es, mehr über die Eem-Warmzeit zu lernen, die in vielerlei Hinsicht dem wärmeren Klima gleicht, das uns in naher Zukunft erwartet. Der Blick in die Vergangenheit gibt Antworten auf grundlegende Fragen, die auch für unser künftiges Klima von größter Bedeutung sind:

• Wie groß war die grönländische Eiskappe vor 120.000 Jahren, als die globale Temperatur zwei bis drei Grad über der heutigen lag?
• Wie viel trug das Abschmelzen der grönländischen Eiskappe zum Anstieg des Meeresspiegels bei?
• Wie schnell erfolgte der Meeresspiegelanstieg?

„Die Ergebnisse von NEEM tragen zukünftig dazu bei, Klimaprognosen zu verbessern, vor allem aber unsere Vorhersagen über die Geschwindigkeit und die Höhe des Meeresspiegelanstiegs einzugrenzen“, betont Miller die Bedeutung des NEEM-Projekts.

Teile der Arktis haben sich im letzten Jahrhundert deutlich abgekühlt. Seit 1990 steigen die Temperaturen jedoch auch dort stark an.

Probenentnahme an Baum auf Halbinsel Kola in NW-Russland – Foto: Michael Friedrich / Institut für Botanik, Uni Hohenheim

Das geht aus einer Rekonstruktion der Sommertemperaturen der letzten 400 Jahre mit Hilfe von Baumringen aus Regionen nördlich des Polarkreises hervor. Dazu analysierten deutsche und russische Forscher das Baumwachstum mit Hilfe von Jahresringen von der russischen Kola-Halbinsel und verglichen es mit drei ähnlichen Untersuchungen von anderen Orten in der Arktis.

Seit dem Jahre 1600 hat die rekonstruierte Sommertemperatur auf Kola in den Monaten Juli und August zwischen 10,4°C (1709) und 14,7°C (1957) gelegen – bei einem Mittelwert von 12,2°C über die letzten 400 Jahre. Nach einer Phase der Abkühlung ist seit 1990 ein anhaltender Erwärmungstrend beobachtbar. „Die Daten deuten auf einen starken Einfluss der Sonnenaktivität auf die Sommertemperaturentwicklung hin, der allerdings seit 1990 von anderen Faktoren überlagert wird“, schreiben Wissenschaftler der Moskauer Instituts für Geographie, der Universität Hohenheim und des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) im Fachblatt Arctic, Antarctic and Alpine Research.

Für die Untersuchungen verwendeten die Forscher Holzproben von insgesamt 69 Waldkiefern (Pinus sylvestris) aus dem Khibiny-Gebirge auf der Kola-Halbinsel unweit der Grenze zu Finnland zwischen dem Polarkreis und dem Nordmeerhafen Murmansk. Die Untersuchungsregion befindet sich in der Übergangszone zwischen dem von Golf- bzw. Nordatlanikstrom geprägten Skandinavien und den kontinentalen Gebieten Eurasien. Diese Grenzlage macht diese Region besonders interessant für klimatologische Studien.

Auf Kola herrscht ein kalt-gemäßigtes Klima mit langen, mittelkalten Wintern und kalten feuchten Sommern. Die Temperatur schwankt in diesem Teil der Arktis im Mittel zwischen -12°C im Januar und +13°C im Juli, bei einer Wachstumsphase für die Bäume von nur 60 bis 80 Tagen. Die Vegetation an den nördlichen Ausläufern der Taiga wird von Fichten, Kiefern und Birken geprägt. Die Proben stammten von drei Standorten in Khibiny Gebirge in der Nähe der heutigen Höhenbaumgrenze zwischen 250 und 450m über dem Meeresspiegel. Die geografische (nördliche) Baumgrenze verläuft etwa 100 Kilometer weiter nördlich. In früheren Studien konnten die Forscher um Tatjana Böttger vom UFZ zeigen, dass die Kiefernwälder auf der Kola-Halbinsel vor 7000 bis 3500 Jahren bereits ca. 50 Kilometer weiter im Vergleich zu Ihrer heutigen nördlichen Position nach Norden reichten. Für diese Studie haben die Forscher jedoch Bäume von der Höhen-Baumgrenze verwendet, da diese sehr sensibel auf Temperaturschwankungen reagieren und besonders aussagekräftig sind wie auch US-Amerikanische Forscher im November 2009 im Fachblatt PNAS demonstrierten als sie mit Hilfe einer langlebigen Kiefernart in Kalifornien und Nevada nachwiesen, dass diese Bäume in den letzten 50 der vergangenen 3500 Jahre aufgrund von gestiegenen Temperaturen besonders stark gewachsen waren.
Im Institut für Botanik der Universität Hohenheim in Stuttgart maßen die deutschen Forscher die Breite der einzelnen Jahresringe. Die Kalibrierung der Jahresringchronologien mit Hilfe der meteorologischen Wetteraufzeichnungen der letzten 127 Jahre und die Auswertung der Ergebnisse erfolgte zusammen mit dem Institut für Geographie der Russischen Akademie der Wissenschaften (RAW) in Moskau und dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Halle. „Neben Temperatur, hängt das Wachstum stark auch von nichtklimatischen Faktoren wie Licht, Nährstoffen, Wasserversorgung und Konkurrenz zu anderen Bäumen ab. Es ist daher entscheidend, diese Trends zu isolieren, um das möglichst reine Klimasignal zu erhalten“, erklärt Yury M. Kononov von der RAW in Moskau.

Nach der Rekonstruktion der Sommertemperaturen auf der Kola-Halbinsel verglichen die Forscher ihre Ergebnisse mit ähnlichen Untersuchungen an Baumringen aus dem schwedischen Lappland sowie von der Yamal- und Taimyr-Halbinsel im sibirischen Teil Russlands, die bereits 2002 im Fachblatt Holocene veröffentlicht worden waren. Die rekonstruierten Sommertemperaturen der letzten vier Jahrhunderte ähneln sich zwischen Lappland, der Kola- und Taimyr-Halbinsel insofern, dass alle drei Datenreihen ein Temperaturmaximum in der Mitte des 20. Jahrhunderts zeigen, auf das eine Abkühlung um ein bis zwei Grad folgte. Lediglich die Datenreihe der Yamal-Halbinsel erreichte ihr Maximum erst um etwa 1990. Auffällig an den Daten der Kola-Halbinsel ist, dass die höchsten Werte im Zeitraum um die Jahre 1935 und 1955 ermittelt wurden und die Kurve bis 1990 auf das Niveau von 1870 sank, was dem Beginn des industriellen Zeitalters entspricht. Seit 1990 erhöhten sich die Temperaturen dagegen wieder deutlich. Auffällig an den neuen Daten ist, dass die rekonstruierten Temperaturminima gerade mit Zeiten niedriger Sonnenaktivität zusammenfallen. Daher vermuten die Forscher, dass in der Vergangenheit die Sonnenaktivität einen wesentlichen Beitrag zu den Schwankungen der Sommertemperaturen der Arktis beigetragen hat. Allerdings ist dieser Zusammenhang nur bis 1970 deutlich, dann gewinnen andere, möglicherweise regionale Besonderheiten, die Oberhand. „Sicher ist nur: Dieser Teil der Arktis hat sich nach der Ende der Kleinen Eiszeit vor ca. 250 Jahren erwärmt, ab der Mitte des vorigen Jahrhunderts abgekühlt und erwärmt sich seit 1990 wieder“ so die Paleoklimatologin Dr. Tatjana Böttger vom UFZ.

Im September 2009 hatte eine internationale Forschergruppe Modellrechnungen präsentiert, wonach sich die Arktis in den letzten zwei Jahrtausenden bis zum Beginn des Industriezeitalters um etwa 0,2 °C pro Tausend Jahre langsam abgekühlt hat und dafür ein langsames Nachlassen der Sonneneinstrahlung im Sommer verantwortlich gemacht. Allerdings sei das letzte Jahrzehnt das wärmste seit Beginn der Zeitrechnung gewesen und habe 1,4°C über der Prognose gelegen, so Darrell S. Kaufman und Kollegen im Fachblatt Science. Die neuen Daten von Kononov, Friedrich und Böttger stützen diese These, wonach die Sonnenaktivität in der Vergangenheit einen wesentlichen Einfluss auf die Sommertemperaturen in der Arktis hatte, dieser aber in den letzten Jahrzehnten stark abgeschwächt ist.
Tilo Arnhold / UFZ

Originalpublikation:
Yu. M. Kononov, M. Friedrich and T. Boettger (2009): Regional Summer Temperature Reconstruction in the Khibiny Low Mountains (Kola Peninsula, NW Russia) by Means of Tree-ring Width during the Last Four Centuries
Arctic, Antarctic, and Alpine Research, Vol. 41, No. 4, 2009, pp. 460–468, DOI: 10.1657/1938-4246-41.4.460
Zur Online-Publikation (engl.)

Die Vorstellung von Würmern im Fisch dürfte bei den meisten Menschen Ekel hervorrufen.

Fadenwürmer im Eisfisch – Foto: BiK-F

Doch durch Helminthen, so der wissenschaftliche Begriff für Würmer, zu denen auch Nematoden gehören, die als Parasiten im Meer und von Meerestieren leben, lässt sich eine Menge über den Lebensraum herausfinden. Das ist das Ziel von Prof. Dr. Sven Klimpel vom Frankfurter Biodiversität und Klima Forschungszentrum (BiK-F). Bei einer Forschungsexpedition in den Nordatlantik war sein Mitarbeiter Markus W. Busch jetzt den Auswirkungen des Klimawandels in der Barentssee auf der Spur.
Die vierwöchige, in Kooperation mit dem Bundesforschungsinstitut für Ernährung (Max Rubner-Institut (MRI)) durchgeführte Reise mit dem deutschen Fischereiforschungsschiff „Walther Herwig III“ endete am 12. Juli. Überraschend für das Forscherteam des MRI wie auch für Sven Klimpel und seinen Mitarbeiter Markus W. Busch war, dass mittlerweile auch kleinste Kabeljau-Exemplare von parasitierenden Fadenwürmern befallen sind. Vom Parasitenbefall bei Fischen schließen die Wissenschaftler auf Veränderungen im Nahrungsgefüge. Die Barentssee ist ein ca. 1,4 Millionen Quadratkilometer großes Randmeer des Arktischen Ozeans. Ausläufer des Golfstroms sorgen hier auch im Winter für große eisfreie Zonen. Wegen dieser besonderen Bedingungen und der Vielfalt an Organismen ist die Barentssee vor allem für die Fischerei von Bedeutung.

Zu warm und zu sauer

So lässt sich der Zustand der Weltmeere zusammenfassen. Ein Großteil des während der letzten 200 Jahre durch menschliche Aktivitäten in die Atmosphäre gelangten Kohlendioxids hat sich in den Ozeanen gelöst und den pH-Wert der Weltmeere sinken lassen. Diese Versauerung hat vor allem Folgen für Meeresorganismen mit einem Kalkmantel, wie z.B. Korallen. Schon für das Jahr 2006 verzeichnete das International Council for the Exploration of the Sea (ICES) einen Höhepunkt der Wassertemperatur in der gesamten Barentssee. – Unter solchen, sich verändernden Bedingungen wandelt sich auch das Artengefüge eines Ökosystems. Wissenschaftler sehen in der Erwärmung einen entscheidenden Grund für die ausschließlich polwärts gerichtete Migration Kälte angepasster Arten. Auch Sven Klimpel erklärt: „Die Erwärmung der oberen Wasserschicht der Ozeane kann Veränderungen der Nahrungsnetze und der Artenzusammensetzung zur Folge haben, die wir derzeit noch gar nicht abschätzen können.“

Eine wichtige Nahrungsgrundlage für Fische und andere Meeresbewohner ist vor allem das Zooplankton, zu dem eine Vielzahl kleinster Meerestiere gehört. Dazu erläutert der Leiter des BiK-F-Projekts „Medizinische Biodiversität und Parasitologie“: „Der Rückgang vieler Fischarten hängt signifikant mit einer veränderten Artenzusammensetzung, der Bestandsabnahme mancher Arten und auch mit der kleineren Körpergröße dieser Nahrungsorganismen zusammen.“ Zunehmend gerät das natürliche, fein aufeinander abgestimmte Gefüge der Meere aus der Balance. Da die schmarotzenden Nutznießer über das Nahrungsnetz in ihren Wirt gelangen, wirken Veränderungen im Nahrungsangebot sich auch auf den Parasitenbefall der Fische aus.

Fadenwürmer als Biomarker und Informationsträger

In einem komplexen Ökosystem stehen alle Lebewesen in Wechselwirkung zueinander. Um Störungen entgegen zu steuern oder zumindest ausbalancieren zu können, muss man die einzelnen „Bauteile“ verstehen. Ökosystemforschung untersucht einzelne Komponenten von Lebensräumen und fügt die gewonnenen Ergebnisse zu einem Gesamtbild zusammen. So unappetitlich die Parasiten im Kabeljau der Barentssee sonst auch sein mögen, bei den Untersuchungen von Sven Klimpel übernehmen sie eine „tragende Rolle“. Als Bioindikatoren helfen sie nicht nur regionale Fischbestände zu unterscheiden, sondern sind nach Aussage des Wissenschaftlers auch bedeutende Informationsträger bei der Erforschung des Nahrungsspektrums bestimmter Arten.

Deshalb beschränkt sich der Parasitologe nicht nur auf abstrakte Energieflussmodelle. Sein Mittel der Wahl zur Untersuchung klimabedingter Veränderungen ist die detaillierte Analyse des Parasitenbefalls bei Fischen und anderen Meeresorganismen. Da auch die üblichen Mageninhaltsanalysen lediglich punktuell und auch nur zum Zeitpunkt der Probennahme Auskunft über Nahrungsgewohnheiten geben, ermöglicht die detaillierte Analyse der Miniatur-Plagegeister Rückschlüsse auf weiter zurückliegende Interaktionsprozesse zwischen Organismen. Auf diese Weise können auch kurzfristige Veränderungen im Nahrungsgefüge der Wirte wie z.B. bei Fischen berücksichtigt werden. – Da sie ausschließlich „zur Untermiete“ leben, sind Parasiten hocheffizient und ausgesprochen zielstrebig. Kennt man ihre Lebenszyklen und Gewohnheiten sowie ihre Zwischen- und Endwirte, verdichten sich die nahrungsökologischen Untersuchungen zu einem Bild vom Nahrungsspektrum und den Ausbreitungsmechanismen einer Parasitenart. Das ist möglich, da viele Parasiten spezifisch für die jeweiligen Endwirte sind. Von solchen detaillierten Untersuchungen verspricht sich Sven Klimpel weitere Informationen zu Reproduktionserfolgen von Fischbeständen, über deren Migration und Populationsdynamik. Also bisher noch weitgehend offenen Fragen, deren Beantwortung im Hinblick auf die Auswirkungen des Klimawandels und die Überfischung der Meere von großer Bedeutung ist.

Nachbearbeitung im BiK-F-Labor

“Wir vermuten, dass die Distanz zur norwegischen Küste einen wesentlichen Einfluss auf die Parasitierung der dort vorkommenden Konsumfischarten hat. Insbesondere die charakteristischen Gewässerbedingungen in der Barentssee könnten Auswirkungen auf das Vorkommen und die Verbreitung bestimmter Parasitengruppen haben“, sagte Sven Klimpel. Fischproben, die schon an Bord bearbeitet und für parasitologische und molekularbiologische Analysen vorbereitet und konserviert wurden, werden nun im Frankfurter BiK-F-Labor genauer untersucht. Der Wissenschaftler sagte: „Wir gehen davon aus, dass die verschiedenen Parasitenarten bei den Fischen der Barentssee sich von denen in anderen Regionen des nördlichen Atlantiks deutlich unterscheiden. Anhand der genetisch eindeutig identifizierten Fadenwürmer in Fischen sind wir beispielsweise auch in der Lage, genau zu bestimmen, welche Wal- bzw. Robbenarten in dem untersuchten Gebiet vorkommen und welche Populationsgrößen sie theoretisch haben könnten.“ Von den Untersuchungen verspricht sich Sven Klimpel eindeutige Ergebnisse und Erklärungsmuster für Veränderungen in den nördlichen Gewässern.

Die Bedeutung der Ozeane

In der Summe nehmen marine Ökosysteme 71 Prozent der Gesamtfläche der Erde ein. Das entspricht einer Fläche von 361 Millionen Quadratkilometern. Auf Grund seiner enormen Tiefenausdehnung ist der marine Lebensraum um ein Vielfaches größer als alle Lebensräume an Land, zu denen auch Süßwasser-Ökosysteme wie Seen, Bäche und Flüsse zählen. Dabei spielen die Ozeane eine bedeutende Rolle für das Klima auf der Erde. Insbesondere im Rahmen der globalen Erhöhung des Kohlendioxid-Anteils in der Atmosphäre tragen die Meere als so genannte „CO2-Falle“ zur Stabilisierung des Weltklimas bei. Neben der Erwärmung der Meere ist das Gleichgewicht auch durch die Versauerung gestört, die durch die stetig steigende CO2-Konzentration in der Atmosphäre ebenfalls zunimmt.

Im Vergleich zu den Lebensräumen an Land reagieren marine Ökosysteme deutlich sensibler und schneller auf Klimaänderungen. Die Belastungen der Fischpopulationen durch Überfischung kommen hinzu. Fische und Fischprodukte sind bedeutsam für die Welternährung. Deren Anteil an der Eiweißversorgung der Weltbevölkerung beträgt nach Zahlen der Food and Agriculture Organization der Vereinten Nationen (FAO) 15 Prozent. Rund drei Milliarden Menschen sind schon jetzt darauf angewiesen. Hinzu kommen wirtschaftliche Interessen und viele Arbeitsplätze, die an der Fischereiindustrie hängen. Einst galten die Meere als unerschöpfliches Reservoir. Doch selbst wenn die Fischereinationen regelmäßig über Fangquoten und Methoden zur nachhaltigen Befischung der Ozeane diskutieren, verbessert sich für die Meeresbewohner nicht viel. – Nicht mehr und größer, sondern weniger und kleiner werden die Fische, die einer ständig wachsenden Weltbevölkerung zur Verfügung stehen.

Zwei Expeditionen in unwirtliche Gebiete – in die russische Republik Komi und ins sibirische Lenadelta – sollen klären, wie Moore auf Klimaänderungen reagieren.

Der Turm misst Ströme von CO2, Verdunstung und Temperatur zwischen Oberfläche und Atmosphäre – Foto: Uni Hamburg

Prof. Lars Kutzbach vom KlimaCampus der Universität Hamburg erforscht mit seinem Team sowie deutschen und russischen Partnern die komplexen Wechselwirkungen zwischen hydrologischen Prozessen und dem Kohlenstoffkreislauf nordischer Feuchtgebiete. Befürchtet wird, dass diese durch die globale Erwärmung mehr Kohlenstoff in Form von Treibhausgasen emittieren. Die aktuellen Analysen werden wichtige Grundlagendaten zur Risikoabschätzung und für das Verständnis von Treibhausgas-Bilanzen liefern. In herkömmlichen Klimamodellen fehlte der Faktor „Moor“ trotz seiner Größenordnung bisher völlig.

Neu ist der Ansatz von Kutzbach, im Moor nicht nur die Kohlenstoff-, sondern auch die Wasserflüsse zu analysieren. Bisher wurden die Bereiche meist getrennt betrachtet. Doch Kohlenstofftransporte finden nicht nur vertikal zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre statt, sondern auch horizontal in gelöster Form über den Wassertransport in Landschaften. „Indem wir hydrologische und meteorologische Daten mit Boden- und Wasseranalysen verknüpfen, können wir Kohlenstoff-Lecks im Moor aufdecken“, sagt Kutzbach. „Für diese Orte untersuchen wir die beteiligten Mechanismen und ermitteln so die Bedingungen, unter denen Kohlenstoff und Treibhausgase aus Mooren entlassen werden.“ Die Ergebnisse helfen, eine wichtige Datenlücke in Klimamodellen zu schließen und erlauben Abschätzungen, inwieweit die Erderwärmung durch massive Emissionen von Treibhausgasen aus Mooren beschleunigt werden könnte.

Moorgebiete sind gigantische Kohlenstoffspeicher: Sie beherbergen weltweit mindestens 550 Gigatonnen Kohlenstoff, obwohl sie nur drei Prozent der Landoberfläche bedecken. Zum Vergleich: Die gesamte globale Vegetation speichert nur 600 Gigatonnen, der Mensch emittiert etwa acht Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr durch Verbrennung fossiler Energieträger. Steigt die globale Temperatur, könnte der bisher langfristig festgesetzte Kohlenstoff „aktiver“ werden, und mehr Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) freigesetzt werden. Methan hat auf einen Zeitraum von 100 Jahren gerechnet einen 25-fach stärkeren Treibhauseffekt („Global warming potential“) als CO2.

Feldforschung, Frost und ewige Nacht

Das erste Areal erschließt das Team um Kutzbach westlich des Urals in der russischen Republik Komi. Dort bestehen 15 Prozent der Landesfläche aus Feuchtgebieten. Die zweimonatige Feldkampagne ist gleichzeitig Auftakt einer engen Kooperation mit Forschern der Universität Greifswald und des Komi Science Center. Gleichzeitig brechen die KlimaCampus-Forscher in die nördlichsten sibirischen Permafrostgebiete auf. Durch ein Anschmelzen dieser meist gefrorenen Moorböden können ebenfalls große Mengen Kohlenstoff als Treibhausgase freigesetzt werden. Über fünf Monate – bis in den arktischen Winter hinein – werden sie im Lenadelta bleiben und die Arbeiten dort in enger Kooperation mit der Forschungsstelle Potsdam des Alfred-Wegener-Instituts und dem Permafrost-Institut in Jakutsk durchführen.

Doktorand Peter Schreiber vom KlimaCampus ist einer der vier Extremforscher, die sich dafür auf Temperaturen zwischen minus 20 und minus 45 Grad Celsius und Feldforschung mit Taschenlampe bei ewiger Nacht einstellen: „Wir werden erstmals kontinuierlich sehr hochwertige Daten der Spurengase erheben, bis zu dem Zeitpunkt, wo der Permafrostboden komplett durchgefroren ist“, sagt Schreiber. „Besonders interessieren dabei die kaum untersuchten Prozesse an den Übergängen zwischen Sommer und arktischem Winter. Während des tiefen Polarwinters lassen wir die Messgeräte unbegleitet laufen, und im Frühjahr werden wir wieder vor Ort sein, bevor der Tauprozess beginnt. So erhalten wir erstmals ein vollständiges Jahreszeitenprofil.“