KLIMA-MEDIA.de Pressespiegel & Infoblog

Wirkung der Sonneneinstrahlung auf die Klimaerwärmung.

Sonne über gefrorenem Rheinarm – (c) Ingwer Hansen

Ein neues lang anhaltendes Minimum der Sonnenaktivität würde den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur aufgrund der vom Menschen verursachten Treibhausgas-Emissionen nur geringfügig verlangsamen. Nach einer neuen Studie von Wissenschaftlern des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK), veröffentlicht in der Online-Ausgabe des Magazins „Geophysical Research Letters“, würde die Erwärmung bis zum Ende dieses Jahrhunderts um höchstens 0,3 Grad Celsius geringer ausfallen, als nach Szenarien weiterhin zunehmender Emissionen zu erwarten ist. Der Temperaturanstieg würde damit um weniger als zehn Prozent vermindert.
„Die Vorstellung, dass es zu einer neuen Kleinen Eiszeit kommt, sollte die Sonne tatsächlich in eine lange Ruhephase eintreten, ist falsch“, sagt Georg Feulner, der Leitautor der Studie. „Ein neues großes Minimum der Sonnenaktivität würde die starke Erwärmung nicht verhindern, die bei unvermindertem Treibhausgas-Ausstoß zu erwarten ist“, so Feulner weiter.

Die Beobachtungen von Sonnenflecken, sichtbaren Anzeichen stärkerer Sonnenaktivität und höherer Strahlungsintensität, zeigen, dass sich die Sonne zurzeit in der tiefsten und längsten Ruhephase seit fast einem Jahrhundert befindet. Seit Beginn der Satellitenmessungen in den 1970 Jahren war die Sonnenstrahlung nie schwächer als zurzeit. Einige Solarphysiker nehmen an, dass dies den Beginn eines neuen großen Minimums der Sonnenaktivität, ähnlich dem Maunder-Minimum im späten 17. Jahrhundert, anzeigen könnte. Das Maunder-Minimum wird mit der so genannten Kleinen Eiszeit in Verbindung gebracht, zu der spürbar niedrigere Temperaturen herrschten.

Feulner und Stefan Rahmstorf vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) haben nun den Effekt eines großen Minimums im 21. Jahrhundert mit einem gekoppelten Klimamodell untersucht, das die Ozeane, die Atmosphäre und die Landoberfläche abbildet. Die Forscher legten den Simulationen einen mittleren und einen starken Anstieg der Treibhausgas-Emissionen nach den Szenarien A1B und A2 des Weltklimarates IPCC zugrunde. Sie berücksichtigten auch Vulkanausbrüche, die nicht vorhersagbar sind, indem sie ebenso viele und so starke Eruptionen wie im 20. Jahrhundert zufällig über das 21. Jahrhundert verteilten.

Mit diesen Grundannahmen wurden drei unterschiedliche Entwicklungen der Sonnenaktivität simuliert: Einmal gingen die Forscher davon aus, dass sich der normale Elf-Jahres-Zyklus der Sonnenaktivität bis zum Jahr 2100 wiederholt und kein großes Minimum auftritt. In den zwei anderen Experimenten tritt die Sonne jeweils in ein Minimum ein, das bis zum Ende des Jahrhunderts anhält. Die Werte der Sonnenstrahlung wurden dazu um 0,08 Prozent beziehungsweise 0,25 Prozent geringer angesetzt als im Jahr 1950. Datenreihen legen nahe, dass die Sonnenstrahlung während des Maunder-Minimums etwa 0,08 Prozent unter dem Wert von 1950 lag.

Wird der Elf-Jahres-Zyklus der Sonnenaktivität bis 2100 fortgesetzt, ergeben die Simulationen einen Temperaturanstieg von 3,7 oder 4,5 Grad Celsius über den Referenzwert aus den Jahren 1961 bis 1990, je nach Emissionsszenario. Diese Ergebnisse stimmten gut mit neuen Projektionen überein, berichten die Forscher. Für ein neues großes Minimum mit einer Sonneneinstrahlung wie während des Maunder-Minimums ergibt sich nach beiden Emissionsszenarien ein um etwa 0,1 Grad Celsius geringerer Anstieg. Im Experiment mit der stärkeren Verminderung der Sonnenstrahlung um 0,25 Prozent beträgt die Minderung 0,26 Grad Celsius, ebenfalls in beiden Emissionsszenarien.

„Wahrscheinlich würde ein neues großes Minimum zu 0,1 bis 0,2 Grad Celsius geringeren Temperaturen im Jahr 2100 führen“, sagt Stefan Rahmstorf, Leiter des Forschungsbereichs Erdsystemanalyse am PIK. Sämtliche Unsicherheiten der Temperaturberechnungen, der wirkenden Kräfte und der Modelle ergeben den Faktor drei als maximalen Fehler. Der solare Kühlungseffekt würde also wahrscheinlich nicht mehr als 0,3 Grad Celsius betragen.

„Ein neues Maunder-Minimum der Sonnenaktivität könnte die globale Erwärmung aufgrund der vom Menschen verursachten Treibhausgas-Emissionen nicht ausgleichen“, schließen die Autoren. Zudem wäre jeder Abkühlungseffekt nur vorübergehend wirksam, da große Sonnenminima normalerweise nur einige Jahrzehnte bis maximal ein Jahrhundert andauern.

„Auch aktuelle Temperaturmessungen belegen, dass die Auswirkungen verminderter Sonnenaktivität auf das Klima sehr gering sind“, sagt Rahmstorf. Das derzeitige Minimum habe die globale Erwärmung nicht merklich gebremst. Über die vergangenen dreißig Jahre ist die Mitteltemperatur stetig um 0,16 Grad Celsius pro Jahrzehnt angestiegen. Laut der Messdaten von Bodenstationen des Goddard Institute for Space Studies der US-Weltraumbehörde Nasa ist das Jahr 2009 trotz des derzeitigen Sonnenminimums das zweitwärmste seit Beginn der Aufzeichnungen, übertroffen nur vom Jahr 2005. Auf der Südhalbkugel ist es bei weitem das wärmste. Der Januar des Jahres 2010 ist global der zweitwärmste seit Beginn der Aufzeichnungen, nur der Januar 2007 war noch wärmer.

Originalpublikation:
Feulner, G., and S. Rahmstorf (2010), On the effect of a new grand minimum of solar activity on the future climate on Earth, Geophys. Res. Lett., 37, L05707, doi:10.1029/2010GL042710

• Goddard Institute for Space Studies Surface Temperature Analysis
• Der Sonnenfleckenzyklus (Marshall Space Flight Center, engl.)
• Solar and Heliospheric Observatory (ESA and NASA)

Bis zum 31. Januar haben mehr als fünfzig Nationen ihre Reduktionsziele an das Klimasekretariat der Vereinten Nationen gemeldet.

Den Malediven steht das Wasser bis zum Hals – (c) H. Hoppe / Pixelio

Nur zwei von insgesamt zehn Reduktionsangeboten aus Industrieländern genügen jedoch dem Anspruch, die globale Erderwärmung auf maximal zwei Grad Celsius gegenüber vorindustriellem Niveau zu begrenzen. Das ergeben neue Analysen mit dem von Ecofys, Climate Analytics und dem Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung entwickelten Analyseinstrument „Climate Action Tracker“. Es zeigt, welche Länder welchen Anteil bei der weltweiten Verringerung von Kohlendioxid-Emissionen bereit sind zu leisten.

Insgesamt stehen die von den Vertragsstaaten bislang bei den UN eingereichten Reduktionsangebote nicht im Einklang mit dem in der Kopenhagen-Vereinbarung (Copenhagen Accord) erwähnten Zwei-Grad-Ziel. Das Plenum der UN-Klimakonferenz im vergangenen Dezember in Kopenhagen hatte die Vereinbarung lediglich zur Kenntnis genommen. Bliebe es bei den bisherigen Zugeständnissen, würde die globale Mitteltemperatur bis zum Ende des Jahrhunderts wahrscheinlich um mehr als drei Grad Celsius gegenüber vorindustrieller Zeit steigen.

Das Maß an Bereitschaft der wichtigsten Länder, Emissionen zu vermindern, hat sich im Vergleich zu den bereits in Kopenhagen vorliegenden Angeboten insgesamt nicht verändert.

Von den Industrieländern hat Russland seine Ambitionen leicht erhöht, während Kanada diese gesenkt hat. Von den Entwicklungs- und Schwellenländern hat keines seine Angebote verändert. Mexiko, das im kommenden November die nächste UN-Klimakonferenz ausrichten wird, hatte bis zum 31. Januar 2010 keinen Vorschlag eingereicht. Israel, Kasachstan, die Marshallinseln und Moldawien legten erstmals quantitative Ziele auf den Tisch. Jordanien, Äthiopien, Madagaskar, Marokko, der Kongo und Sierra Leone legten qualitative Vorschläge vor.

Die ehrgeizigsten Ziele haben sich die Malediven und Costa Rica gesetzt. Bis 2020 wollen sie klimaneutral werden. Ebenfalls weit oben auf der Skala bewegen sich Norwegen, Japan und Brasilien, die ihre Emissionen deutlich senken wollen. Im Mittelfeld befinden sich Schwellenländer wie Indien, Indonesien und Südkorea, die das Wachstum ihrer Kohlendioxid-Emissionen ab dem Jahr 2020 drosseln wollen. Als unzureichend in Bezug auf die Erreichung des Zwei-Grad-Ziels wird hingegen die Verpflichtung der Europäischen Union eingestuft, ihre Emissionen bis 2020 um 20 Prozent gegenüber 1990 zu senken. Ein Reduktionsziel von 30 Prozent hingegen würde die EU ins Mittelfeld rücken, was der Einstufung als „ausreichend“ nahekäme.

Chinas Angebot wird als „unzureichend“ bewertet, da es unterhalb dessen liegt, was nach der derzeitigen Klimaschutzpolitik des Landes zu erwarten gewesen wäre. Zwischen der Mitte und dem unteren Ende der Skala befinden sich die Vereinigten Staaten, deren Ziel ebenfalls als „unzureichend“ eingestuft wird. Am Ende der Skala sind Länder, darunter Russland, die noch kein Angebot für einen Pfad jenseits des „Business as usual“ vorgelegt haben.

Der „Climate Action Tracker“ macht die teils großen Unterschiede zwischen den Ländern hinsichtlich der Ambitioniertheit ihrer Reduktionsziele sichtbar.

Website des  “Climate Action Tracker” (engl.)

Heute starten Wissenschaftler des Tauchzentrums der Biologischen Anstalt Helgoland ein für die Nordsee bislang einmaliges Projekt: “MarGate”, ein neuartiges Unterwasser-Experimentalfeld.

Krebslarve – von Unterwasser-Zooplankton-Kamera aufgezeichnet – (c) AG Hirche / AWI

Wissenschaftler wollen dort in Zukunft mit modernsten Sensortechnologien meeresbiologische Daten zeitlich und räumlich hoch aufgelöst erfassen, die dann online über das Internet zur Verfügung stehen. So sollen klima- und anthropogen bedingte Veränderungen der Hydrographie und der Ökologie der Nordsee untersucht werden, um die Mechanismen von klimawandelbedingten Ökosystemveränderungen besser verstehen und modellieren zu können.

“MarGate” ist Teil der vom GKSS-Forschungszentrum Geesthacht koordinierten und innerhalb des Forschungsbereiches “Erde und Umwelt” der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren finanzierten Meeresforschungsinfrastruktur COSYNA. Neben dem Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft beteiligen sich mehrere küstennahe Forschungszentren und Universitäten Deutschlands. Damit wird eine moderne Infrastruktur geschaffen, die multi- und interdisziplinäres Arbeiten im Küstenbereich ermöglicht.

“Aufgrund der einmaligen Lage der Insel Helgoland weit vor der deutschen Küste, in Mitten der stark vom Klimawandel betroffenen Nordsee, sehen wir Helgoland als strategischen “Hot-Spot” der Meeresforschung”, so PD Dr. Philipp Fischer, wissenschaftlicher Leiter des Tauchzentrums des Alfred-Wegener-Instituts und Fischökologe an der Biologischen Anstalt Helgoland. “Das Projekt gibt uns die Möglichkeit, Experimente nicht nur im Labor, sondern unter Wasser direkt in der Nordsee über längere Zeiträume durchzuführen – was bisher nur mit Hilfe von großen und teuren Forschungsschiffen möglich war”, meint der überzeugte Wissenschaftstaucher. “Die Insel Helgoland als Standort bietet uns einmalige Möglichkeiten”, freut sich Prof. Karen Wiltshire, Direktorin der Biologischen Anstalt Helgoland, die zur Stiftung Alfred-Wegener-Institut gehört.

Um die Forschungswünsche der Wissenschaftler erfüllen zu können, wird das Experimentalfeld “MarGate” mit modernster Technik ausgerüstet. In Zusammenarbeit mit der GKSS wird es unter Wasser Hochgeschwindigkeits-Datenleitungsanschlüsse, so genannte “Datenknoten” geben, an denen – wie im Labor – Messgeräte und Sonden unter Wasser angesteckt und per Internet über längere Zeit ferngesteuert werden können. So ist beispielsweise geplant, Kleinkrebse mit einer Zooplankton-Kamera automatisch im Lebensraum aufzuzeichnen und zeitgleich Informationen über Temperatur und Salzgehalt des Wassers und die Verteilung von Nährstoffen zu erhalten. Diese Kombination von kontinuierlichen Messungen eröffnet neue Möglichkeiten, die Stoffflüsse im Meer aufzuzeichnen und die Nahrungsnetze zu analysieren.

Auch an die Stromversorgung ist gedacht: Unterwasser-Steckdosen sowie verschiedenste Möglichkeiten, wissenschaftliche Geräte auch bei Windstärke 12 unter Wasser sturmsicher zu verankern, sollen dort künftig erprobt und entwickelt werden. “Wir sehen MarGate nur als den ersten Schritt einer notwendigen Entwicklung, die Erforschung der Meere auch dorthin zu bringen, wo sich das Leben im Meer abspielt, nämlich unter Wasser”, meint Fischer. Um so ein Projekt nicht nur wissenschaftlich sondern auch praktisch umzusetzen, müssen nun jedoch zunächst die Grundstrukturen installiert werden: Jeweils sechs Tonnen schwere Tetrapoden aus Beton werden in bis zu zehn Meter Wassertiefe ausgebracht. Dies läuft in guter Zusammenarbeit mit Baufirmen und Ingenieuren, welche in der Lage sind, die Strukturen herzustellen und unter Wasser zielgenau zu positionieren.

Website zum Projekt COSYNA “Coastal Observing System for Northern and Arctic Seas” (engl.)

Das Forschungsschiff Polarstern legte jetzt erstmalig in Wellington, Neuseeland, an.

Das deutsche Forschungsschiff Polarstern in der Antarktis – (c) Hannes Grobe, AWI

Dies ist das Ende eines zweimonatigen Expeditionsabschnitts mit meeresgeologischem Schwerpunkt, der in Punta Arenas, Chile, gestartet war.
Den kurzen Hafenaufenthalt nutzen Vertreter aus Wissenschaft und Politik, um sich im Rahmen eines Empfangs an Bord auszutauschen und die gute Zusammenarbeit zu vertiefen.

Zur Zeit begibt sich die Polarstern mit neuer Besatzung, neuem wissenschaftlichen und technischem Personal auf den Weg zurück nach Punta Arenas. Geophysikalische Messprofile werden vom östlichen Rossmeer entlang des gesamten Kontinentalrandes von Marie-Byrd-Land aufgenommen, um das existierende Datennetz des Rossmeeres mit den Messprofilen im Amundsen- und Bellingshausenmeer zu verbinden.

Die Wissenschaftler um Fahrtleiter Dr. Karsten Gohl vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft möchten die hier bestehende große Datenlücke schließen. Ziel dieser Arbeiten ist es, die Topographie des Meeresbodens jetzt und in der geologischen Vergangenheit zu bestimmen und damit die Grundlage für langfristige Klimasimulationen zu schaffen. Hauptarbeitsgebiet ist anschließend die Pine-Island-Bucht, bekannt für die dort seit kurzer Zeit beschleunigt stattfindenden Rückzüge der Pine-Island- und Thwaites-Gletschersysteme. Die Rekonstruktion der dynamischen Veränderungen des westantarktischen Eisschilds soll helfen die derzeitigen Veränderungen mit ihrem möglichen Einfluss auf einen verstärkten Meeresspiegelanstieg besser zu verstehen und steht im Mittelpunkt der geophysikalischen und geologischen Untersuchungen. Geothermische Wärmeflussmessungen sollen Einblick liefern in jüngere vulkanische Aktivitäten, die einen Einfluss auf das Fließverhalten des Eisschildes haben können. Ozeanographische Messungen sollen eine der möglichen Ursachen für den augenblicklichen Rückzug der Gletscher erklären helfen.

Insgesamt 1000 Meter Sedimentkerne (Gewicht etwa elf Tonnen) haben die 43 Expeditionsteilnehmer des gerade beendeten Fahrtabschnitts unter der Leitung des Geologen Dr. Rainer Gersonde vom Alfred-Wegener-Institut auf der 9400 Seemeilen (17.000 km) langen Forschungsreise von Chile nach Neuseeland an 70 Stationen gesammelt. Das einzigartige Material wird erstmals detaillierten Aufschluss über die Klimageschichte der letzten 400.000 bis 4 Millionen Jahre in diesem bislang kaum erforschten aber für die Klimaentwicklung wichtigen Raum geben. Wissenschaftler aus sechs Nationen, darunter auch Neuseeland, werden die Entwicklungsgeschichte des Antarktischen Zirkumpolarstroms, der Meereisverbreitung und seines Einflusses auf die Änderungen von Treibhausgaskonzentrationen sowie Abschmelzereignisse des westantarktischen Eisschildes und ihren Einfluss auf die globale Ozeanzirkulation unter Einsatz modernster Methoden gemeinsam untersuchen. Dabei geht es auch um die Erfassung von klimawirksamen Wechselwirkungen zwischen dem polaren Südpazifik, den tropischen und nordpolaren Breitenregionen während vergangener Kalt- und Warmzeiten.

Solche klimarelevanten Fragestellungen stehen auch im Fokus eines geplanten Tiefseebohrprojektes im Rahmen des “Integrated Ocean Drilling Program” (IODP) im antarktischen Pazifik. Die beiden laufenden Expeditionsabschnitte liefern die Datenbasis zur Auswahl der Bohrstellen des IODP. Wissenschaftler aus aller Welt wollen mit den künftig zu erbohrenden Tiefseesedimenten bis zu 40 Millionen Jahre in die geologische Vergangenheit zurück schauen.

Neben Geologen und Geophysikern nutzen auch Biologen, Chemiker, Ozeanographen und Wissenschaftler vieler weiterer Disziplinen den Forschungseisbrecher regelmäßig für ihre Untersuchungen. So ist diese insgesamt 50. Expedition (unterteilt in etwa 200 Fahrtabschnitte) ein gutes Beispiel für die multidisziplinäre Ausrichtung der Polarstern, die seit 1985 in der Arktis, Antarktis und den Ozeanen der mittleren und hohen Breiten unterwegs ist. Sie ist die Plattform für Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Instituts und ihre Kooperationspartner, und trägt dazu bei, die komplexen Zusammenhänge im System Erde zu entschlüsseln. Vor allem das Ziel, die treibenden Kräfte und Fluktuationen im Klimageschehen zu verstehen, steht im Mittelpunkt der Forschung.

Sie sind unsichtbar und nur schwer zu messen, doch ohne sie ist kein Leben in den Ozeanen möglich.

Ein Kranzwasserschöpfer an mobiler Winde. Spezialgerät für das GEOTRACES-Programm – (c) Gregory Cutter, Old Dominion University (USA)

Die Rede ist von im Wasser gelösten Spurenstoffen wie Cadmium, Kupfer oder Eisen. Die genaue Herkunft und Verteilung dieser Metalle in den Weltmeeren ist vor allem in tieferen Wasserschichten kaum bekannt. Das will das internationale Forschungsprogramm GEOTRACES ändern. Am 4. Februar startet das deutsche Forschungsschiff METEOR unter Fahrtleitung des Kieler Geologen Professor Martin Frank zu einer der ersten Expeditionen des Projekts in den tropischen Atlantik.

Die Zahl ist fast unvorstellbar klein. Nur 300 Billionstelgramm (0,0000000003 g) Cadmium sind durchschnittlich im Oberflächenwasser der Ozeane pro Liter gelöst. Zum Glück, möchte man meinen, denn Cadmium gilt als üblicherweise als giftig. Doch neue Forschungen haben gezeigt, dass vielen Arten des pflanzlichen Planktons Cadmium für ihren Stoffwechsel dringend benötigen. Dieses Plankton wiederum bildet den Anfang der Nahrungskette und bindet bei der Photosynthese große Mengen Kohlendioxid. Neben Cadmium gibt es noch viele andere Spurenstoffe mit ähnlicher Bedeutung: Aluminium, Mangan, Kupfer, Zink oder auch Eisen. Woher sie stammen und wie sie sich in allen Weltmeeren verteilen, ist bisher weitgehend unbekannt. Es fehlten weltweit einheitliche Verfahren, zuverlässige Daten über so geringe Stoffmengen zu erhalten. “Es ist extrem schwierig, exakte Aussagen über schwankende Eisenkonzentrationen im Milliardstelgramm-Bereich zu treffen, wenn man die entsprechenden Wasserproben mit Metallkabeln direkt neben 4500 Tonnen Schiffsstahl nimmt”, erläutert der Geologe und chemische Ozeanograph Professor Martin Frank vom Kieler Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) die ganz praktischen Messprobleme.

Sieben Jahre lang haben sich Wissenschaftler aus mehr als 30 Nationen im GEOTRACES-Programm mit derartigen Fragen beschäftigt – und Lösungen erarbeitet. Nun beginnt 2010 die aktive Messphase mit einer Auftaktveranstaltung während der Ocean-Sciences Tagung in Portland, Oregon (USA). Gleichzeitig leitet Professor Martin Frank eine der ersten GEOTRACES-Expeditionen mit dem deutschen Forschungsschiff METEOR, das mit 24 Wissenschaftlern aus Kiel, Bremen, Rostock, Köln, Barcelona und Norfolk (Virginia, USA) am 4. Februar den Hafen von Las Palmas (Spanien) verlässt. Während der rund 9000 Kilometer langen Fahrt, die zunächst südwärts entlang der westafrikanischen Küste, dann über den Atlantik bis vor die Küste Brasiliens und von dort wieder nach Norden führt, werden die Forscher Spurenstoffkonzentrationen bis in Wassertiefen von 5000 Meter messen. Rund 12.000 Liter Probenwasser werden so zusammenkommen. “Um Verunreinigungen zu vermeiden, nutzen wir spezielle Probenbehälter aus Kunststoff, die in einem extra beschichteten Gestell befestigt sind. Statt an einer Stahltrosse lassen wir diese Gestelle an einem Kevlaer-Kabel in die Tiefe”, erklärt Professor Frank. Da die METEOR nicht über eine derartige Winde verfügt, nimmt die Expedition eine mobile Winde des GEOTRACES-Programms aus den USA mit. Zur Spezialausrüstung gehören ferner zwei Container mit Reinraumlaboren. Dort bereiten die Wissenschaftler die Proben nach den exakten Vorgaben des GEOTRACES-Programms so auf, dass sie nach der Fahrt in Laboren an Land mit hochempfindlichen Messverfahren untersucht werden können. “So gewinnen wir Daten, die später mit denen anderer Mess-Kampagnen rund um den Globus vergleichbar sind”, erklärt Professor Frank. Insgesamt sind in den kommenden Jahren über 50 Expeditionen auf allen Weltmeeren geplant.

Die Ergebnisse dieser Messungen werden für viele Wissenschaftler hoch interessant sein. Biologen wollen wissen, woher, wann und in welchen Mengen Mikro-Nährstoffe beispielsweise durch Staub in die Ozeane gelangen, um damit Gefahren und Chancen für Ökosysteme besser abzuschätzen. Ozeanographen wollen die Spurenstoffe nutzen, um Meeresströmungen zu verfolgen. “Einige der Spurenmetalle zeigen neben Schwankungen in der Konzentration auch Unterschiede in ihrer sogenannten Isotopenzusammensetzung. Und die lässt genaue Rückschlüsse zu, aus welcher Region die Metalle ursprünglich stammen”, so Professor Frank. Klimaforscher können diese Isotopensignale außerdem dazu nutzen, vergangene Klimaszenarien präzise zu rekonstruieren. Und zu guter Letzt wird ein besseres Verständnis der Stoffkreisläufe in den Ozeanen auch dazu beitragen, die Folgen von Umweltschäden besser zu verstehen. “Mit dem Programm und unser Expedition betreiben wir also wirklich Grundlagenforschung, auf deren Resultate viele Kollegen warten”, sagt Professor Frank.

Die Kieler Universität liefert anhand ihrer Forschung zur Klimageschichte neue Erkenntnisse.

Paläoklimaforscher rekonstruieren die Vergangenheit des Klimas anhand von Bodenproben aus Tausenden Metern Tiefe. (c) Elfi Mollier-Vogel / CAU

Auf Einladung der renommierten Fachzeitschrift Nature Geoscience fassen Professor Ralph Schneider und Professorin Birgit Schneider, Institut für Geowissenschaften der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und Exzellenzcluster “Ozean der Zukunft”, in der aktuellen Ausgabe des Journals die jüngsten Ergebnisse weltweiter Forschungsarbeiten zum Klima der Vergangenheit zusammen und ziehen ein beunruhigendes Fazit: Das tatsächliche Ausmaß des zu erwartenden Klimawandels wird nach wie vor unterschätzt.

Die aktuelle Klimapolitik verfolgt das Ziel, die Erderwärmung bis zum Ende des 21. Jahrhunderts auf maximal zwei Grad zu beschränken, um die globalen Auswirkungen des Klimawandels noch beherrschen zu können. Nach Einschätzung des Weltklimarates (IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change) muss dafür die Konzentration an Kohlendioxid (CO2) in der Luft auf einen Wert von maximal 450 ppm (parts per million, Teilchen pro eine Million Luftteilchen) begrenzt werden. Heute liegt der Wert bereits bei 386 ppm und damit gut 100 ppm über dem Wert seit Beginn der Industrialisierung.

Neue wissenschaftliche Studien zeigen jetzt, dass es in der Erdgeschichte bereits im Pliozän vor fünf Millionen Jahren ein wesentlich wärmeres Klima als heute gegeben hat, obwohl gleichzeitig die CO2-Konzentrationen kaum höher lagen. “Diese Studien weisen deutlich darauf hin, dass der Klimawandel unterschätzt wird”, warnt Ralph Schneider. “Wir blicken in die Erdgeschichte zurück, um in die Zukunft zu sehen”, erläutert Schneider: “Dabei wird deutlich, dass in der Klimapolitik viel konsequenter gehandelt werden muss, damit die Erde als Lebensraum für den Menschen in der jetzigen Form erhalten bleibt.”

Grund für das deutlich wärmere Klima vor fünf Millionen Jahren sind Rückkopplungen zwischen einzelnen Komponenten des Klimasystems und zwar speziell dem Grönlandeis, der Vegetation in den hohen Breiten und dem Ozean, der große Mengen Kohlenstoff speichert. Das Abschmelzen des grönländischen Eisschildes führt dazu, dass weniger Sonnenlicht von der Erdoberfläche reflektiert wird. Gleichzeitig dehnen sich die Nadelwälder weit nach Norden aus. Beides führt dazu, dass die Erde mehr Sonnenlicht aufnimmt und sich die Atmosphäre erwärmt. Im Oberflächenwasser des Ozeans löst sich Kohlendioxid aus der Luft, welches über die Ozeanzirkulation in größere Tiefen transportiert und somit der Atmosphäre dauerhaft entzogen wird. Bei steigender Temperatur des Ozeans sinkt die Löslichkeit von Kohlenstoff im Wasser, so dass mehr Kohlenstoff in der Atmosphäre verbleibt und dort den Treibhauseffekt beschleunigt.

“Diese Wechselwirkung von Ozean und Atmosphäre wird den globalen Temperaturanstieg bereits innerhalb von etwa 100 Jahren verstärken”, verdeutlicht Birgit Schneider, die als Klimamodelliererin im Exzellenzcluster “Ozean der Zukunft” eng mit Ralph Schneider zusammenarbeitet. “In den Klimamodellen, die dem IPCC zur Verfügung stehen, werden diese Rückkopplungsmechanismen bislang vernachlässigt”, so Birgit Schneider weiter.

Für die politischen Entscheidungen in den nächsten Jahren sind die Prozesse im Ozean zunächst bedeutender als die der Eisschilde, da hier die Veränderungen schneller wirken. Um herauszufinden, wie stark und wann sich eine geringere Kohlenstofflöslichkeit im Ozean auf das globale Klima auswirkt, entwickelt die Arbeitsgruppe im Exzellenzcluster “Ozean der Zukunft” das computergestützte Klimamodell “Kiel Climate Model System” weiter. Auf dem Hochleistungsrechner an der CAU testen die Forscher, wie sich z.B. der Ozean in verschiedenen Klimaszenarien mit höheren Temperaturen und Kohlendioxidkonzentrationen verhält. Die Ergebnisse aus den Modellsimulationen vergleichen sie mit Daten aus Tiefseeablagerungen, die Aufschluss darüber geben, wie das Klimasystem in der Vergangenheit funktioniert hat. So sichern sie die Modellergebnisse ab.

“Die marine Paläoklimaforschung, die sich über Jahre hier an der Uni Kiel etabliert hat, liefert wichtige Impulse, um derzeitige Einschätzungen über Klimawandelprognosen deutlich zu präzisieren und damit die Basis für zukünftige Anpassungsmaßnahmen zu verbessern”, macht Ralph Schneider deutlich.

Originalarbeit

Schneider, B & R. Schneider: Palaeoclimate: Global warmth with little extra CO2, Nature Geoscience January 2010, Vol. 3, No. 1

Hintergrundinformation

Die Forschungsarbeiten werden finanziell unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Exzellenzcluster “Ozean der Zukunft”) und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (Projekt BioAcid).

Hier gibt es mehr Infos über die Arbeitsgruppe “Marine Klimaforschung” und hier über den Exzellenzcluster “Ozean der Zukunft”.

Prof. Dr. Klaus Hasselmann ist emeritierter Gründungsdirektor des Max-Planck-Instituts für Meteorologie

Prof. Dr. Klaus Hasselmann

Er wird nun mit dem Frontiers of Knowledge Award 2009 in der Kategorie Klimawandel der spanischen BBVA-Stiftung ausgezeichnet. Der mit 400 000 EUR dotierte Preis würdigt Prof. Hasselmanns bahnbrechenden Beitrag zum wissenschaftlichen und öffentlichen Verständnis des Klimawandels: Seine Forschungsmethoden belegten, dass der jüngste Verlauf der globalen Erwärmung vor allem auf das menschliche Handeln zurückzuführen ist.

Dank seiner hervorragenden Mathematikkenntnisse und seines großen Wissens über die grundlegenden System-Eigenschaften von Ozean, Atmosphäre und Land entwickelte Prof. Hasselmann eine “Fingerabdruck-Methode”, die den Einfluss von Naturphänomenen von den Auswirkungen vermehrter, durch den Menschen bedingter Treibhausgasproduktion trennte. Damit schuf er einen Meilenstein in der Wissenschaft: Erstmals ließ sich also zwischen dem Einfluss des Menschen und der Natur auf den beobachteten Klimawandel unterscheiden.

Prof. Hasselmanns Erkenntnisse waren Hauptbestandteil der neuesten Bewertungen (2007)der Arbeitsgruppe I des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) zum Einfluss des Menschen auf das Klima. Seinen fortwährenden Aktivitäten ist es zu verdanken, dass sich eine breit anerkannte Wissenschaftsgemeide zum Klimawandel geformt hat.

Von 1975 bis 1999 war Prof. Hasselmann Direktor des Max-Planck-Instituts für Meteorologie in Hamburg. Nach seinem Studium der Physik und Mathematik in Hamburg promovierte er 1957 in Göttingen. Er lehrte in der Zeit von 1961 bis 1972 an der Universität Hamburg, an der Scripps Institution of Oceanography und an der Woods Hole Oceanographic Institution in den USA. Seit 1999 arbeitet er als Emeritus im Max-Planck-Institut für Meteorologie. Prof. Hasselmann wurde mehrfach für seine bahnbrechenden Forschungsarbeiten ausgezeichnet, u.a. mit dem Umweltpreis der Deutschen Bundesstiftung Umwelt im Jahr 1998. 2002 erhielt er die Vilhelm-Bjerknes-Medaille der Europäischen Geowissenschaftlichen Union.

Der BBVA Foundation Frontiers of Knowledge Award ist bestrebt, weltbeste Forschung und künstlerische Leistung anzuerkennen und zu fördern und kann als zweithöchster Geldpreis nach dem Nobelpreis angesehen werden: jährlich werden 3,2 Mio. Euro für wissenschaftliche und künstlerische Bereiche ausgeschüttet. Er ist der einzige Preis, der auch die Kategorie Klimawandel berücksichtigt. Die Preise werden in acht Kategorien vergeben mit einer Dotierung von 400 000 Euro pro Kategorie. Der Klimawandel-Preis soll sowohl Forschung auf diesem Gebiet als auch praktische Tätigkeiten und Initiativen im Wettlauf gegen den Klimawandel ehren, eines der wichtigen gesellschaftlichen Themen im 21. Jahrhundert. Er wurde zum ersten Mal 2008 an den amerikanischen Wissenschaftler Wallace S. Broecker verliehen.

Die spanische BBVA-Stiftung unterstützt Erkenntnisgewinn, wissenschaftliche Forschung und die Kulturförderung sowie die Vermittlung der Ergebnisse an die Gesellschaft. Diese Bemühungen fließen in Forschungsprojekte, in Bildung und Weiterbildung, Stipendien und Preise. Zu den von der Stiftung bevorzugten Aktivitätsbereichen gehören die Grundlagenforschung, Biomedizin, Ökologie und Schutz der biologischen Vielfalt, Sozialwissenschaften sowie Literatur und musikalisches Schaffen.

Während ihres Lebens produzieren sie Kalk und binden dabei Kohlenstoff aus der Wassersäule.

Echinodermata – Seesterne & Co binden Kohlendioxid – (c) Stephanie Pohl, Sabrina Warnk, Alena Gall

Wenn sie sterben, lagert sich dieser am Meeresboden ab: Echinodermata spielen offenbar eine viel größere Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf als bisher vermutet. Auf der anderen Seite sind sie durch die zunehmende Ozeanversauerung gefährdet. Ihr Einfluss auf das gesamte marine Ökosystem ist somit nicht zu unterschätzen. In einer in der Fachzeitschrift “Ecology Monographs” erschienenen Studie legt eine internationale Forschergruppe unter Leitung des Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) in Kiel erste Einschätzungen vor.

Um ihre Schutzhüllen oder Skelette zu bilden, aber auch für verschiedene andere Prozesse, verbrauchen Echinodermata Kohlenstoff aus dem Meerwasser. Dieser Stamm, dessen Arten in allen Meeren vom Gezeitenbereich bis zur Tiefsee vertreten ist, wird in fünf Gruppen aufgeteilt: Seesterne, Seeigel, Schlangensterne, Seegurken und Seelilien. Bei der Kalkbildung nehmen sie Kalzium und Magnesium in unterschiedlichen Proportionen in ihre Körper auf. Ihre Skelette schließen somit eine bedeutende Menge von anorganischem Kohlenstoff ein, der aus der Atmosphäre ins Wasser gelangt. Diesen Kohlenstoff geben die Echinodermata an den Meeresboden ab, wenn sie sterben. Anders als der von Plankton oder Algen aufgenommene Stoff wird er also nicht in der Wassersäule remineralisiert. Eine neue Studie, die kürzlich in den ESA Ecological Monographs erschienen ist, belegt erstmals den bedeutenden Einfluss von Echinodermata auf das organische wie anorganische Kohlenstoffbudget in den Ozeanen. Haupt-Autor und Leiter der Untersuchungen ist Mario Lebrato, Doktorand am Kieler Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR).

“Unsere Abhandlung verdeutlicht, dass wir erst wenig über die weitreichenden Kohlenstoffprozesse wissen, in die Kalk bildende Arten wie Echinodermata eingebunden sind. Damit deckt sie eine der größten Ungewissheiten im globalen Kalziumkarbonat-Haushalt auf. Uns ist es wichtig, dass der Beitrag des Benthos, also der am Meeresboden lebenden Organismen wie Echinodermata, auf den globalen Kohlenstoffkreislauf neu bewertet wird”, erklärt Mario Lebrato. “Modelle der so genannten ‘Biologischen Pumpe’, die die CO2-Aufnahme und Umsetzung durch Algen und Plankton beschreiben, sollten zukünftig auch die bodennah lebenden Organismen berücksichtigen. Schließlich verarbeiten sie mehr als eine Zehntel Gigatonne Kohlenstoff pro Jahr, was beispielsweise den Beitrag von Foraminiferen, den Kammerlingen, bei weitem übersteigt und nur knapp unter der Gesamtproduktion in der gesamten Wassersäule liegt. Wir müssen dringend mehr Wissen über die biochemischen Prozesse am Boden gewinnen, die ebenso bedeutend wie die Abläufe im freien Wasser sind.

Genauso wichtig ist den Forschern, mehr über die Folgen der Ozeanversauerung – eine Konsequenz der extensiven Nutzung fossiler Energieträger – für Echinodermata und andere Kalk bildende Arten zu erfahren. Erste Versuche lassen auf dramatische Auswirkungen schließen. Denn wenn der pH-Wert des Wassers sinkt, ist es für die Organismen schwieriger und schließlich sogar unmöglich, haltbare Kalkstrukturen aufzubauen. “Je mehr geforscht wird, desto häufiger treten widersprüchliche Trends auf, die es erschweren, den Prozess als Ganzes zu verstehen”, räumt Lebrato ein. “Echinodermata sind ein gutes Beispiel für eine Art, die unerwartete Muster zeigt und uns als Wissenschaftler herausfordert.”

Originalpublikation:
Lebrato, M., D. Iglesias-Rodriguez, R. Feely, D. Greeley, D. Jones, N. Suarez-Bosche, R. Lampitt, J. Cartes, D. Green, and B. Alker, 2009: Global contribution of echinoderms to the marine carbon cycle: a re-assessment of the oceanic CaCO3 budget and the benthic compartments. ESA Ecol. Monogr., doi: 10.1890/09-0553.