KLIMA-MEDIA.de Pressespiegel & Infoblog

Die Erderwärmung wird vermutlich nicht zu einem dauerhaften El Niño-Zustand im südpazifischen Ozean führen.

Cucullaea raea-Schale aus dem Eozän Foto: Devin Buick / Department of Earth Science, Syracuse University, New York, USA

Zu diesem Ergebnis kommt ein internationales Forscherteam, nachdem es 50 Millionen Jahre alte Muschenschalen und Holz aus der Antarktis untersucht hat. In den Wachstumsringen dieser Fossilien finden sich Hinweise darauf, dass es auch in der letzten großen Warmphase der Erdgeschichte einen Klimarhythmus über dem Südpazifik gab, der dem heutigen El Niño-La Niña-Wechselspiel ähnelte.

Überschwemmungen in Peru, Dürre in Australien: Wenn sich der südpazifische Ozean alle drei bis sechs Jahre überdurchschnittlich erwärmt und „El Niño“ die Wetterabläufe bestimmt, verkehrt sich die Welt in den Anrainerstaaten. Fischer holen leere Netze ein, Ernten fallen aus, die Preise steigen und nahezu jedermann hofft, die Warmphase des Klimaphänomens El Niño Southern Oscillation (ENSO) möge so schnell wie möglich wieder abflauen.

Noch wechselt das ENSO-Phänomen regelmäßig von seiner Kaltphase (La Niña) in die Warmphase (El Niño) und zurück. Doch wie sieht die Zukunft aus? Wie wird der weltweite Temperaturanstieg ENSO beeinflussen? Wird es wohlmöglich zu einem dauerhaften El Niño kommen? Um diese wichtige Frage zu beantworten, schauen Wissenschaftler in die Vergangenheit – vor allem in das Eozän vor 60 bis 37 Millionen Jahren. „Das Eozän gilt als die letzte richtig große Warmzeit. Die Antarktis war damals eisfrei und grün. Es wuchsen sogar Bäume und von der Wassertemperatur des Meeres wissen wir, dass sie über das Jahr zwischen zehn und 16 Grad Celsius schwankte“, sagt Thomas Brey, Biologe am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft.

Ihm und Kollegen aus den USA und Deutschland ist es nun zum ersten Mal gelungen, in den Wachstumsmustern von Muschelschalen und Holz aus dem frühen Eozän  einen Rhythmus nach dem Muster des ENSO-Phänomen nachzuweisen.

Brey und Kollegen untersuchten 50 Millionen Jahre alte Schalen der Muschelarten Cucullaea Raea und Eurhomalea antarctica sowie ein Stück Holz von der Antarktisinsel Seymour Island. “Muscheln bilden wie Bäume Wachstumsringe. Deren Breite haben wir vermessen und auf Wachstumsrhythmen untersucht“, sagt Brey.

Ob Muscheln wachsen, hängt vom Futteraufkommen und der Wärme ab. „Das bedeutet, der damalige Wechsel von “guten” und “schlechten” Umweltbedingungen spiegelt sich noch heute in der Breite der Wachstumsringe wieder. Und wie wir zeigen konnten, erfolgte dieser Wechsel im gleichen Drei-bis-sechs-Jahres-Rhythmus, wie wir ihn vom heutigen ENSO kennen“, sagt Brey.

Die Muscheln sind für ihn ein echter Glücksfall. Brey: „Um ENSO nachzuweisen, brauchen wir Klimaarchive, die eine möglichst große Zeitspanne Jahr für Jahr abbilden. Die Muscheln lebten damals bis zu 100 Jahre lang. Das ist eine gute Basis für unsere Arbeit.“

Um ihre Deutung der Wachstumsmuster von Muschelschalen und Holz zu überprüfen, verglichen die Forscher ihre Messergebnisse sowohl mit aktuellen ENSO-Daten als auch mit den ENSO-ähnlichen Schwankungen, die ein Klimamodell des Eozäns produziert. Das Resultat: Alle Muster stimmen überein. „Unsere Ergebnisse sind ein starkes Indiz dafür, dass es auch im warmen Eozän ein ENSO-Phänomen gab, das zwischen warmen und kalten Phasen schwankte“, sagt Brey.

Eine gute Nachricht! Sollten die Wissenschaftler Recht behalten, bedeutet diese Erkenntnis für die Zukunft, dass der weltweite Temperaturanstieg den ENSO-Klimarhythmus über dem südpazifischen Ozean nicht aus dem Takt bringen dürfte.

Alarmierende Meldungen aus der Arktis: Die Ausdehnung des arktischen Meereises hat am 8. September 2011 mit 4,24 Millionen km² ein neues historisches Rekordminimum erreicht.

Das Eis schmilzt – Foto Gabi Huckelmann / Pixelio

Umweltphysiker der Universität Bremen bestätigten jetzt die seit Juli 2011 bestehende Befürchtungen, dass die Eisschmelze der Arktis weiter voranschreitet und sogar das bisherige historische Meereisminimum von 2007 übertroffen worden ist, eine weitere Konsequenz der Menschen gemachten Klimaerwärmung mit globalen Konsequenzen. Unmittelbar wird die Lebensgrundlage von Kleinlebewesen, Fischen, Vögeln und Säugetieren wie Eisbären und Robben mehr und mehr eingeschränkt.

Die Arbeitsgruppe von Dr. Georg Heygster unter der Leitung von Professor Justus Notholt im Institut für Umweltphysik der Universität Bremen untersucht seit vielen Jahren die Meereisausdehnung mit Hilfe von Satellitenmessungen. Sie erstellen mit Förderung der ESA täglich Karten der aktuellen Meereisausdehnung, die jedermann auf der Website der Uni einsehen kann. „Der Rückgang des sommerlichen Eises beträgt seit 1972 bereits 50 Prozent.

Für Kleinlebewesen, die an der Unterseite des Eises leben und gleichzeitig Ausgangspunkt der Nahrungskette auch für uns Menschen sind, bleibt immer weniger Lebensraum“, schildert Dr. Georg Heygster die Folgen der arktischen Meereisschmelze. Denn die Kleinlebewesen benötigen einige Zeit, um sich an der Unterseite des Eises anzusiedeln. Sie stehen am Beginn der Nahungskette für Fische, Säugetieren und auch Menschen,

Die Ausdehnung des arktischen Meereises besitzt einen ausgeprägten Jahresgang mit etwa 15 Millionen km² im März und fünf Millionen km² im September. In 2007 waren es jedoch nur 4,267 Millionen km², dem niedrigsten Wert seit Beginn der Satellitenbeobachtungen 1972 und mit hoher Wahrscheinlichkeit seit dem letzten Klimaoptimum vor etwas 8000 Jahren. In den nächsten Wochen könnte die Fläche noch geringfügig weiter schrumpfen. Die Eiskarten des Instituts zeigen zudem, dass in diesem Jahr auch wieder Nordost- und Nordwestpassage gleichzeitig eisfrei. Erstmals war dies in 2008 eingetreten. Inzwischen beginnt die kommerzielle Nutzung der Nordwestpassage. 2008 hatte Beluga sie mit zwei Schiffen durchfahren, und kürzlich wurde sie in der Rekordzeit von nur acht Tagen von einem Tanker auf der Fahrt von Huston, Texas nach Map Ta Phut, Thailand bezwungen.

Dass das diesjährige Minimum Rekordniveau erreichen könnte, war bereits im Sommer abzusehen. Denn bereits da war die Eisausdehnung, verglichen mit demselben Monat in den anderen Jahren, minimal. Wegen der hohen Sonnenstände und langen Tage im Juli ist die Eisausdehnung zu dieser Zeit klimatologisch viel bedeutsamer als diejenige im September. Die vermehrte Sonneneinstrahlung in das offene Wasser im Juli erwärmt dieses, was zur zusätzlichen Eisschmelze von unten beiträgt und Bildung neuen Eises im folgenden Herbst verzögert. Die Abnahme des sommerlichen Meereises kann nicht mehr mit der natürlichen Variabilität von Jahr zu Jahr erklärt werden. Klimamodelle zeigen, dass sie vielmehr mit der globalen Erwärmung zusammenhängt, die in der Arktis aufgrund des Eis-Albedo-Effektes besonders ausgeprägt ist: Eisfläche, die aufgrund eines geringen Temperaturanstieges schmilzt, ist dann als offenes Wasser dunkler als vorher, nimmt deshalb mehr Sonnenstrahlung auf und trägt so zu einer zusätzlichen Erwärmung bei.

Das Meereis insgesamt schwindet
Im Gegensatz zum Minimum im September nimmt das jährliche Maximum im März weniger ab: im Winter frieren trotz sommerlicher Schmelze große Gebiete wieder zu. Aber: Dieses erstjährige Eis ist deutlich dünner als mehrjähriges Eis, welches mindestens einen Sommer überstanden hat. Deshalb schmilzt die Sonneneinstrahlung im Sommer das erstjährige Eis viel leichter als das mehrjährige Eis, und nach einem Minimum wie 2007 braucht die Eisdecke selbst bei unverändertem Klima mehrere Jahre, um sich zu erholen. Beobachtungen der vergangenen Jahre zeigen, dass außerdem die mittlere Eisdicke abnimmt. Die Gesamtmasse des arktischen Meereises schwindet also sowohl durch die Reduzierung der Fläche als auch der Dicke.

Karten der aktuellen Meereisausdehnung

Vom Menschen verursachte Aerosole wie Sulfatpartikel wirken in der Atmosphäre kühlend.

Ist der Dreck in der Atmosphäre klimatechnisch wünschenswert? – Foto: Dagmar Struß / birdfish

Klimaforscher nehmen an, dass sie einen Großteil des anthropogenen Treibhauseffekts kompensieren. Allerdings müssen sich die Partikel zum Teil in der Atmosphäre erst bilden. Diesen bisher kaum verstandenen Prozess, die Nukleation, nimmt das CLOUD-Experiment am CERN bei Genf unter die Lupe. Die Ergebnisse zeigen: die Beschreibungen der Aerosolneubildung in Klimamodellen muss revidiert werden. Darüber berichtet ein internationales Forscherteam unter Mitwirkung Frankfurter Atmosphärenforscher Prof. Joachim Curtius in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature“.

Natürliche Aerosolpartikel wie Seesalzpartikel oder Sandstaub reflektieren in der Atmosphäre Sonnenlicht und sorgen dafür, dass sich Wolkentröpfchen bilden können. Neben den natürlichen Aerosolpartikeln gibt es auch eine Vielzahl von Partikeln, die durch Menschen in die Atmosphäre gelangen. Ein Teil der Partikel entsteht dort erst neu durch die Zusammenlagerung von Molekülen. In Klimamodellen berücksichtigt man diese sogenannte Nukleation durch Korrekturen aus theoretischen Berechnungen oder man passt die Ergebnisse nachträglich an Beobachtungen an. Die dadurch entstehenden Unsicherheiten lassen sich nun durch exakte experimentelle Daten des CLOUD-Experiments erheblich verringern.

Wie ein internationales Forscherteam unter Mitwirkung Frankfurter Atmosphärenforscher in der Fachzeitschrift „Nature“ berichtet, sind Schwefelsäure- und Ammoniakdämpfe, die bisher als wahrscheinlichste Kandidaten für die Nukleation in der Atmosphäre galten, nicht ausreichend, um die beobachteten Effekte zu erklären. Unter den kontrollierten experimentellen Bedingungen betragen die Nukleationsraten nur ein Zehntel bis ein Tausendstel der in der untersten Atmosphäre gemessenen. „Aufgrund dieser ersten Resultate von CLOUD ist nun klar, dass die Beschreibung der Aerosolnukleation in Atmosphären- und Klimamodellen revidiert werden muss“, urteilt Prof. Joachim Curtius von Institut für Atmosphärenforschung an der Goethe-Universität, der das Doktoranden-Netzwerk für CLOUD koordiniert. Gesucht wird nun nach weiteren chemischen Verbindungen, die zur Nukleation und ihren Effekten beitragen. Die Arbeitsgruppe an der Goethe-Universität trägt durch die Messung der Schwefelsäure sowie durch die Messung von kleinsten Aerosolpartikeln zu den Experimenten bei.

Ein weiteres wichtiges Ergebnis von CLOUD ist, dass die von der kosmischen Strahlung verursachte Ionisation der Atmosphäre die Nukleation bis zum Zehnfachen verstärkt. Dieser Effekt ist insbesondere bei den kalten Temperaturen der mittleren und oberen Troposphäre ausgeprägt. Dort wird die Nukleation bereits durch Schwefelsäure- und Wasserdampf ausgelöst, ohne dass weitere Substanzen notwendig sind. Ob kosmische Strahlen einen signifikanten Einflussfaktor für das Klima darstellen, hängt aber letztlich davon ab, welche anderen Substanzen an der Nukleation beteiligt sind und wie sie von Ionen beeinflusst werden. Dabei interessiert die Forscher besonders, ob die Verbindungen aus menschgemachten oder natürlichen Quellen stammen. Untersuchen wollen sie auch, inwieweit die Aerosolnukleation die Eigenschaften der Wolken im Endeffekt verändert.

CLOUD ist das erste Klimaexperiment, das die in einem Teilchenbeschleuniger erzeugten Teilchen nutzt, um den Einfluss der kosmischen Höhenstrahlung auf die Bildung neuer Aerosolpartikel zu untersuchen. Die speziell für diesen Zweck entwickelte Kammer besteht aus einem vier Meter hohen Zylinder, in dem die Forscher Aerosolpartikel und Wolken unter kontrollierten Bedingungen entstehen lassen. Temperatur, relative Feuchte, Ionisierung und die Konzentrationen der Spurengase lassen sich extrem genau kontrollieren. „Das Besondere an der CLOUD-Kammer ist, dass wir das Maß an störenden und die Messung verfälschenden Verunreinigungen geringer halten können, als in allen bisherigen Experimenten“, erklärt Joachim Curtius. CLOUD verwendet die weltweit beste Instrumentierung um die extrem niedrigen Konzentrationen der Spurengase und die nur wenige Nanometer großen Partikel genau zu messen.

Ein neuentwickeltes Messgerät verfolgt die Entstehung der sich bildenden geladenen molekularen Cluster. Es misst deren chemische Zusammensetzung und das Wachstum vom einzelnen Molekül bis zum fertigen Partikel. Eine weitere Besonderheit ist, dass Nukleationsprozesse unter verschiedenen Bedingungen miteinander verglichen werden können. Denn Spurengase werden einerseits durch die natürliche kosmische Strahlung ionisiert. Andererseits lässt sich eine zusätzliche Ionisierung mit Hilfe eines Pionen-Strahls vom Teilchenbeschleuniger des CERN erzeugen. Auch eine Messung, bei der die Einflüsse der Ionen vollständig unterdrückt werden, ist möglich.

Originalpublikation
Kirkby et al., „Role of sulphuric acid, ammonia and galactic cosmic rays in atmospheric aerosol nucleation”, nature, 25.8.2011, DOI 10.1038/nature10343

Als Folge der Erderwärmung ist der Meeresspiegel in den vergangenen 50 Jahren im Mittel um rund zehn Zentimeter gestiegen.

Wann wird diese Insel verschwunden sein? – Foto: A. Dreher / Pixelio

Nach Einschätzung vieler Klimaforscher dürfte sich der Anstieg in den kommenden Jahrzehnten noch beschleunigen. Wie Wissenschaftler des Kieler Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) jetzt zeigen konnten, gibt es dabei aber große regionale Unterschiede. Ursache dafür sind Veränderungen in den Meeresströmungen, die vor allem im tropischen Pazifik und im Indischen Ozean zu stark schwankenden Wasserständen führen.

Warum stieg der Meeresspiegel in einigen Regionen des tropischen Indischen Ozeans und Pazifiks in den vergangenen 15 Jahren stark an, während es in den Jahrzehnten zuvor dort sinkende Wasserstände gab? Den Ursachen sind nun Kieler Meeresforscher durch Computersimulationen auf die Spur gekommen. Ihre jetzt in der internationalen Fachzeitschrift Geophysical Research Letters publizierte Studie zeigt, dass Schwankungen in den Meeresströmungen, verursacht durch die Passatwinde im tropischen Pazifik, eine Schlüsselrolle spielen.

Den Einfluss von Wind und Meeresströmungen bekommt der tropische Pazifik vor allem infolge des El Niño-Phänomens zu spüren. „Das damit verbundene Hin-und Herschwappen des warmen Oberflächenwassers führt dort zu einem fortwährenden Auf und Ab des Meeresspiegels um bis zu 20 cm innerhalb weniger Jahre“, erläutert Dipl. Ozeanographin Franziska Schwarzkopf, Autorin der Studie vom Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR).

Während diese kurzfristigen Schwankungen durch moderne Satelliten-Messungen sehr gut dokumentiert sind, war über das Muster längerfristiger Veränderungen bislang wenig bekannt: „Unsere mit neuentwickelten Strömungsmodellen vorgenommenen Computersimulationen zeigen, dass die regionalen Wasserstände auch noch über Zeiträume von mehreren Jahrzehnten durch Windänderungen und Meeresströmungen geprägt werden“, erklärt der Leiter der Kieler Ozean-Modellierung und Co-Autor der Studie, Professor Claus Böning. Überraschender Befund der Kieler Forscher: Im Mittel über die letzten 50 Jahre erfuhren einige Bereiche im tropischen Pazifik und Indik dadurch entgegen dem globalen Trend einen fallenden Meeresspiegel.

Die neuen Ergebnisse zum Meeresspiegelanstieg der letzten Jahrzehnte bedeuten eine zusätzliche Herausforderung für die Klimamodellierung: “Ob eine tropische Inselgruppe in den nächsten Jahrzehnten mit einem wesentlich höheren Anstieg als im globalen Durchschnitt rechnen muss oder ob der Meeresspiegel dort vorübergehend sogar fallen könnte, hängt entscheidend von der Entwicklung der Windsysteme und Meeresströmungen ab”, so Böning. “Künftige Forschungsprogramme werden den regionalen Schwankungen in den Ozeanen eine verstärkte Aufmerksamkeit widmen.”

Originalarbeit
Schwarzkopf, F.U. and C.W. Böning, 2011: Contribution of Pacific wind stress to multi-decadal variations in upper-ocean heat content and sea level in the tropical south Indian Ocean. Geophysical Research Letters, 38, L12602, doi: 10.1029/2011GL047651.

Ein Spektrometer auf der Internationalen Raumstation ISS misst die Sonnenaktivität mit großer Genauigkeit und lieferte bereits unerwartete Ergebnisse.

Sonnenspektrometer SolACES soll Klimaforschern helfen – Foto: NASA

Künftig sollen diese in einer Datenbank öffentlich zugänglich gemacht werden: Klimaforscher können mit den Daten untersuchen, wie stark die Sonnenaktivität das Erdklima beeinflusst.
Bisher schwankte die Sonnenaktivität zyklisch: Alle elf Jahre erreichte sie ein Minimum, alle elf Jahre strahlte die Sonne mit maximaler Intensität. Beim letzten Minimum im August 2008 brauchten die Forscher allerdings Geduld: Die Aktivität des Himmelskörpers stieg nicht wie erwartet an, sondern verringerte sich weiter – völlig unerwartet brach die Sonne aus ihrem sonst so verlässlichen Rhythmus. Erst ein Jahr später im September 2009 begann ihre Aktivität wieder leicht anzusteigen. In wie weit beeinflussen die Schwankungen der Sonnenintensität und diese Verschiebung des Sonnenzyklus das Erdklima?

Diese Frage zu klären hilft ein Sonnenspektrometer, das Forscher am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg entwickelt haben – aus einem Guss von der Elektronik über die Optik bis hin zur Mechanik. Das Spektrometer ermittelte auch die Daten, die die Verschiebung des Sonnenzyklus belegen. Es befindet sich an der Internationalen Raumstation ISS, finanziert wurde es über die Europäische Raumfahrtbehörde ESA und vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR. »Mit dem Spektrometer messen wir die extreme Ultraviolett-Strahlung, kurz EUV, mit Wellenlängen von 17 bis 220 Nanometern«, sagt Dr. Raimund Brunner, Projektleiter am IPM.

Das Besondere dabei: Die Wissenschaftler können mit dem Spektrometer nicht nur über einen längeren Beobachtungszeitraum als bei bisherigen Missionen üblich die Aktivität der Sonne messen, sondern auch viel präziser. Möglich machen das zwei Ionisationskammern im Spektrometer, die mit Edelgas gefüllt sind. Trifft EUV-Strahlung auf das Edelgas, löst sie Elektronen aus dem Gas heraus – es fließt elektrischer Strom. Dieser Strom ist proportional zur Stärke der Sonneneinstrahlung und dient den Forschern als Grundlage, um das Spektrometer zu kalibrieren und genaue quantitative Aussagen zu machen – und schlussendlich etwas über die Sonnenaktivität zu erfahren. »Wir erzielen Messwerte mit Fehlern, die unter zehn Prozent liegen, was weitaus besser ist als bei bisherigen Ergebnissen«, betont Dr. Gerhard Schmidtke, wissenschaftlicher Leiter des Projektes.

Die Ergebnisse aus diesem sowie aus zwei ergänzenden Experimenten auf der Raumstation sollen Klimaforschern künftig dabei helfen herauszufinden, in wie weit die Schwankungen der Sonnenintensität das Klima unserer Atmosphäre beeinflussen: Wie viel des Treibhauseffekts ist hausgemacht? Wie viel davon ist auf die Änderung der Sonnenstrahlung zurückzuführen? Die Messdaten verraten insbesondere vieles über die Bedingungen in der Iono- und Thermosphäre, die ab einer Höhe von 80 Kilometern über der Erdoberfläche beginnen. Die EUV-Strahlung steuert die Temperatur und die Teilchendichten der Ionosphäre. Das hat Folgen: Ändert sich die Intensität der Einstrahlung, beeinflusst das sowohl die Bahn von Satelliten als auch die Funkverbindung der Satelliten untereinander und zur Erde. So muss beispielsweise für zentimetergenaue GPS-Daten die Zusammensetzung der Ionosphäre bekannt sein. Künftig sollen die gewonnenen Daten in einer Datenbank im Internet gespeichert werden, um sie öffentlich zugänglich zu machen.

Was der Grund dafür ist, dass die Sonne erstmals seit der Dokumentation der Sonnenaktivität aus ihrem elfjährigen Rhythmus ausgebrochen ist, können die Forscher noch nicht mit Sicherheit sagen. Sie vermuten, dass es neben dem bisher bekannten Sonnenzyklus noch einen weiteren gibt, den Gleissberg-Zyklus, der eine sehr viel größere Zeitspanne hat – vermutlich 75 bis 100 Jahre – und den elfjährigen Zyklus überlagert.

Die Missionszeit des Spektrometers mit der Bezeichnung SolACES, die anfangs nur für eineinhalb Jahre geplant war und nun bereits drei Jahre beträgt, wurde kürzlich von der ESA um weitere drei Jahre verlängert. »So können wir auch das Maximum der Sonnenintensität im Jahre 2013 mit untersuchen«, freut sich der Wissenschaftler.

Tiere und Pflanzen in Küstengebieten sind hart im Nehmen.

Obwohl der Blasentang als unempfindlich gilt, haben ihn Wechselwirkungen in der Ostsee stark dezimiert – Foto: Uli Kunz

Die Bewohner der flachen Ostsee beispielsweise müssen mit stark schwankenden Temperaturen, einem veränderlichen Salzgehalt und sogar mit kurzfristigen Sprüngen des pH-Wertes zurechtkommen. „Diese natürlichen Veränderungen können innerhalb weniger Wochen größer sein, als die in Folge des Klimawandels für die kommenden 100 Jahre vorhergesagten mittleren Verschiebungen“, erklärt der Kieler Meeresbiologe Professor Martin Wahl vom Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR). Sind die Folgen des Klimawandels für Küstenökosysteme also zu vernachlässigen? In einer Studie, die jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Advances in Marine Biology“ erscheint, beantworten Professor Martin Wahl, Dr. Inken Kruse und Dr. Mark Lenz vom IFM-GEOMAR zusammen mit 14 weiteren europäischen und amerikanischen Autoren diese Frage eindeutig mit „Nein“. „Auch kleinste Abweichungen von den Durchschnittswerten in einem Ökosystem können durch ökologische Verstärkung große Folgen haben“, sagt Professor Wahl, „in Einzelfällen können verschiedene Stressoren einander aber auch abpuffern.“

Die oft überraschenden Wechselwirkungen zwischen Belastungen durch ungünstige Umweltbedingungen (z.B. Erwärmung) einerseits und durch Fraßfeinde oder Parasiten andererseits, erläutern die beteiligten Experten aus Deutschland, Finnland, den Niederlanden, den USA, aus Portugal und Schweden anhand der Stressökologie von Großalgen. Eine davon, der Blasentang Fucus vesiculosus, kommt an den Küsten der Nord- und Ostsee, aber auch des Atlantiks und des Pazifiks vor. „Dort spielt er in den Ökosystemen des Flachwassers eine Schlüsselrolle“, erklärt Wahl. Doch obwohl beispielsweise die Blasentang-Populationen der Ostsee einiges gewohnt sein sollten, hat sich der Bestand des Tangs in den vergangenen Jahrzehnten deutlich reduziert. „Eigentlich kann er in Wassertiefen zwischen null und sechs Metern gut leben. Mittlerweile findet man ihn in der Westlichen Ostsee aber nur noch bis ein oder zwei Meter Wassertiefe“, erläutert Professor Wahl.

Diese Veränderung kann nicht mit den direkten Effekten des Globalen Wandels, welcher auch Überdüngung und Bioinvasionen einschließt, alleine erklärt werden. Um sie trotzdem zu verstehen, haben die Autoren der Studie aufbauend auf existierenden Einzelstudien zahlreiche Daten rund um den Blasentang zusammengetragen: Sie haben unter anderem sein Verbreitungsgebiet, seine Licht- und Nährstoffversorgung, Fraßfeinde, seine Abwehrsysteme, seine Reaktionen auf Umweltbelastungen oder auch die genetische Vielfalt einzelner Populationen betrachtet. „Wir haben wirklich alle Gebiete, zu denen es schon Erkenntnisse gab, in die Studie einfließen lassen“, sagt Wahl, „und so konnten wir eine wahre Kaskade an Wirkungen und Wechselwirkungen aufzeigen, die auf einzelne Algen oder auf ganze Populationen einwirken.“ Ein Beispiel: Bei nur leicht steigenden Durchschnittstemperaturen steigt die Beschattung durch Plankton und Aufwuchs – der Blasentang bekommt also weniger Licht. Das lässt seine Energiereserven schmelzen, was wiederum seine Abwehr gegen Krankheitserreger und Fraßfeinde schwächt – was dadurch verstärkt wird, dass unter höheren Temperaturen das Infektionsrisiko steigt und Fraßfeinde hungriger sind. Reduzieren Fressfeinde die Blattfläche, mit der die Alge Photosynthese betreiben kann, verstärkt sich der Energiemangel weiter – eine typische Verstärkerschleife. „Die Liste der möglichen Verstärkungen und Wechselwirkungen ist lang und komplex“, erklärt Professor Wahl. Um sie besser zu verstehen und vermitteln zu können, wird die Stressökologie der Makroalgen zurzeit modelliert.

Die Ergebnisse der Studie sind beispielhaft für Ökosysteme in Küsten- und Schelfmeergebieten der gemäßigten Breiten. „Kaum eine Art wird an einer einzelnen Auswirkung des Klimawandels zugrunde gehen“, resümiert Wahl die bisherigen Erkenntnisse, „trotzdem können wir seine Folgen nicht weglächeln.“ Wahl hofft auf eine veränderte Wahrnehmung, „denn der Schneeballeffekt, den die ökologische Verstärkung hervorrufen kann, ist noch viel zu wenig erforscht.“

Originalpulikation
Wahl, M., V. Jormalainen, B. K. Eriksson, J. A. Coyer, M. Molis, H. Schubert, M. Dethier, A. Ehlers, R. Karez, I. Kruse, M. Lenz, G. Pearson, S. Rohde, S. A. Wikström and Jeanine L. Olsen, 2011: Stress Ecology in FUCUS: Abiotic, Biotic and Genetic Interactions. Advances in Marine Biology, 59, 37-105, doi: 10.1016/B978-0-12-385536-7.00002-9

Reaktive Stickstoffverbindungen aus Landwirtschaft, Verkehr und Industrie führen zu erhöhten Emissionen des Treibhausgases Lachgas (N2O) aus den Wäldern Europas.

Waldböden emittieren klimaschädliches Lachgas. Ursache sind reaktive Stickstoffverbindungen aus Industrie und Landwirtschaft – Foto: Ingwer Hansen

Die Lachgasemission aus dem Waldboden ist mindestens doppelt so hoch wie der Weltklimarat (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) bisher angenommen hatte. Das ist eine der Kernbotschaften des ersten Gutachtens zu Stickstoff in Europa (European Nitrogen Assessment, ENA), das diese Woche im Rahmen der Internationalen Konferenz „Nitrogen and Global Change 2011“ in Edinburgh, Schottland, vorgestellt wird.
Die hauptsächlich vom Menschen verursachten reaktiven Stickstoffverbindungen (z.B. NH3 und NOx) werden nach ihrem Eintrag über die Luft in den Wäldern teilweise zu Lachgas (N2O) umgewandelt. Lachgas gehört nach Kohlendioxid und Methan zu den Hauptverursachern des Treibhauseffekts. Dabei ist ein Kilogramm Lachgas rund 300 Mal treibhauswirksamer als die gleiche Menge Kohlendioxid.

Das nun vorliegende ENA-Gutachten, an dem mehr als 200 Experten aus 21 Ländern aus Wissenschaft und Politik und 89 Organisationen mitgewirkt haben, besagt, dass die Auswirkungen von Einträgen von reaktivem Stickstoff aus der Luft in die Wälder Europas bisher deutlich unterschätzt wurden. Die Studie zeigt, dass etwa 2 bis 6 Prozent des reaktiven Stickstoffs aus der Luft in Lachgas umgewandelt werden, das aus dem Waldboden wieder in die Atmosphäre aufsteigt. Der Weltklimarat (IPCC) war bisher von einer Menge von nur etwa 1 Prozent ausgegangen.

Bezogen auf eine Waldfläche von 188 Mio. Hektar hat sich der Eintrag reaktiven Stickstoffs im Vergleich zum Jahr 1860 im Jahr 2000 um 1,5 Mio. Tonnen erhöht. Dies bedeutet eine Steigerung von etwa 8 Kilogramm reaktiven Stickstoff pro Hektar Wald.

Die Ursache für den gestiegenen atmosphärischen Eintrag von reaktivem Stickstoff sind zum einen die landwirtschaftliche Düngung und damit verbundene Ammoniak-Emmissionen, zum anderen die Stickoxid-Emissionen durch Verbrennung fossiler Energieträger, aber auch die Biomasseverbrennung.

Die Konsequenzen der chronisch erhöhten Einträge von reaktivem Stickstoff in Wälder sind neben den klimaschädlichen Lachgasemissionen aus den Waldböden unter anderem auch eine Veränderung der Artenvielfalt bei Pflanzen und Tieren und erhöhte Nitratausträge ins Wasser.

Bei der Vorstellung dieses Teils des ENA-Gutachtens in Edinburgh betonte Professor Klaus Butterbach-Bahl: “Der atmosphärische Eintrag von reaktivem Stickstoff ist bei weitem zu hoch. Unsere Analyse zeigt, dass gravierende Reduktionen – besonders der Ammoniakemissionen aus der Landwirtschaft – erforderlich sind, um die Lachgasemissionen aus Waldböden zu reduzieren.”

Klaus Butterbach-Bahl ist Professor am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Er leitet den Bereich „Atmosphärische Umweltforschung“ des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU) und ist Leitautor des ENA-Kapitels Nr. 19 zu reaktivem Stickstoff als Gefahr für die EU-Treibhausbilanz („Nitrogen as a threat to the European greenhouse balance“).

Die ENA Studie ist das erste Gutachten, das die vielfältigen Gefahren durch zu hohe Stickstoffeinträge mit ihren ökologischen und ökonomischen Auswirkungen im gesamteuropäischen Kontext beschreibt, vor allem den Beitrag zum Klimawandel und zum Rückgang der Artenvielfalt. Die ENA Studie beschreibt zudem, welche Regionen in Europa besonders gefährdet sind und durch welche Maßnahmen die Risiken verringert werden können, um die Umwelt und die Gesundheit der Bevölkerung zu schützen.

Das ENA-Gutachten wurde für die UN-Kommission für Luftreinhaltung (‘Air Convention’ of the United Nations Economic Commission for Europe) erstellt und durch die Europäische Kommission und die Europäische Wissenschaftsstiftung finanziert.

Zeitgleich mit der Vorstellung des ENA-Gutachtens publizierte die Zeitschrift Nature am 11. April einen Kommentar des leitenden Editors Dr. Mark Sutton vom Centre for Ecology & Hydrology, Grossbritannien. Dieser Kommentar zeigt auf, warum die Verminderung von Stickstoffemissionen eines der zentralen Umweltherausforderungen des einundzwanzigsten Jahrhunderts ist. Dr. Sutton betont: „Dies ist ein herausragendes Ergebnis. Es zeigt, dass Stickstoffemissionen durch die Industrie und die Landwirtschaft in die Atmosphäre wesentlich größere Auswirkungen auf Lachgasemissionen aus Böden haben als bisher angenommen. Dieses Ergebnis liefert zusätzliche Argumente für die Rückführung der Emissionen von Stickstoffoxiden und Ammoniak, was entsprechend positive Auswirkungen für Klima, Luftqualität und Biodiversität hätte.” (Nature 472, Seiten 159-161, 14. April, 2011)

Die ozonarmen Luftschichten haben sich vergangene Woche etwa vom Nordpol bis nach Südskandinavien erstreckt und haben dort an sonnigen Tagen zu erhöhter ultravioletter Strahlung geführt.

Polare Stratosphärische Wolke – das Bindeglied zwischen Ozonabbau und Klimaveränderungen – Foto: Markus Rex / AWI

Nun driften sie ostwärts, werden in den kommenden Tagen über Teilen Russlands liegen und in ihrer südlichen Ausdehnung eventuell bis zur chinesisch-russischen Grenze vordringen. Die in der Arktis vom Ozonverlust betroffenen Luftschichten können in den nächsten Wochen auch über Mitteleuropa driften und dabei bis zum Mittelmeerraum vorstoßen. Vor diesem Hintergrund bestätigte Dr. Markus Rex, Atmosphärenphysiker des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft (AWI) heute auf einer internationalen Pressekonferenz der “World Meteorological Organisation (WMO)” in Wien den beispiellosen Schwund der arktischen Ozonschicht, der sich seit Mitte März weiter verstärkt hat.

“Derart massiven Ozonverlust wie in diesem Frühjahr gab es bisher über der bis in hohe Breitengrade dicht besiedelten nördlichen Hemisphäre nicht”, beschreibt der AWI-Forscher die aktuelle Situation. Der Ozonabbau über der Arktis bewirkt eine erhöhte Belastung mit ultravioletter Strahlung am Erdboden. Aufgrund des niedrigen Sonnenstands in der Arktis ist diese dort normalerweise kein Problem. Wenn allerdings die vom Ozonabbau betroffenen Luftmassen südwärts über Mitteleuropa, Südkanada, USA oder das zentrale asiatische Russland driften, kann die dann dort auftretende Intensität der UV-Strahlung bei empfindlichen Menschen innerhalb von Minuten zu einem Sonnenbrand führen – selbst im April.

Ob und wann so eine Situation eintritt, kann nur kurzfristig vorhergesagt werden. Die aktuellen UV-Vorhersagen der regionalen Wetterdienste sollten deshalb in den nächsten Wochen beachtet werden. Wenn es zu Episoden erhöhter UV-Intensität kommt, werden diese jeweils nur wenige Tage andauern. In dieser Zeit ist ausreichender Sonnenschutz wichtig, vor allem für Kinder.

„Die erwartete UV-Intensität während dieser kurzen Episoden liegt dann aber immer noch in dem Bereich, dem wir im Hochsommer ohnehin ausgesetzt sind und weit unterhalb der Werte, die bei Urlaubsreisen in die Tropen auftreten. Übermäßige Sorge ist daher unnötig. ”, so Rex. “ Das Problem ist, dass die meisten Menschen so früh im Jahr noch nicht mit einem schnell auftretenden Sonnenbrand rechnen und daher den Sonnenschutz weniger ernst nehmen als im Hochsommer oder im Urlaub. ” Jeder Sonnenbrand erhöht das Risiko, im Verlauf des Lebens an Hautkrebs zu erkranken. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt für Kinder.

Rex´ Kollege Dr. Esko Kyrö vom Arktischen Forschungszentrum des Finnischen Meteorologischen Instituts ergänzt: “Bei ausreichendem Sonnenschutz ist es auch in Phasen geringer stratosphärischer Ozonkonzentrationen sicher und sogar gesund, sich ganz normal im Freien zu bewegen. Gerade in den nordischen Ländern neigen Menschen nach den langen, dunklen Wintern zu Vitamin D-Mangel, und Sonnenlicht ist die wichtigste natürliche Quelle für die körpereigene Bildung dieses Vitamins.”

Die tatsächliche UV-Strahlung am Erdboden wird von vielen Faktoren beeinflusst, z.B. von Wolken und von Aerosolen in der Luft. “Alles in allem wird der Ozonschwund über der Arktis in den hohen Breiten der nördlichen Hemisphäre aber definitiv zu einer erhöhten Intensität der UV-Strahlung führen”, bekräftigte Rex heute auf der Pressekonferenz der WMO.

Die Luftmassen mit besonders niedriger Ozonkonzentration werden sich im Verlauf des Frühjahrs auf der Nordhemisphäre durchmischen. Die Ozonkonzentration der Stratosphäre wird im Frühjahr und Frühsommer dann etwas niedriger bleiben als gewöhnlich, der Effekt ist wegen der großen Verdünnung allerdings nur noch sehr gering.

Wie vor einiger Zeit berichtet ist die arktische Stratosphäre in diesem Winter extrem kalt. Dadurch verwandeln sich die Abbauprodukte industrieller Chlorverbindungen in aggressive ozonzerstörende Substanzen. Seit Mitte März hat sich der Ozonschwund durch die Rückkehr des Sonnenlichts, das am chemischen Abbau von Ozon beteiligt ist, weiter verstärkt. Der gegenwärtige Ozonschwund über der Arktis ist der schwerwiegendste seit Beginn der Aufzeichnung von Ozonkonzentrationen mit modernen Messinstrumenten. Die Befunde basieren auf einem internationalen Netzwerk von 30 Ozonsondierungsstationen rund um die Arktis und Subarktis, deren Messungen vom Alfred-Wegener-Institut koordiniert werden. AWI-Forscher Rex: “Die gegenwärtige Situation zeigt deutlich, wie verwundbar die arktische Ozonschicht bei dem Auftreten tiefer Temperaturen ist und wie wichtig es daher ist, ein engmaschiges Netz an Beobachtungsstationen in hohen Breiten aufrechtzuerhalten.“

Hintergrund:

Zu Ozonabbau kommt es, wenn die Abbauprodukte von menschengemachten Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) durch große Kälte in aggressive ozonzerstörende Substanzen verwandelt werden. Bereits seit einigen Jahren weisen Wissenschaftler jedoch auch auf einen möglichen Zusammenhang zwischen Ozonverlusten und Klimaveränderungen hin. Im Bereich der arktischen Ozonschicht hat die Häufigkeit kalter Winter seit Mitte des letzten Jahrhunderts zwar eher etwas abgenommen, die Bedingungen während dieser kalten Winter sind aber immer eisiger geworden und  haben solch schwerwiegenden Ozonverlust in der Arktis erst ermöglicht. „Der aktuelle Winter setzt die Entwicklung eindrucksvoll fort, der  nicht im Widerspruch zur globalen Klimaerwärmung steht.“, erläutert Atmosphärenforscher Rex einen nur auf den ersten Blick paradox erscheinenden Zusammenhang. „Vereinfacht gesagt halten steigende Treibhausgaskonzentrationen die Wärmestrahlung der Erde in tieferen Luftschichten zurück und erwärmen diese. In die darüber gelegene Stratosphäre gelangt weniger der wärmenden Strahlung, dort kommt es dann zu einer Abkühlung. Daher beobachtet man parallel zur Erwärmung des Klimas am Boden eine Abkühlung der Stratosphäre“. Diese findet ausgerechnet im Bereich der Ozonschicht statt und bewirkt offensichtlich die nun beobachtete Verstärkung des Ozonabbaus. „Die komplizierten Details der Wechselwirkungen zwischen der Ozonschicht und Klimaänderungen sind jedoch nicht verstanden und Gegenstand aktueller Forschungsprojekte“, so Rex. Die Europäische Union beteiligt sich an der Finanzierung dieser Arbeiten im Projekt RECONCILE, ein mit 3,5 Millionen Euro unterstütztes Forschungsprogramm in dem 16 Forschungsinstitutionen aus acht europäischen Staaten an einem verbesserten Verständnis der arktischen Ozonschicht arbeiten.

Langfristig wird sich die Ozonschicht durch umfangreiche umweltpolitische Maßnahmen zu ihrem Schutz erholen. An dieser Erwartung ändert auch der nun beobachtete Rekordozonabbau in der Arktis nichts. „Durch die langfristige Wirkung des Montrealer Protokolls wird nennenswerte Ozonzerstörung ab der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts nicht mehr auftreten“ erläutert Markus Rex. Das Montrealer Protokoll ist ein 1987 unter dem Dach der UNO verabschiedetes internationales Abkommen zum Schutz der Ozonschicht, welches inzwischen die Produktion der ozonzerstörenden FCKW weltweit praktisch verbietet. Die bereits freigesetzten FCKW werden allerdings erst in vielen Jahrzehnten wieder aus der Atmosphäre verschwunden sein. Bis dahin hängt das Schicksal der arktischen Ozonschicht wesentlich von der Temperatur in etwa 20km Höhe ab und ist damit an die Entwicklung des Klimas gekoppelt.