KLIMA-MEDIA.de Pressespiegel & Infoblog

Nach dem Höhepunkt der letzten Eiszeit vor rund 21000 Jahren folgten die Mammuts den sich zurückziehenden Gletschern in kühlere Regionen der Nordhalbkugel.

Mammuts starben aufgrund des Klimawandels aus – Abbildung: Mauricio Anton / Wikipedia

Dort starben die beeindruckenden Tiere sowie weitere große Säuger wie Wollnashorn und Höhlenlöwe vor etwa 11000 Jahren aus. Für dieses Massensterben wurden lange Zeit vor allem eiszeitliche Jäger verantwortlich gemacht. Jetzt belegt eine aktuelle Studie: Der Mensch war wahrscheinlich nicht die Hauptursache für das Aussterben der Eiszeitriesen. Der Grund war wohl vielmehr das sich verändernde Klima.
Die bisher umfangreichste Untersuchung über Klima und Vegetation der Nordhalbkugel während der letzten Eiszeit wurde im renommierten Fachjournal „Quarternary Science Reviews“ veröffentlicht. Neben Wissenschaftlern aus England und Schweden ist auch der kürzlich an das Biodiversität und Klima Forschungszentrum (BiK-F) berufene Professor Thomas Hickler daran beteiligt. Der Leiter des Projektbereichs “Dynamische Biosphäre und Klimavariabilität” sagte: „Die so genannte Megafauna hat bereits frühere Warmzeiten überlebt. Deshalb gingen bisher viele davon aus, dass die menschliche Jagd die Hauptursache für ihr Aussterben war. Unsere Ergebnisse bestätigen jedoch Untersuchungen der letzten Jahre, die dem Klima die größere Rolle beimessen.“

Anhand von Pollendaten und Computersimulationen untersuchten die Wissenschaftler die durch den damaligen Klimawandel verursachten Veränderungen der Vegetation während und nach der Eiszeit. Die Ergebnisse belegen eindrucksvoll, wie sich der Lebensraum – parallel zu steigenden Temperaturen, bei zunehmender Feuchtigkeit und dem gleichzeitigen Anstieg des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre – verändert hat. Die Produktivität der Ökosysteme nahm dabei insgesamt zu. Die für die einst riesige Eiszeitsteppe typische krautige Biomasse, von der sich Eiszeitriesen wie Wollmammut und Wollnashorn ernährt hatten, wurde durch Wälder und Tundren verdrängt und ging stark zurück. Die großen Säugetiere fanden deshalb immer weniger Nahrung – was schließlich, in Kombination mit der Bejagung durch den Menschen, zu ihrem Aussterben führte. Und ohne die großen Pflanzenfresser fehlte auch Fleischfressern wie Höhlenlöwen und Höhlenbären die Beute, sie verschwanden ebenfalls.

Thomas Hickler sieht in diesen eiszeitlichen Ereignissen eine Parallele zur heutigen Zeit. Im Hinblick auf die Bedrohung von Arten und Lebensräumen äußert der BiK-F-Wissenschaftler: „Die Auswirkungen der Kombination aus Klimawandel und menschlicher Einflussnahme auf die Ökosysteme könnte auch in naher Zukunft zu Massenaussterben führen, zumal es wahrscheinlich noch deutlich wärmer wird als damals. Außerdem greift der Mensch heute viel stärker in die Umwelt ein als damals durch die Jagd. Land- und Forstwirtschaft nehmen bereits zirka 50 Prozent der Landoberfläche in Anspruch, und immer mehr Menschen konkurrieren mit der Artenvielfalt um das, was noch übrig ist.“

Originalpublikation:

Judy R.M. Allen, Thomas Hickler, Joy S. Singarayer, Martin T. Sykes, Paul J. Valdes, Brian Huntley,: Last glacial vegetation of northern Eurasia. – Quaternary Science Reviews doi:10.1016/j.quascirev.2010.05.031.

Ziel des Biodiversität und Klima Forschungszentrums (BiK-F) ist es, international herausragende Forschung auf dem Gebiet der Interaktionen zwischen organismischer Biodiversität und Klima durchzuführen.

Mit innovativen Forschungsansätzen und unter Einsatz eines breiten Spektrums moderner Methoden – von der satellitengestützten Fernerkundung der Klima-, Areal- und Ökosystemreaktionen bis hin zur Molekulargenetik und Massenspektrometrie – werden vergangene wie gegenwärtige Ereignisse und Prozesse dokumentiert und analysiert, um darauf basierend verlässliche Projektionen für die Zukunft zu erarbeiten.

Das Zentrum stellt durch seine Tätigkeit sowohl auf regionaler, nationaler und europäischer Ebene, als auch auf globaler Ebene wissenschaftliche Expertise zur Verfügung, wie sie für die umfassende Erforschung und für das Management klimawandelbedingter, ökologisch und medizinisch relevanter Biodiversitätsveränderungen benötigt wird. Hierdurch trägt es auch zur Erfüllung internationaler Übereinkommen wie der UN-Biodiversitätskonvention, der UN-Klimarahmenkonvention, der EU-Fauna-Flora-Habitat-Richtlinie oder der EU-Wasserrahmenrichtlinie bei.

Quelle: Website des BIK-F

Mit dem Ziel, anhand eines breit angelegten Methodenspektrums die komplexen Wechselwirkungen von Biodiversität und Klima zu entschlüsseln, wird das Biodiversität und Klima Forschungszentrum (BiK-F) seit 1. Juli 2008 im Rahmen der hessischen Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz (LOEWE) gefördert.
Das Senckenberg Forschungsinstitut und die Goethe-Universität Frankfurt sowie weitere direkt eingebundene Partner kooperieren eng mit regionalen, nationalen und internationalen Institutionen aus Wissenschaft, Ressourcen- und Umweltmanagement, um Projektionen für die Zukunft zu entwickeln und wissenschaftlich gesicherte Empfehlungen für ein nachhaltiges Handeln zu geben.

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.

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.)

Für das nächste Jahrhundert hat der Weltklimarat für die ariden und semi-ariden Gebiete im südlichen Afrika sehr dynamische Klimaszenarien mit einem erhöhten Vorkommen von extremen Regenfällen vorhergesagt.

Afrikanische Striemengrasmaus (Rhabdomys pumilio) – Foto: IZW

Klimabedingungen haben einen starken Einfluss auf das Vermehrungspotential von Parasiten. Viele von ihnen gelten als Krankheitserreger, die den Menschen, seinen Viehbestand und auch Wildtiere befallen können. Eine Studie von Ökologen des Leibniz-Instituts für Zoo- und Wildtierforschung (IZW) ermöglicht nun erste Rückschlüsse darauf, welche Folgen der Klimawandel auf den Parasitenbefall für Wild- und Nutztiere im südlichen Afrika hat.
So kommen in Afrikanischen Striemengrasmäusen (Rhabdomys pumilio) mehr Würmer vor, je feuchter und kühler die Region ist, in der die Mäuse leben. An sieben Standorten in Namibia und Südafrika hatten Götz Froeschke und Prof. Simone Sommer vom IZW gemeinsam mit Kollegen aus Hamburg und Südafrika insgesamt 440 Mäuse gefangen und untersucht. Die Fangstellen unterscheiden sich stark in Bezug auf den Jahresniederschlag, das Temperaturmittel und die Luftfeuchtigkeit. „Im Süden Namibias am Fish River Canyon fallen nur ca. 80 Millimeter Regen im Jahr, in Jonkershoek nahe der Atlantikküste hingegen weit über 1100 Millimeter“, erläutert Froeschke. Die Afrikanische Striemengrasmaus kann mit sehr unterschiedlichen klimatischen Bedingungen leben und gilt als Überträger von gefährlichen Ektoparasiten, wie beispielsweise einer Zeckenart, die den Krim-Kongo-Fieber-Virus in sich trägt.

Die Evolutionswissenschaftler setzten die gemessenen Klimawerte statistisch in Beziehung zu dem Befall an Parasiten im Verdauungstrakt der Mäuse. In den 440 Tieren wiesen sie 15 Arten von Würmern, darunter vor allem Nematoden (Rundwürmer) nach. Circa 18 Prozent der Mäuse waren nur von einer Art befallen, knapp 23 Prozent trugen sogar zwei oder drei verschiedene Spezies. Besonders häufig stellten die Wissenschaftler die Parasiten an Standorten fest, die im Vergleich zum heißen Süden Namibias feucht und kühl waren. Sowohl Niederschlagsmenge als auch Luftfeuchtigkeit weisen einen hohen positiven Zusammenhang mit dem Befall auf. „Viele Würmer brauchen in ihrem Lebenszyklus eine feuchte Umgebung, da sie als Ei oder als Larve außerhalb des Wirtsorganismus überleben müssen“, erklärt Simone Sommer. „Manche Arten wie Syphacia obvelata sind sehr anpassungsfähig und kommen auch aufgrund einer sehr direkten Übertragung in trockenen Gegenden vor, für viele Würmer ist dies aber nicht möglich.“
Die Temperatur hat einen deutlich geringeren Einfluss auf das Vorkommen von Parasiten in den untersuchten Tieren. Dennoch ist auch dieser Zusammenhang signifikant: je kühler das Jahresmittel desto häufiger sind Mäuse von Würmern befallen. Mit der Temperaturverteilung kann circa 15 Prozent der Varianz des Parasitenbefalls erklärt werden, mit den Niederschlagsunterschieden sind es über 87 Prozent.

„Dies ist die erste empirische Studie, die den Einfluss von Klimavariablen auf den Befall mit Parasiten in Säugetieren entlang eines natürlichen Klimagradienten beschreibt“, ordnet Prof. Sommer die Erkenntnisse ein. Bisher war nur aus Tests unter Laborbedingungen bekannt, dass beispielsweise die Luftfeuchtigkeit eine bedeutende Rolle spielt. Die Striemengrasmaus soll nun als Modellspezies für kommende Studien dienen, bei denen auch größere Säugetiere und vor allem Nutztiere untersucht werden. Die Wissenschaftler erhoffen sich Rückschlüsse darauf, wie der Klimawandel auf Viehbestände oder Wildtiere wirkt. „Bisher gibt es lediglich Vermutungen, welchem Druck Parasiten und Wirte durch Klimaänderungen ausgesetzt sind. Durch unsere Studie an den Striemengrasmäusen haben wir eine Datengrundlage geschaffen und elementare Zusammenhänge aufgezeigt“, erklärt Sommer. In feuchter werdenden Regionen müssten sich Tiere wahrscheinlich auf einen höheren Parasitenbefall einstellen. Es gelte aber noch im Detail zu erforschen, wie welche Spezies an welchem Ort auf der Welt auf Klimaränderungen reagiert. In weiterführenden Arbeiten planen die Wissenschaftler des IZW, auch genetische und physiologische Untersuchungen einzuschließen.

Die Studie entstand gemeinsam mit Rainer Harf (Universität Hamburg) und Dr. Sonja Matthee (University of Stellenbosch, Südafrika) und ist 2010 in der Fachzeitschrift OIKOS erschienen.

Das Max-Planck-Institut für Meteorologie veröffentlicht neue Modellrechnungen.

Wieviele Emissionen können wir uns noch leisten? – Foto: Dagmar Struß / birdfish

Erich Roeckner und seine Koautoren am Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) gehen der Zwei-Grad-Frage in einer jetzt erschienenen Veröffentlichung mit dem Titel „Historical and future anthropogenic emission pathways derived from coupled climate-carbon cycle simulations“ in der Fachzeitschrift „Climatic Change“ nach.
Als Erste veröffentlichen sie die Ergebnisse einer Pilotstudie, die im Rahmen des EU-Projekts ENSEMBLES durchgeführt wurde. Die Wissenschaftler berechnen mit einem gekoppelten Klima-Kohlenstoffkreislauf-Modell des MPI-M die CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen, die noch erlaubt sind, um das von der EU angestrebte 2°C-Ziel nicht zu überschreiten. Dazu wenden sie eine Inversmethode an, mit der aus vorgegebenen CO2-Konzentrationen zeitliche Emissionsverläufe rekonstruiert werden können.

Ergebnis

Es müssen signifikante und baldige Maßnahmen getroffen werden, um Emissionen von Treibhausgasen zu vermindern. Nur so kann die globale Erwärmung in diesem Jahrhundert bei nicht mehr als 2°C oberhalb des vorindustriellen Niveaus stabilisiert werden. Im verwendeten Stabilisierungsszenario steigt die „erlaubte“ CO2-Emission von ca. 7 GtC im Jahr 2000 auf einen Maximalwert von ca. 10 GtC im Jahr 2015 an. Danach müssen die Emissionen deutlich reduziert werden, und zwar um 56 % bis zum Jahr 2050 und um fast 100 % gegen Ende dieses Jahrhunderts. Die globale Erwärmung bleibt nach den Berechnungen des MPI-M bis 2100 zwar unterhalb der 2°C-Grenze, längerfristig ist jedoch eine weitere Erwärmung nicht auszuschließen.

Methodik

Ziel der Studie ist es, zukünftige Klimaänderungen und CO2-Emissionen in einem Szenario zu simulieren, in dem die CO2(äquivalent)-Konzentrationen in der Atmosphäre langfristig auf 450 ppm stabilisiert werden. Hintergrund für dieses sogenannte E1-Szenario ist das politische Ziel der EU, die durch den Menschen verursachte globale Erwärmung auf maximal 2°C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Das E1-Szenario wurde im ENSEMBLES Projekt mithilfe eines „Integrated Assessment Models“ entwickelt, das u. a. Energieerzeugung, Landnutzung und Kohlenstoffkreislauf beinhaltet sowie ein einfaches Klimamodell. Die mit diesem Modell berechneten Konzentrationen von Treibhausgasen und Aerosolen dienen als Input für die MPI-M Simulationen.

Erich Roeckner und seine Koautoren folgen in ihrer Studie einer Methodik, die das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) für die Simulationen zum fünften Weltklimastatusbericht (Assessment Report 5 – AR5) vorschlägt: Erdsystemmodelle inklusive Kohlenstoffkreislauf werden benutzt, um die anthropogenen CO2-Emissionen abzuschätzen, die mit einem vorgeschriebenen Konzentrationsverlauf vereinbar sind. Die berechneten Emissionen hängen dann allein davon ab, welcher Anteil des anthropogenen Kohlenstoffs im Modell von der Landoberfläche und den Ozeanen aufgenommen wird. In der vorliegenden Studie wurde die „Ensemblemethode“ verwendet: Die Wiederholung der Experimente mit unterschiedlichen vorindustriellen Startterminen erlaubt, anthropogene Klimaänderung und interne Klimavariabilität zu unterscheiden.

Modell

Das für diese Studie genutzte Modell ist eine grob aufgelöste Version (ca. 400 km Gitterabstand) des Erdsystemmodells des MPI-M mit den Subsystemen Atmosphäre einschließlich der Landoberfläche, Ozean inklusive Meereis sowie dem marinen und terrestrischen Kohlenstoffkreislauf. Abgesehen vom Kohlenstoffkreislauf und feinerer Gitterauflösung (200 km Gitter), wurden mit diesem Modell die Berechnungen für den AR4 des IPCC am MPI-M durchgeführt.

Ergebnisse

Relation von Emissionen und Temperaturen – Abb.: MPI
Abbildung 1a zeigt den zeitlichen Verlauf der vom Modell berechneten CO2-Emissionen im E1-Stabilisierungsszenario. Nach einem Anstieg bis zu einem Maximalwert von etwa 10 GtC im Jahr 2015 folgt eine Abnahme auf 4.5 GtC im Jahr 2050. Dies entspricht einer Reduktion um 56 % in 35 Jahren. Bis zum Ende dieses Jahrhunderts müssen die fossilen CO2-Emissionen gegen Null gehen, um eine langfristige Stabilisierung der atmosphärischen CO2-Konzentration zu erreichen.

Abbildung 1b zeigt die zeitliche Entwicklung der globalen Jahresmitteltemperatur nahe der Erdoberfläche. Bis zum Jahr 2040 steigt die globale Erwärmung noch relativ stark an. Danach nähert sie sich allmählich der 2°C-Grenze. Offenbar ist aber am Ende des Jahrhunderts noch kein Gleichgewichtszustand erreicht, und vermutlich würde die 2°C-Grenze bei Fortsetzung der Simulationen im 22. Jahrhundert überschritten werden.

Abb. 1a (links): Beobachtete und simulierte CO2-Emissionen in GtC/Jahr. Gezeigt wird das 11-jährige übergreifende Mittel für 5 Modellsimulationen (dünne Linien) und für das Ensemblemittel (fett). Hellgrün: Vergangener Zeitraum (1950-2000); dunkelgrün: Stabilisierungsszenario E1 (2001-2100); schwarz: Beobachtungen.

Abb. 1b (rechts): Analog zu Abb. 1a für die Anomalien der globalen Jahresmitteltemperatur in Bodennähe bezüglich des Referenzzeitraums 1860-1880.

Analoge Modellsimulationen wurden im Rahmen des ENSEMBLES-Projekts an mehreren europäischen Klimazentren durchgeführt. Eine Zusammenschau der Ergebnisse wurde von T.C. Johns vom Met Office, Hadley Centre, UK, zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift „Climate Dynamics“ eingereicht.

Originalveröffentlichung

E. Roeckner, M.A. Giorgetta, T. Crüger, M. Esch und J. Pongratz: Historical and future anthropogenic emission pathways derived from coupled climate-carbon cycle simulations. Climatic Change, DOI 10.1007/s10584-010-9886-6, (2010). http://www.springerlink.com

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Ökosysteme der Landoberfläche nehmen jedes Jahr etwa 123 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid (ca. 450 Milliarden Tonnen CO2) aus der Atmosphäre auf.

Regenwald in Ghana aufgenommen von einer “Fluxtower”-Messstation – Foto: Carboafrica

Anhand von weltweiten Messungen und datenbasierten Modellrechnungen hat ein internationales Forscherteam um Christian Beer vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena nun erstmals beobachtungsbasiert die Größe dieses umfangreichsten Austauschprozesses von Kohlenstoff zwischen Atmosphäre und Landoberfläche ermittelt und die Einflüsse des Klimas darauf bestimmt.

Die Forscher verglichen ihr Ergebnis darüber hinaus mit den Berechungen verschiedener räumlich aufgelöster Vegetationsmodelle, darunter das führende Modell LPJmL des PIK. Tropische Ökosysteme wie Regenwälder und Savannen setzen fast zwei Drittel des CO2 um, berichten sie nun in einem Artikel des Journals „Science“, der am heutigen Montag auf der Website „Science Express“ erschienen ist.

„Die Ergebnisse bestätigen den großen Einfluss, den Niederschlag auf den globalen Kohlenstoffkreislauf hat: Er bestimmt auf zwei Fünfteln des gesamten bewachsenen Landes, wie viel CO2 die Vegetation aufnimmt“, sagt Alberte Bondeau vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), die Computersimulationen der globalen Vegetation zur Studie beigetragen hat. Die globale Erwärmung werde die zeitlichen und räumlichen Muster des Niederschlags merklich verändern. „Und das könnte sich wiederum sehr stark auf die Produktivität der Land-Ökosysteme auswirken“, sagt Bondeau.

Um zu bestimmen, wie viel CO2 verschiedene Ökosysteme aus der Atmosphäre aufnehmen, nutzten die Forscher Informationen aus einem globalen Netzwerk von mehr als 250 Messstationen, die fortlaufend Daten liefern. Mit den Daten wurden Computermodelle gefüttert, um die so genannte Bruttoprimärproduktion zu berechnen, die weltweit von der Vegetation der Ladoberfläche aufgenommene CO2-Menge.

Dieser Wert von jährlich etwa 450 Milliarden Tonnen bezeichnet die gesamte Menge des Gases CO2, das durch Photosynthese auf Land zu Biomasse umgesetzt wird. Er hängt stark von den Umweltbedingungen ab, vor allem den klimatischen Bedingungen und den Eigenschaften der Vegetation. Das CO2, das der Atmosphäre auf diese Weise entzogen wird, kehrt unterschiedlich schnell wieder dorthin zurück. Einen großen Teil setzen die Pflanzen schnell durch ihren Stoffwechsel wieder frei. Ein weiterer Teil des gebundenen CO2 fließt langsamer zurück, wenn Laub oder Holz im Boden zersetzt werden oder in Feuern verbrennen. Diese Verzögerungen im Rückfluss von Kohlenstoff in die Atmosphäre sind wichtig für die Geschwindigkeit, mit welcher der Klimawandel aufgrund menschlicher Emissionen des Treibhausgases voranschreitet.

Obwohl die globale CO2-Aufnahme durch die Landvegetation prägend für den Kohlenstoffkreislauf der Erde ist, konnte ihr Wert erst in der nun veröffentlichten Studie zuverlässig eingegrenzt werden. Die Ergebnisse bestätigen den großen Beitrag der tropischen Vegetation zum Gesamtumsatz und sie belegen den engen Zusammenhang von CO2-Aufnahme und Niederschlag in weiten Teilen der Erde.

Das Forscherteam hat das Ergebnis der beobachtungsbasierten Berechnung zudem mit Projektionen von Computermodellen der globalen Ökosysteme verglichen. Mit diesen Modellen wird auch die künftige Bilanz des Kohlenstoffaustauschs zwischen Land und Atmosphäre bei fortschreitendem Klimawandel berechnet. In der Studie wurden zwei am PIK entwickelte Versionen eines solchen Modells verwendet: eine für die globale potentielle natürliche Vegetation (LPJ) und eine, die die weltweite landwirtschaftliche Landnutzung mit berücksichtigt.

Der Vergleich zeigt, dass die derzeit verfügbaren Modelle in der Lage sind, Unterschiede in der Kohlenstoffaufnahme in verschiedenen geographischen Breiten darzustellen. Sie weichen jedoch bezüglich der Größe und bei regionalen Details noch deutlich voneinander ab. Zudem wird der Einfluss des Niederschlags auf die CO2-Aufnahme generell überschätzt. Wahrscheinlich mindern bislang nicht berücksichtigte Mechanismen wie etwa biologische Anpassung den Einfluss des Klimas auf die Vegetation. Das PIK-Modell LPJmL, das Auswirkungen der Landwirtschaft, speziell auch der Bewässerung, mitberücksichtigt, zeigt jedoch zutreffend einen reduzierten Einfluss des Niederschlags auf die Kohlenstoffaufnahme, obwohl er ein wichtiger Klimaeinfluss bleibt. Die genauen Details der beteiligten Faktoren sind ein Thema für künftige Forschungen.

„Die Ergebnisse der Studie sind enorm bedeutsam“, sagt Wolfgang Lucht, Co-Chair des PIK-Forschungsbereichs Klimawirkung und Vulnerabilität. „Sie ist ein großer Schritt in unserem Verständnis der klimaregulierenden Wirkung der Landoberfläche durch CO2-Austausch und bezüglich der weltweiten Biomasseproduktion.“ Die Fähigkeit, diese Prozesse zu modellieren, habe nun eine solidere Grundlage erhalten. Die veröffentlichten Zahlen zeigten, dass alle sieben Jahre die gesamte Menge des CO2 in der Atmosphäre einmal durch die Blätter der globalen Vegetation fließe. „Dies ist einer der wichtigsten Prozesse im Erdsystem – und nun können wir ihn zuverlässig quantifizieren“, sagt Lucht.

Originalpublikation:

Artikel: Beer, C., M. Reichstein, E. Tomelleri, P. Ciais, M. Jung, N. Carvalhais, C. Rödenbeck, M. Altaf Arain, D. Baldocchi, G. B. Bonan, A. Bondeau, A. Cescatti, G. Lasslop, A. Lindroth, M. Lomas, S. Luyssaert, H. Margolis, K. W. Oleson, O. Roupsard, E. Veenendaal, N. Viovy, C. Williams, I. Woodward, and D. Papale, 2010: Terrestrial Gross Carbon Dioxide Uptake: Global Distribution and Co-variation with Climate.
Veröffentlicht auf der „Science Express“ Website

Weitere Informationen:

Fluxnet Datenbank
Carboafrica: Quantification, understanding and prediction of carbon cycle and other GHG gases in Sub-Saharan Africa

Heute bricht das Forschungsschiff Polarstern zu seiner 25. Arktisexpedition auf.

Die Polarstern arbeitet sich durch das Eis – (c) Michael Trapp / AWI

Von Bremerhaven geht es zunächst in die Grönlandsee, wo überwiegend ozeanographische Arbeiten auf dem Programm stehen. Nach kurzem Zwischenstopp in Longyearbyen (Spitzbergen) fährt Polarstern am 30. Juni in den so genannten HAUSGARTEN des Alfred-Wegener-Instituts und in die Framstraße. Hier führen die Wissenschaftler biologische Langzeituntersuchungen und weitere ozeanographische Messungen durch. Am 31. Juli startet in Reykjavik, Island, der dritte Abschnitt zu geowissenschaftlichen Forschungen in die nördliche Baffin Bay (Kanada). Über 120 Wissenschaftler und Techniker von Instituten aus sechs Nationen nehmen an den drei Abschnitten der Expedition teil. Polarstern wird am 10. Oktober in Bremerhaven zurückerwartet.

„Die hydrographischen Arbeiten auf dem ersten Fahrabschnitt bilden einen wichtigen Mosaikstein zu Langzeit-Messreihen, wie sie für die klimabezogene Forschung unverzichtbar sind“, erklärt Fahrtleiter Dr. Gereon Budéus, Ozeanograph am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft. In der Grönlandsee untersucht er mit seinen Kollegen schon seit über zehn Jahren Stärke und Einfluss der Winterkonvektion, welche die Verteilung von Wärme und Salz in der untersuchten Region bestimmt und die Erneuerung der tiefsten Schichten im Ozean steuert. Weiterhin beschäftigen sich Biologen mit dem Plankton im Untersuchungsgebiet, also Kleinstlebewesen, die in der Wassersäule schweben. Die mikroskopisch kleinen Tiere und Algen aus drei unterschiedlichen biogeographischen Klimazonen (polar, arktisch und atlantisch) kommen hier relativ dicht beieinander vor. Ob sich bestimmte Arten wegen veränderter Umweltbedingungen weiter ausbreiten oder weniger häufig vorkommen, ist Gegenstand der Forschung.

Im Tiefsee-Langzeitobservatorium des Alfred-Wegener-Instituts, dem so genannten HAUSGARTEN, untersuchen Wissenschaftler auf dem zweiten Fahrtabschnitt im Juli, wie das arktische marine Ökosystem auf den globalen Klimawandel reagiert. Eingebunden in zahlreiche nationale und internationale Projekte werden am Kontinentalhang vor Spitzbergen zwischen 1000 und 5500 Metern Wassertiefe seit über zehn Jahren regelmäßig Probennahmen und Experimente durchgeführt, in denen untersucht wird, wie das Tiefseeökosystem beispielsweise auf den Rückgang des Meereises und damit verbundene Veränderungen in der Nahrungsversorgung reagiert. Zusätzlich setzen die Wissenschaftler hydrographische Langzeituntersuchungen in der Framstraße fort, der einzigen Tiefenwasserverbindung zwischen dem Nord-Atlantik und dem zentralen arktischen Ozean. Hier zeichnen ozeanographische Verankerungen Daten über den Salzgehalt und die Temperatur des Wassers auf. Sie erlauben den Austausch von Wassermassen zwischen beiden Meeresgebieten zu quantifizieren.

Der dritte Abschnitt startet Ende Juli von Reykjavik und führt Polarstern in kanadische Gewässer. Wissenschaftler unter der Leitung der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) untersuchen die geologischen Strukturen und die tektonische Entwicklung der nördlichen Baffin Bay und der angrenzenden kanadischen und grönländischen Kontinentränder. Sie möchten rekonstruieren, wann und wie sich die Baffin Bay im Verlauf der Erdgeschichte geöffnet hat und welche geologischen Prozesse bei der Abtrennung Grönlands von Nordamerika stattgefunden haben. Die geodynamische Rekonstruktion der Öffnung dieser Flachwasserverbindung zwischen Nordpolarmeer und Atlantik bildet die Grundlage für paläobathymetrische Modelle. Diese dienen einer detaillierteren Vorstellung, wie sich globale Strömungs- und Sedimentationsprozesse verändert haben. Hiermit werden Beiträge zum besseren Verständnis der Paläoklima- und Sedimentbeckenentwicklung in der Arktis erbracht.

Über 120 Wissenschaftler und Techniker von Instituten aus sechs Nationen nehmen an den drei Abschnitten der Expedition teil. Nach vier Monaten in der Arktis wird Polarstern voraussichtlich am 10. Oktober wieder in ihrem Heimathafen Bremerhaven einlaufen.