KLIMA-MEDIA.de Pressespiegel & Infoblog

Hohe Methankonzentrationen in sibirischen Küstengewässern, die auf tauende Permafrostböden zurückgeführt wurden, machten 2010 weltweit Schlagzeilen.

Hohe Methan-Konzentration in Laptev-See – Foto: T. Klagge / IFM-GEOMAR

Eine Studie deutscher, kanadischer und russischer Wissenschaftler unter Leitung des Kieler Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) zeigt jedoch, dass in diesem Fall nicht der aktuelle Klimawandel schuld ist. Die Studie ist in der internationalen Fachzeitschrift „Journal of Geophysical Research – Oceans“ erschienen.

Die globale Erwärmung birgt viele Gefahren. Dazu gehört auch das mögliche Auftauen von Permafrostböden in der Arktis. Methan, das bisher im Permafrost gebunden war, könnte in die Atmosphäre gelangen und als effektives Treibhausgas die Erwärmung der Atmosphäre weiter beschleunigen, so die Befürchtung. Tatsächlich belegten wissenschaftliche Studien in den vergangenen Jahren hohe Methankonzentrationen in den flachen Küstenmeeren Ostsibiriens. Der Schluss lag nahe, dass der Permafrost im Meeresboden bereits abtaut und Methan ins Wasser entlässt. Wissenschaftler des Kieler Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) haben zusammen mit Kollegen aus Russland und Kanada diese Vermutung überprüft. Ihr Ergebnis: „Die Methankonzentrationen vor den sibirischen Küsten sind keine Folge der aktuellen Klimaerwärmung, sondern Spätfolgen einer Klimaveränderung, die vor etwa 10.000 Jahren begann“, erklärt Dr. Igor Dmitrenko vom IFM-GEOMAR. Er ist Erstautor der Studie, die in der internationalen Fachzeitschrift „Journal of Geophysical Research – Oceans“ erschienen ist.

Für ihre Studie nutzten die Wissenschaftler unter anderem hydrographische und meteorologische Daten des Staatlichen Instituts für Arktis und Antarktisforschung (AARI) Russlands, die bis ins Jahr 1920 zurückreichen. Sie ergänzten diesen umfangreichen Datensatz mit neueren Messungen, die zwischen 1993 und 2009 im Rahmen des deutsch-russischen Projektes „System Laptev-See“ in den ostsibirischen Schelfgebieten gewonnen wurden. „Tatsächlich zeigen diese Daten eine deutliche Erwärmung der unteren bodennahen Wasserschichten von 2,1 Grad Celsius seit Mitte der 1980er Jahre“, sagt Dr. Dmitrenko. Diese Ergebnisse verbanden die Forscher mit Modellrechnungen zur Entwicklung des Permafrostbodens. Dabei fanden sie heraus, dass der angenommene Tauprozess im unterseeischen Permafrost nicht mit dem aktuellen Temperaturanstieg erklärt werden kann.

Gebildet haben sich die Permafrostböden während der Eiszeiten, als der heutige Meeresboden der sibirischen Schelfgebiete noch Land war. Erst vor rund 8500 Jahren wurden sie am Ende der jüngsten Eiszeit überschwemmt. Damals stieg die Temperatur im Boden von durchschnittlich minus 13,5 Grad Celsius auf nur noch minus 1,5 Grad Celsius „Das war der radikalste Temperaturwechsel seitdem“, betont Dr. Dmitrenko. Die Modellrechnungen zeigen, dass damals ein sehr langsamer Tauprozess begonnen hat, der bis heute anhält. „Die hohen Methankonzentrationen im Wasser der sibirischen Schelfgebiete sind also wahrscheinlich keine Folge des jüngsten Temperaturanstieges in der Arktis, sondern Spätfolgen der Erwärmung am Ende der Eiszeit“, so Dmitrenko.

Bis der aktuelle, von Menschen verursachte Klimawandel die unterseeischen Permafrostböden erreicht, kann noch viel Zeit vergehen. „Die dicken Sedimentschichten, die sich in den vergangenen Jahrtausenden auf dem Meeresboden abgelagert haben, sind eine gute Isolierschicht“, erklärt der Meereswissenschaftler. Wie lange sie hält, ist schwer zu ermitteln. „Das hängt von sehr vielen Faktoren ab, deshalb sind das eher spekulative Werte.“ Entwarnung in Sachen Klimawandel will Dmitrenko trotzdem nicht geben: „Erstens gelten unsere Ergebnisse nicht für Permafrostböden an Land. Und zweitens haben die von uns nachgewiesenen Temperaturerhöhungen im arktischen Ozean andere gravierende Auswirkungen auf das Klimasystem und die Ökologie der Arktis.“

Originalpublikation
Dmitrenko, I. A., S. A. Kirillov, L. B. Tremblay, H. Kassens, O. A. Anisimov, S. A. Lavrov, S. O. Razumov, M. N. Grigoriev. (2011:), Recent changes in shelf hydrography in the Siberian Arctic: Potential for subsea permafrost instability. J. Geophys. Res., 116, C10027, http://dx.doi.org/10.1029/2011JC007218

Aktuell trafen sich Forscher aus elf Nationen in Potsdam zur Auftaktveranstaltung für ein neues, vierjähriges EU-Projekt.

Welche Folgen hat das Auftauen eisreicher Permafrostböden? Foto: Hugues Lantuit / AWI

Was passiert, wenn die großen Mengen gebundenen Kohlenstoffs aus arktischen Böden in die Atmosphäre gelangen?
Dies ist die Leitfrage, der Feldforscher, Betreiber von Langzeitobservatorien und Modellierer von 18 Partnereinrichtungen im Projekt PAGE21 nachgehen, das aus Mitteln der Europäischen Union gefördert wird. Indem sie die Expertise ihrer Fachrichtungen bündeln, wollen die Wissenschaftler wertvolle Grundlagen für den fünften Weltklimabericht der Vereinten Nationen liefern.

„Ich freue mich sehr auf die eng vernetzte Zusammenarbeit der führenden Köpfe der europäischen Permafrostforschung in der Arktis“, sagt Prof. Dr. Hans-Wolfgang Hubberten von der Forschungsstelle Potsdam des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft. Der Mineraloge leitet das Projekt namens PAGE 21, das einen Umfang von fast 10 Millionen Euro hat und mit knapp 7 Millionen Euro aus dem siebten Rahmenprogramm der Europäischen Union gefördert wird. Es steht für Changing Permafrost in the Arctic and its Global Effects in the 21st Century, also Veränderungen im arktischen Permafrost und die globalen Auswirkungen im 21. Jahrhundert. „Wir müssen unser Grundlagenwissen über die physikalischen und biogeochemischen Prozesse verbessern, um zuverlässigere Prognosen für die zukünftige weltweite Klimaentwicklung liefern zu können“, so Hubberten weiter.

Etwa 50 Prozent des weltweit unterirdisch vorkommenden organischen Kohlenstoffs lagert in den nördlichen Permafrostregionen. Das ist mehr als die doppelte Menge des derzeit in der Atmosphäre vorhandenen Kohlenstoffs, der dort beispielsweise in Form der Klimagase Kohlendioxid und Methan auftritt. Gleichzeitig wirkt sich der Klimawandel in der Arktis besonders stark und rasch aus. So taut der Permafrostboden auf und setzt zusätzlich Klimagase frei, die diesen Effekt noch verstärken können.

Viele dieser Mechanismen sind für sich betrachtet grundlegend gut verstanden. Geht es aber um die Quantifizierung einzelner Prozesse, wird die Datenlage dünner. Also sind zunächst die Feldforscher gefragt: Sie stülpen beispielsweise in Sibirien Messgeräte über definierte Flächen von Permafrostboden und messen die austretenden Gase, wenn der Boden im Sommer auftaut. Um die zeitliche Entwicklung und saisonale Variationen zu erfassen, muss dies wiederholt stattfinden und möglichst weite Bereiche sowie auch möglichst lange Zeiträume eines Jahres abdecken. Standardisierte Methoden aller Partner sollen zusätzlich die Vergleichbarkeit der Daten erhöhen. So wollen die Projektpartner von PAGE21 qualitativ hochwertige Datensätze erstellen.

Diese Datensätze aus dem Permafrost bilden die Grundlage für die Weiterentwicklung globaler Klimamodelle. „Die heute verwendeten Modelle haben häufig noch Ungenauigkeiten, weil die Permafrostregionen mit all ihren Rückkopplungsmechanismen unterrepräsentiert sind“, sagt Hubberten. Im Rahmen von PAGE21 sollen jetzt dringend notwendige Schritte getan werden, um die Modelle zu verbessern. Sie liefern die Grundlage für Vermeidungs- und Anpassungsstrategien, die auf die Gesellschaft im 21. Jahrhundert zukommen.

Ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung des IFM-GEOMAR bricht heute mit dem Forschungsschiff POSEIDON zu einer Expedition ins Nordpolarmeer auf.

FS Poseidon – Foto: O. Pfannkuche / IFM-GEOMAR

Ziel der Forschungsreise bis vor die Küste Westspitzbergens sind Untersuchungen zur Stabilität von Gashydraten und zur Intensität von Methangasaustritten. Dabei sollen die biogeochemischen Umwandlungsprozesse von Methan in der Wassersäule und die Freisetzung des Treibhausgases in die Atmosphäre abgeschätzt werden.

Umweltveränderungen aufgrund der globalen Erwärmung sind im Bereich der Arktis besonders dramatisch, wie es beispielsweise der rapide Schwund des Meereises und der Grönländischen Gletscher in den letzten Jahren untermauern. Es ist zu erwarten, dass sich diese Regionen auch in der Zukunft schnell und tiefgreifend verändern werden. Weite Bereiche der flachen Schelfmeere und des Kontinentalrandes des Arktischen Ozeans sind durch submarine Permafrostböden und das Vorhandensein von Gashydraten gekennzeichnet. Durch eine zunehmende Erwärmung des Bodenwassers könnten sich die Hydrate auflösen und größere Mengen des darin enthaltenen Methangases freisetzen, das durch seine starke Treibhauswirkung wiederum zu einer beschleunigen Erwärmung beitragen könnte. Jüngste Beobachtungen an mehr als 250 Gasaustrittsstellen westlich von Spitzbergen in einem Grenzbereich der Gashydratstabilitätszone lassen befürchten, dass Auflösung von Gashydraten als Folge der globalen Erwärmung bereits begonnen hat.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Dr. Olaf Pfannkuche vom Kieler Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) will nun untersuchen, inwieweit das freigesetzte Methangas durch biologische und biogeochemische Prozesse in der Wassersäule abgebaut wird und abschätzen, wie viel bis in die Atmosphäre gelangt. „Wir wissen, dass mikrobieller Abbau von Methan im Sediment und in der Wassersäule als natürlicher Filter von Methanemissionen agiert“, erläutert Dr. Pfannkuche. „Allerdings ist bisher nicht bekannt, wie schnell und effektiv dieser Filter im Falle von massiven Gashydratauflösungen funktionieren wird und was die potentiellen sekundären Konsequenzen, wie zum Beispiel Ozeanversauerung und Bildung von Sauerstoffminimumzonen sind“, so Pfannkuche weiter.

An der Expedition, die heute im Rahmen der 419. Ausfahrt des Kieler Forschungsschiffes POSEIDON startet, sind Wissenschaftlern aus dem EU-Projekt HERMIONE und aus dem Exzellenzcluster „Ozean der Zukunft“ unter der Beteiligung aus den Instituten IFM-GEOMAR, NIOZ (Niederlande) und der Universität Tromsø (Norwegen) beteiligt.
Die Untersuchungen konzentrieren sich auf zwei Arbeitsgebiete vor Spitzbergen. Geplant sind Untersuchungen zur räumlichen Verteilung und zur Quantifizierung von Methanfahnen in der Wassersäule mit akustischen Verfahren und mit klassischen CTD/Rosettenwasserschöpfer Beprobungen. Am Meeresboden werden Messungen von Stoffumsätzen mit einem biogeochemischen Observatorium (BIGO Lander) geplant. Ferner werden mittels verschiedener Verfahren Sedimentproben für mikrobiologische Untersuchungen gewonnen. Mit einem Foto/Videoschlitten (OFOS) können Gashydratvorkommen und Gasaustrittsstellen lokalisiert und neue Areale erkundet werden.

„Unsere auf dieser Expedition gewonnenen Messdaten werden wir auch mit den bereits vorhandenen Beobachtungen vergleichen, um abzuschätzen, wie rasch die Veränderung in diesem sehr sensiblen Teil des Weltmeeres voranschreitet“, so Fahrtleiter Pfannkuche.

Das Eisschild der West-Antarktis ist ein mögliches Kipp-Element im Klimasystem, das teils bereits gekippt sein könnte.

Eisschild der West-Antarktis kippt – Foto: NASA / Jane Peterson

Wissenschaftler können nicht ausschließen, dass die Eismassen nahe der antarktischen Amundsen See bereits instabil zu werden beginnen. Dies ist eines der Ergebnisse einer jetzt in der Fachzeitschrift Climatic Change erschienenen neuen Einschätzung des gegenwärtigen Zustands von sechs potenziell instabilen Regionen im Klimasystem mit großen direkten Auswirkungen auf Europa. Die Wahrscheinlichkeit des Kippens dieser Elemente steigt im Allgemeinen mit dem Anstieg der globalen Mitteltemperatur, als Folge des von Menschen verursachten Ausstoßes von Treibhausgasen.
„Wir zeigen hier nur eine Momentaufnahme des Wissensstands, aber sie ist in mancher Hinsicht schärfer als die zuvor gemachten“, sagt Anders Levermann vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung. Zum ersten Mal hätten sich Experten für die verschiedenen möglichen Kipp-Elemente als Ko-Autoren zusammen getan, um gemeinsam einen Überblick zum Stand des Wissens über sogenannte klimatische Übergänge zu geben. Derartige Einschätzungen, das legt der Begriff schon nahe, entwickeln sich ständig weiter, wie Levermann betont. Allerdings werden die betreffenden Systeme immer besser begriffen. „Diese Vorgänge zu verstehen ist von entscheidender Bedeutung als Grundlage künftiger gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Entscheidungen“, sagt Levermann. „Aus dem Blickwinkel der Risiko-Abschätzung muss die Wissenschaft – natürlich immer unter Hinweis auf Unsicherheiten – Betroffene und Entscheider mit Informationen über Wahrscheinlichkeiten und mögliche Wirkungen von klimatischen Übergängen unterstützen. Einfach Abwarten ist keine Alternative.“

Solch ein teilweiser Abbruch des westantarktischen Inlandeises wäre zum Beispiel gleichbedeutend mit einem zusätzlichen Meeresspiegelanstieg von 1,5 Meter, wie frühere Forschung zeigt. Die meisten Deiche in Europa können um nicht mehr als einen Meter erhöht werden, so die Studie. Danach muss das Hinterland verändert werden. Selbst wenn der vollständige Zerfall des Eisschildes der Westantarktis hunderte von Jahren dauern würde, wären die Auswirkungen erheblich. Zusätzlich zum globalen Meeresspiegelanstieg durch das Schmelzwasser würde auch die Anziehungskraft in Richtung des Südpols verringert – wo die Masse schrumpft, wird auch die Gravitation weniger. Hierdurch könnte der Meeresspiegelanstieg in Europa sogar noch verstärkt werden. All dies fließt in die Schlussfolgerungen der Forscher mit ein.

Das arktische Meer-Eis und die Gebirgsgletscher der Alpen werden unter den in der Studie aufgelisteten Elementen als diejenigen eingeschätzt, die am empfindlichsten auf die Erderwärmung reagieren. Geht das arktische Meer-Eis zurück, so kann dies Auswirkungen auf das System von Hoch- und Tiefdruckgebieten in der Atomsphäre über dem Nordatlantik haben – und hiermit auch auf die vom Atlantik kommenden Stürme in Europa. Ein Schrumpfen der Gletscher in den Alpen hat Auswirkungen auf die Verfügbarkeit von Wasser in der Region, weil sich je nach Jahreszeit der Abfluss von Schmelzwasser in die Flüsse verändert. Mit einer Erwärmung von zwei Grad Celsius würden von den Gletschern nur kleine Reste bleiben. Ob es bei diesen zwei Kipp-Elementen eine Selbstverstärkung der Effekte gibt, ist unsicher. So könnte sich etwa der Rückgang beim arktischen Meer-Eis wieder umkehren, wenn die globale Mitteltemperatur sinkt – auch wenn ein solches Szenario nicht sehr wahrscheinlich ist.

Das Risiko, bei der Abnahme der Ozonschicht über der Arktis einen Kipp-Punkt zu erreichen, werde unbedeutend, wenn die Menge von Chlor in der Stratosphäre unter das Niveau von 1980 sinkt, so die Einschätzung der Experten. Dies werde voraussichtlich 2060 der Fall sein. Hohe Unsicherheit gibt es bei der großen Umwälzströmung im Atlantik, der sogenannten thermohalinen Zirkulation. Ihr möglicher Zusammenbruch könnte durch den Zustrom von Süßwasser geschehen, der seine Ursache im Schmelzen der Eisdecke auf Grönland und in veränderten Niederschlagsmustern hat. Die Unsicherheit in der zukünftigen Veränderung dieser Größen spiegelt sich in einer starken Unsicherheit über das Kippen der Ozeanströmung. Entsprechend bleibt, im Gegensatz zu den anderen Kippelementen, die Unsicherheit auch bei starker Erwärmung hoch.

Andere Kipp-Elemente wie die Gletscher des Himalaya, der indische Monsun oder das Tauen der sibirischen Permafrostböden werden in der Studie nicht im Detail untersucht, da sie keine direkten Auswirkungen auf Europa haben, so die Autoren. Allerdings sind indirekte Auswirkungen durchaus wahrscheinlich.

Der Begriff ‚Kipp-Elemente’ ist dadurch definiert, dass hier kleine äußere Störungen eine starke Reaktion auslösen. Dies könnte bei manchen so missverstanden werden, dass die Veränderung dieser Elemente immer selbstverstärkend und unumkehrbar sei. Zwar gehören zu den meisten Kipp-Elementen solche dynamischen Prozesse mit Selbstverstärkung, aber nicht zu allen. „Der entscheidende Punkt ist die hohe Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen im globalen Klima”, erklärt Levermann. „Diese stellt ein Risiko dar, dessen sich die Gesellschaft bewusst sein muss.“

Artikel: Levermann, A., Bamber, J., Drijfhout, S., Ganopolski, A., Haeberli, W., Harris, N., Huss, M., Krüger, K., Lenton, T., Lindsay, R., Notz, D., Wadhams. P., Weber, S.: Potential climatic transitions with profound impact on Europe, Review of the current state of six ‘tipping elements of the climate system’. Climatic Change (2011) [DOI 10.1007/s10584-011-0126-5]
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Weitere Informationen

Lenton, Timothy: Early warning of climate tipping points. Nature Climate Change (2011) [DOI: 10.1038/nclimate1143]

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E. Kriegler. J. Hall, H. Held, R. Dawson, H.-J. Schellnhuber (2009) Imprecise probability assessment of tipping points in the climate system. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), 106(13): 5041-5046, Weblink zum Artikel

T. Lenton, H. Held, E. Kriegler, J.W. Hall, H. Held, R. Dawson, H.-J. Schellnhuber (2008) Tipping element’s in the earth’s climate system. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 105: 1786-1793,

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Die Küstenlinie in arktischen Dauerfrostgebieten reagiert auf den Klimawandel mit verstärkter Erosion und zieht sich im Durchschnitt um einen halben Meter pro Jahr zurück.

Schnelles und großräumiges Auftauen eisreicher Permafrostböden lässt Küsten erodieren. Foto: Hugues Lantuit / AWI

Dies bedeutet große Veränderungen für die küstennahen arktischen Ökosysteme und die dort lebende Bevölkerung. Zu diesen Ergebnissen kommt ein Konsortium von mehr als dreißig Wissenschaftlern aus zehn Ländern, unter ihnen Forscher vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft und vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht. Gemeinsam wurden mehr als 100.000 Kilometer und damit ein Viertel aller arktischen Küsten untersucht und diese Ergebnisse wurden jetzt erstmalig veröffentlicht.

Besonders dramatisch sind die Veränderungen in der Laptev-, der Ostsibirischen und der Beaufortsee, in denen die Erosionsraten der Küsten zum Teil mehr als 8 Meter pro Jahr betragen. Da rund ein Drittel der weltweiten Küsten im arktischen Permafrost liegen, kann die Küstenerosion in Zukunft riesige Gebiete betreffen. Arktische Küsten reagieren generell empfindlicher auf die globale Erwärmung als die Küsten gemäßigter Breiten. Bisher wurden sie vor der erodierenden Kraft der Wellen durch ausgedehnte Meereisflächen geschützt. Durch den kontinuierlichen Rückgang des Meereises ist dieser Schutz gefährdet, und es muss mit schnellen Veränderungen der über Jahrtausende stabilen Situation gerechnet werden.

Zwei Drittel der arktischen Küsten bestehen nicht aus Fels, sondern aus gefrorenem Weichsubstrat (Permafrost). Und gerade solche Küsten sind besonders stark von Erosion betroffen. Zwar sind arktische Landstriche in der Regel nur dünn besiedelt. Wie nahezu überall in der Welt sind die Küsten aber auch im Hohen Norden wichtige Achsen für das wirtschaftliche und gesellschaftliche Leben. Wachsender Bedarf an globalen Energieressourcen wie auch zunehmender Tourismus und Gütertransport verstärken den menschlichen Einfluss auf die Küstenregionen der Arktis zusätzlich. Für Wildtierbestände wie die großen Karibuherden des Nordens oder die weit verbreiteten Süßwasserseen in Küstennähe ändern sich die ökologischen Bedingungen mit fortschreitender Erosion erheblich.

Erfolgreiche Zusammenarbeit

Mehr als dreißig Wissenschaftler aus zehn Ländern waren an der Erstellung des 170 Seiten starken Zustandsberichts „State of the Arctic Coast 2010“ beteiligt. Initiiert und koordiniert wurde die Studie vom Internationalen Arktischen Wissenschaftsrat (IASC), dem internationalen Verbundprojekt „Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone (LOICZ)“, der Internationalen Permafrost–Gesellschaft (IPA), sowie der Arbeitsgruppe „Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP)“ des Arktischen Rates.

„Dieser internationale und interdisziplinäre Bericht dokumentiert insbesondere auch das Interesse und die Expertise deutscher Wissenschaftler im Bereich der arktischen Küstenforschung“, sagt Dr. Volker Rachold, Exekutivsekretär des IASC. „Drei der an dem Bericht beteiligten internationalen Organisationen sind in Deutschland angesiedelt. Die Sekretariate von IASC und IPA befinden sich an der Forschungsstelle Potsdam des Alfred-Wegener-Instituts für Polar und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft (AWI). Das internationale Koordinationsbüro des LOICZ-Projektes wird vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) getragen und ist dort am Institut für Küstenforschung beheimatet. Die aktuelle Studie versteht sich unter anderem als internationaler und nationaler Beitrag zum gemeinsamen Forschungsprogramm der Helmholtz-Gemeinschaft „Polar Regions and Coasts in a Changing Earth System“ (PACES), das vom Alfred-Wegener-Institut und dem Helmholtz-Zentrum Geesthacht getragen wird.

„Als die systematische Erfassung im Jahr 2000 begann, lagen nähere Informationen gerade einmal für 0,5% der arktischen Küsten in Dauerfrostgebieten vor“, sagt Dr. Hugues Lantuit vom Alfred-Wegener-Institut (AWI). Der Geologe von der AWI-Forschungsstelle Potsdam leitet gleichzeitig das internationale Sekretariat der IPA und gehört ebenfalls zu den Koordinatoren der Studie. „Nach mehr als zehn Jahren intensiver Arbeit haben wir nun einen umfassenden Überblick über deren Zustand und Erosionsgefährdung gewonnen“, so Lantuit. „Die Arktis entwickelt sich immer mehr zu einem Spiegel verschiedener Treiber des globalen Wandels und zum Zentrum überregionaler und weltweiter Wirtschaftsinteressen“, sagt Dr. Hartwig Kremer, Leiter des LOICZ-Projektbüros.

Originalpublikationen:

• State of the Arctic Coast 2010 – Scientific Review and Outlook. Veröffentlicht online von IASC, LOICZ, IPA, und AMAP. Der Bericht stellt die empfindlichen Küsten in den Mittelpunkt der Betrachtungen und ist dadurch eine Fokussierung und ein „update“ der beiden vorausgehenden gesamtarktischen Berichte zu den Auswirkungen des Klimawandels „Arctic Climate Impact Assessment“ (ACIA, 2005) und den aktuellen gesellschaftlichen Prozessen „Arctic Human Development Report“ (AHDR, 2004). Es wird ein erstes interdisziplinäres Bild des wissenschaftlichen Verständnisses vom Zusammenspiel zwischen Mensch und der sich rasch verändernden Natur an den Küsten skizziert.

• The Arctic Coastal Dynamics Database: A New Classification Scheme and Statistics on Arctic Permafrost Coastlines. In der Zeitschrift „Estuaries and Coasts“ des Springer-Verlags veröffentlicht (doi: 10.1007/s12237-010-9362-6).

Können marine Mikroorganismen die aus auftauenden Dauerfrostböden freigesetzte organische Substanz zu CO2 zersetzen und so den Treibhauseffekt verstärken?

Gefrorener Fluss und Permafrost-Böden in Tibet – Foto: Claus Bünnagel / Pixelio

Ein neues Großprojekt am IOW widmet sich der Abbaubarkeit von terrigenem, organischem Kohlenstoff im Meer. In den Dauerfrostböden arktischer Zonen lagern bis zu 60% des weltweiten, in Böden gebundenen Kohlenstoffs. Es ist derzeit zu beobachten, dass die globale Erwärmung zu einem vermehrten Abtauen der Böden in Tundra und Taiga führt. Dabei werden auch organische Kohlenstoff-Verbindungen freigesetzt (zum Beispiel Huminstoffe), die über die Flüsse letztlich auch in den Weltozean gelangen können. Wenn diese Kohlenstoffverbindungen dann mikrobiell abgebaut werden, entsteht CO2. Gelangt es in die Atmosphäre, kann eine weitere Verschärfung des Treibhauseffektes ausgelöst werden.

Auf diesem Szenario fußt ein neues, von der Leibniz-Gemeinschaft gefördertes Forschungsprojekt unter der Leitung des Warnemünder Meeresbiologen Prof. Dr. Klaus Jürgens. „ATKiM“ (Abbaubarkeit von arktischem terrigenem Kohlenstoff im Meer) untersucht, in welchem Ausmaß die ins Meer eingetragenen organischen Kohlenstoffverbindungen (unter Freisetzung von CO2) abgebaut werden und durch welche Umweltfaktoren (wie z.B. Salinität, Einstrahlung, Nährstoffe) dies beeinflusst wird. Das Projektkonsortium wird dabei auch der Frage nachgehen, aus welchen chemischen Komponenten dieses Kohlenstoffgemisch besteht und welche Bakterien zu ihrem Abbau befähigt sind. Bislang wurde angenommen, dass die organischen Kohlenstoffverbindungen aus den Dauerfrostböden refraktärer Natur sind und somit von Mikroorganismen kurzfristig nicht abgebaut werden können. In jüngster Zeit mehrten sich jedoch Hinweise, die dies in Frage stellen.

Für ATKiM hat das IOW Wissenschaftler aus 9 Instituten in einem Netzwerk integriert, um deren komplementäre Expertisen langfristig für die Bearbeitung dieser Fragestellungen zu bündeln. Sowohl die Analyse einer Vielzahl chemischer Komponenten im freigesetzten organischen Kohlenstoff, als auch die Identifikation der am Abbau beteiligten Mikroorganismen, deren Aktivitäten und genetischen Grundlagen stellen große methodische Herausforderungen dar. Erst neueste Entwicklungen in der hochauflösenden Massenspektrometrie, Genomik und Proteomik lassen es möglich erscheinen, die Mechanismen dieses Prozesses besser zu verstehen. Dafür werden in diesem Projekt Molekular- und Mikrobiologen mit marinen Umweltchemikern im Rahmen gemeinsamer Forschungsfahrten und laborgestützter Experimente eng zusammenarbeiten. Die nördliche Ostsee, in welche arktische Flüsse aus Nordskandinavien entwässern, wird dabei als ein großes „Freiland-Laboratorium“ und Modellsystem dienen.
Die Ergebnisse aus ATKiM werden dazu beitragen, bessere Vorhersagen für zu erwartende CO2-Emissionen aus nördlichen Meeresgebieten machen zu können. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der interdisziplinären Ausbildung der insgesamt 6 beteiligten Doktoranden, beispielsweise durch jährlich stattfindende gemeinsame „Summer Schools“ mit nationaler und internationaler Beteiligung.
Ein erstes Planungstreffen aller beteiligten Wissenschaftler fand am 9. März 2011 im IOW statt, die erste Fahrt mit dem Forschungsschiff FS Meteor in die nördliche Ostsee ist für den November 2011 angesetzt.
Das Netzwerk AtKim wird in einem Exzellenzprogramm der Leibniz-Gemeinschaft im Rahmen des Pakts für Forschung und Innovation gefördert. Für die nächsten drei Jahre stehen dem Konsortium Fördermittel in Höhe von rund 1,3 Mio. Euro zur Verfügung.

Die Kosten von Klimaschutz sollen besser abschätzbar werden. Zu diesem Zweck lassen jetzt Forscherteams aus zwölf Ländern ihre Computermodelle von Energie-Wirtschaft-Klima gegeneinander antreten.

Kohlekraftwerk in Nordkorea: nicht alle werden mitmachen – Foto: Thilo Reiter / Pixelio

Deren Prognosen sollen tauglicher gemacht werden für Entscheidungen der Politik über Emissionsreduktionen oder Technologieförderung; sie fließen auch in den nächsten Report des Weltklimarats IPCC ein. „Die bisher vorgelegten Kostenabschätzungen müssen auf eine breitere Basis gestellt werden“, sagt Elmar Kriegler vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), der das Vorhaben zusammen mit dem Klimaökonomen Ottmar Edenhofer leitet.
„Jetzt wollen wir genau analysieren, unter welchen Annahmen – etwa über die zukünftige Klimapolitik und die ihr zur Verfügung stehenden Mittel – welche Effekte für den Klimaschutz zu erwarten sind“, sagt Kriegler.

Die insgesamt 21 Partner aus China, Indien, Japan und neun europäischen Ländern von Griechenland bis Großbritannien treffen sich an diesem Montag in Potsdam zum ersten Mal. Das Projekt unter der Führung des PIK dauert drei Jahre und wird von der Europäischen Union durch ihr siebtes Rahmenprogramm mit drei Millionen Euro gefördert. Die Simulationen der Forscher laufen teils in wenigen Stunden auf einfachen Laptops, teils in vielen Tagen auf Hochleistungscomputern, so unterschiedlich sind die Modellrechnungen angelegt. „Wenn wir zusammenarbeiten, wird aus diesen Unterschieden eine Stärke“, erklärt Kriegler.

Vier Herausforderungen für die Klimapolitik soll das Projekt angehen. (1.) Rückkopplungseffekte in der Reaktion des Klimas auf die Treibhausgasemissionen – beispielsweise durch das Entweichen von Methan beim Tauen des sibirischen Permafrostbodens – können erhebliche Auswirkungen auf den Klimaschutz haben. Das soll genauer untersucht werden. Analysiert wird (2.) die Bedeutung der Verfügbarkeit von Technologien zur Emissionsvermeidung und die Bedeutung des Planungshorizonts in Politik und Energiewirtschaft. Hier geht es um die Schwierigkeit, langfristige Klimaschutzziele mit begrenzten Mitteln und Planungshorizonten zu erreichen.

Geklärt werden soll (3.) die Relevanz von fragmentierter Klimapolitik, wenn etwa nicht alle Regionen oder Wirtschaftszweige mitmachen. Bislang ist genau das die Realität – die Entscheider befürchten lässt, dass in den einen Ländern oder Branchen eine sinkende Nachfrage nach fossilen Brennstoffen deren Preis drückt, wodurch in anderen Ländern oder Branchen die Nachfrage steigt. Dieser Effekt soll in dem Forschungsprojekt nun quantifiziert werden. Und schließlich (4.) geht es um die Konsequenzen hieraus für die Klimapolitik in der EU.

„Damit der Übergang aus dem Zeitalter der fossilen Brennstoffe in die annähernd CO2-freie Wirtschaftsweise gelingen kann, brauchen die Entscheider solche Informationen“, sagt Edenhofer, Ko-Leiter des Vorhabens und Chefökonom des PIK. Die Wissenschaftler haben das Projekt AMPERE genannt – die Abkürzung steht für Assessment of Climate Change Mitigation Pathways and Evaluation of the Robustness of Mitigation Cost Estimates (Prüfung der Pfade für die Verringerung des Klimawandels und Bewertung der Belastbarkeit von Schätzungen der Kosten dieser Verringerung). „Schon daran sieht man“, sagt Edenhofer, „es geht wirklich um’s Ganze.“

Eine Nachwuchsforschergruppe am KIT entwickelt neuartige Methoden, um die Konzentration von Kohlendioxid und Methan in der Erdatmosphäre zu messen.

Teleskop für ein bodengestütztes Spektrometer. Ziel: Fernerkundung von Treibhausgasen – Foto: Sebastian Kreycy

Ihre Erkenntnisse sollen dazu beitragen, dem Klimawandel entgegen zu steuern. Das Forschungsprojekt „Fernerkundung von Treibhausgasen zur Modellierung des Kohlenstoff-Kreislaufs“ des Physikers Dr. André Butz wird am Institut für Meteorologie und Klimaforschung – Atmosphärische Spurengase und Fernerkundung (IMK-ASF) als „Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe“ fünf Jahre lang durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) mit Personal- und Sachmitteln ausgestattet.
Das englisch „Remote Sensing of Greenhouse Gases for Carbon Cycle Modelling“, kurz „RemoteC“, betitelte Forschungsvorhaben wertet Daten aus, die Satelliten über die von der Erde und der Atmosphäre zurückgestreute kurzwellige Infrarotstrahlung liefern. Für eine höhere Genauigkeit der Interpretation werden die Daten aus dem Weltraum mit Messungen an Bodenstationen kombiniert.

Ziel ist die Entwicklung einer Methode, die es erlaubt, global zu bestimmen, wo, wie viel und zu welchem Zeitpunkt Methan und Kohlendioxid durch natürliche Prozesse an die Atmosphäre abgegeben oder der Atmosphäre entzogen werden. Die Treibhausgase Methan und Kohlendioxid tragen wesentlich zum Klimawandel durch Erwärmung von Erdoberfläche und Atmosphäre bei. Mit Hilfe von „RemoteC“ wollen die Wissenschaftler zur Beantwortung wichtiger Fragen beitragen: Welche Rolle spielen die Tropen für die Konzentration der Treibhausgase in der Atmosphäre? Wie beeinflussen arktische Sumpfgebiete und tauende Permafrostgebiete die Treibhausgasbilanz? Kann dem Klimawandel durch veränderte Landnutzung entgegengewirkt werden?

„Die Herausforderung ist, dass Messung und Auswertung der Daten hochgenau erfolgen“, erklärt Dr. André Butz. Der 32-jährige in Coburg geborene Physiker entwickelte in den vergangenen vier Jahren als Postdoktorand am Niederländischen Institut für Weltraumforschung Software für die Auswertung von Satellitendaten. Nach dem Physik-Studium an der Universität Würzburg und der State University of New York erarbeitete er an der Université Pierre et Marie Curie in Paris sowie an der Universität Heidelberg seine Dissertation. An dem von Butz initiierten und geleiteten Projekt „RemoteC“ werden Physiker und Meteorologen zusammenarbeiten.

Die von der DFG ausgewählten internationalen Gutachter sprachen sich einstimmig für das von Butz beantragte Projekt aus und würdigten das KIT und das IMK-ASF ausdrücklich als exzellente Arbeitsumgebung für die Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe. Butz nennt das IMK-ASF als Forschungsstandort für sein Projekt „ideal“, da am KIT mehrere herausragende Institute zusammenarbeiten. Mit dem Emmy-Noether-Programm fördert die DFG herausragende Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler, die sich für wissenschaftliche Leitungsaufgaben qualifizieren. Junge Postdoktoranden mit Forschungserfahrung im Ausland sollen für das Forschen in Deutschland gewonnen werden.

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts und staatliche Einrichtung des Landes Baden-Württemberg. Es nimmt sowohl die Mission einer Universität als auch die Mission eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft wahr. Das KIT verfolgt seine Aufgaben im Wissensdreieck Forschung – Lehre – Innovation.