KLIMA-MEDIA.de Pressespiegel & Infoblog

Erdgeschichtliche Klimaveränderungen haben das Schicksal der Vorfahren des modernen Menschen beeinflusst – warum aber manche evolutionäre Varianten entstanden oder verschwanden, war bislang unklar.

Fossiler Schädel – Foto: Martin Trauth / Uni Potsdam

Wissenschaftler des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) und der Universität Potsdam haben nun eine neuartige Betrachtungsweise für die Entwicklung der vergangenen fünf Millionen Jahre vorgelegt. Eine nichtlineare statistische Analyse von Ablagerungen auf dem Meeresboden vor Afrika deutet darauf hin, dass abrupte Änderungen der Schwankungsneigung des Klimas die Evolution des Menschen entscheidend geprägt haben könnten. Zunächst drei solcher urzeitlicher Kipp-Punkte haben die Forscher ausgemacht.

„Dass Klimaänderungen für die Menschheitsgeschichte bedeutsam sind, wurde schon lange angenommen – aber bisher nie wirklich statistisch belegt“, sagt Jonathan Donges vom PIK, Leitautor der in den renommierten Proceedings of the National Academy of Sciences diese Woche veröffentlichten Studie. Dieser Beleg sei aber wichtig. „Wir können erstmals zeigen, dass das Zusammentreffen von Veränderungen der Schwankungsneigung des Klimas und solchen in der frühmenschlichen Evolution mit hoher Wahrscheinlichkeit kein Zufall war“, so Donges. Entscheidend sei der Wechsel von Zeiten geringer Klimaschwankungen zu solchen starker Klimaschwankungen – „also gleichsam die Änderungen der Änderungen“. Diese erhöhten offenbar den Selektionsdruck.

Staubspuren auf dem Boden der Ozeane als Datenlieferant
Statt längerer Trends haben sich die Forscher vergleichsweise kurzfristige Veränderungen angeschaut, die allerdings immer noch einige tausend Jahre umfassen. Die mathematische Auswertung der Millionen Jahre umfassenden Zeitreihen stützte sich auf Daten, die marine Geologen bereits vor längerer Zeit veröffentlichten. Sie stammen aus Bohrkernen aus dem Untergrund des indischen und atlantischen Ozeans sowie des Mittelmeeres. Hier finden sich Spuren von Wüstenstaub, die Rückschlüsse auf das zu bestimmten Zeiten an Land herrschende Klima zulassen.

Dabei konnten die Forscher auch einige der Mechanismen identifizieren, welche die Klimaänderung vermutlich ausgelöst haben. So hat sich etwa der Zufluss von warmem Wasser aus dem Pazifik Richtung Afrika verringert, weil sich in der Region des heutigen Indonesiens Landmassen verschoben. Da Meeresströmungen aber Förderbänder für Wärme sind, veränderten sich in der Folge die regionalen Temperaturen und Niederschläge in Afrika. Dies hatte wiederum Auswirkungen auf die örtliche Pflanzenwelt und damit den Tierbestand sowie Vormenschen wie den Australopithecus, der vor etwa einer Million Jahren ausstarb. Andere Vorläufer des Menschen hingegen konnten sich unter den geänderten Bedingungen plötzlich besser durchsetzen, weil sie anpassungsfähiger waren. „Der Generalist Homo hatte im stärker schwankenden Klima bessere Chancen als spezialisiertere Vormenschen“, so Donges.

Blick auf die Vergangenheit schärft den auf die Zukunft
Der Blick auf die Vergangenheit könnte auch den auf die Zukunft schärfen helfen. „Klimaänderungen haben Auswirkungen auf die Lebensbedingungen des Menschen – und was in der Vergangenheit viele hunderttausend Jahre gedauert hat, das könnte durch den menschengemachten Treibhauseffekt jetzt im Zeitraffer ablaufen“, erklärt der Leiter des Forschungsteams und Ko-Autor Jürgen Kurths. Eine der drei relevanten Perioden vor gut drei Millionen Jahren gilt von den Temperaturen her als Gegenstück zu einer Welt mit ungebremstem CO2-Ausstoß Ende unseres Jahrhunderts. „Dabei geht es nicht um eine Übertragung Eins zu Eins, sondern um das Verstehen der grundlegenden Mechanismen von Klimaveränderungen“, so Kurths. „Die so genannte Paläo-Klimatologie dient oft der Überprüfung von Annahmen für das Klima von Heute, Morgen und Übermorgen.“

„Es ist ein großer Schritt nach vorn, dass endlich die Methoden der nichtlinearen Physik auch in der Forschung zur Entwicklung der Menschheit genutzt werden können“, sagt Hans Joachim Schellnhuber, Direktor des PIK und gleichfalls einer der Ko-Autoren der Studie. Er ist einer der Pioniere bei der Anwendung dieser auch als Chaostheorie bekannten Disziplin in der Erdsystemforschung. „Besser und besser gelingt es uns, komplexe dynamische Systeme zu verstehen“, so Schellnhuber. „Und dabei zeigt sich immer mehr, dass es sich hier nicht um ein Glasperlenspiel handelt, sondern ein außerordentlich relevantes Forschungsfeld – gerade mit Blick auf den Klimawandel.“

Originalpublikation
Donges, J., Donner, R.V., Trauth, M.H., Marwan, N., Schellnhuber, H.J., Kurths, J.: Nonlinear detection of paleoclimate-variability transitions possibly related to human evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences [doi:10.1073/pnas.0709640104]

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

Die Deutsche Umwelthilfe e.V. (DUH) hat bei der EU Beschwerde wegen der seit Jahren andauernden, nicht ordnungsgemäßen Entsorgung von Kühlgeräten in Deutschland eingelegt, die noch den Klima- und Ozonschicht-Killer FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) enthalten.

Kühlschränke – Foto: Dieter Schütz / Pixelio

Umweltkommissar Janez Potocnik wurde um die Einleitung eines Vertragsverletzungsverfahrens gegen Deutschland gebeten.

Hintergrund der DUH-Initiative ist die von der Umweltorganisation seit vier Jahren ohne erkennbaren Erfolg angeprangerte mangelhafte Entsorgung von Kühlschränken und Kühltruhen in Deutschland. Weil immer noch mehr als drei von vier ausrangierten Kühlgeräten FCKW enthalten, summiert sich die jährliche unnötige Klimabelastung auf umgerechnet fast sechs Millionen Tonnen CO2-Äquivalente. Brüssel schreibt in der EU-Altgeräterichtlinie 2002/96/EG eine umweltgerechte Entsorgung von Kühlgeräten nach den besten verfügbaren Techniken vor. Diese Vorgabe wird in Deutschland nach Überzeugung der DUH seit Jahren nicht umgesetzt. Zudem verzichten die für den Vollzug zuständigen Bundesländer EU-rechtswidrig auf eine wirksame Kontrolle.

Als beste verfügbare Technik gilt nach EU-Recht der effizienteste und fortschrittlichste Entwicklungsstand, um Umweltauswirkungen zu vermeiden bzw. zu vermindern. Eine Technik ist demnach dann verfügbar, wenn ihre Anwendung unter wirtschaftlich und technisch vertretbaren Verhältnissen möglich ist. Doch während in Deutschland in den vergangenen Jahren nur durchschnittlich 40 bis 60 Prozent der FCKW-Frachten aus alten Kühlgeräten zurückgewonnen wurden, liegt die Quote in Recyclinganlagen anderer Länder bei nachgewiesenen mehr als 90 Prozent. „Eine Mindestrückgewinnung von 90 Prozent der FCKW aus alten Kühlgeräten ist definitiv Stand der Technik. Die Tatsache, dass hierzulande eine Recyclinganlage mit nur knapp über 50 Prozent FCKW-Rückgewinnung legal operieren kann, beweist, dass Deutschland die europäische Gesetzgebung nicht korrekt umsetzt“, erklärt DUH-Bundesgeschäftsführer Jürgen Resch. Deshalb habe die DUH nun, nach vielen Fachgesprächen und jahrelangen vergeblichen Versuchen, die Behörden und die betroffenen Recyclingunternehmen zu einer EU-rechtskonformen Kühlgeräte-Entsorgung zu bewegen, „zu dem letzten Mittel der EU-Beschwerde gegriffen“. Auf insgesamt elf Seiten wird die Situation dokumentiert.

Bei der Kühlgeräteentsorgung werden FCKW sowohl aus dem Kältekreislauf als auch aus der Schaumisolierung zurückgewonnen und unschädlich gemacht. In Kühlgeräterecyclinganlagen in anderen Ländern, wie beispielsweise Österreich, Schweden, Griechenland oder in der Schweiz, werden nachgewiesenermaßen durchschnittlich mehr als 90 Prozent der FCKW zurückgewonnen. Die Ermittlung der Rückgewinnungsquoten erfolgt über so genannte Stoffstrombilanzen aller in diesen Anlagen behandelten FCKW-haltigen Kühlgeräte. Dabei wird die tatsächlich zurückgewonnene FCKW-Menge mit der in den behandelten Kühlgeräten insgesamt enthaltenen FCKW-Menge verglichen.

In Deutschland wurden die Anforderungen an eine Behandlung nach den besten verfügbaren Techniken (sog. Stand der Technik) im Elektroaltgerätegesetz (ElektroG) zwar formal umgesetzt. Die Präzisierungen zum Stand der Technik für die Behandlung von FCKW-haltigen Kühlgeräten in der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) und im Altgeräte-Merkblatt der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA Merkblatt 31) stellen jedoch die Behandlung nach den besten verfügbaren Techniken offensichtlich nicht sicher. Dies belegen aktuelle Untersuchungen des Zentralverbandes Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI). Zwar erwiesen sich die vier geprüften stationären Recyclinganlagen gemessen an den Vorgaben der TA Luft als dicht, die Grenzwerte wurden eingehalten. Dennoch wurden in keiner der untersuchten Anlagen im Mittel mehr als 90 Prozent der in den Kühlgeräten enthaltenen FCKW zurückgewonnen. Bei einer Anlage lag die Rückgewinnungsrate von FCKW aus dem Kühlkreislauf sogar bei nur 65 Prozent durchschnittlich, bei einer anderen bei nur 52 Prozent aus der Isolierung.

„Die Ergebnisse der ZVEI-Untersuchungen bestätigen eindrucksvoll, dass das bisher in Deutschland übliche Verfahren von Selbstüberwachung, jährlichen Leistungstests und Anforderungen an die Dichtigkeit von Recyclinganlagen die Behandlung von FCKW-haltigen Kühlgeräten nach den besten verfügbaren Techniken nicht sicherstellt“, betont die Leiterin Kreislaufwirtschaft bei der DUH, Maria Elander. Umso ärgerlicher sei die standhafte Weigerung der Bundesregierung, in Deutschland FCKW-Stoffstrombilanzen verpflichtend einzuführen. „Jede weitere Verzögerung, hierzulande obligatorische Stoffstrombilanzen nach dem Vorbild anderer EU-Staaten einzuführen, kann nur als bewusste Billigung der miserablen Recyclingpraxis zu Lasten des Klimas und der Ozonschicht verstanden werden.“ Deshalb hoffe die DUH nun auf ein konsequentes Durchgreifen der EU.

Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e.V. (IfT) ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Das Institut weist ein klares und weltweit einzigartiges Forschungsprofil auf, in dessen Mittelpunkt Aerosole, also kleinste luftgetragene Partikel und Wolken, stehen.

Trotz geringster absoluter Mengen sind diese wesentliche Bestandteile der Atmosphäre, weil sie den Energie-, Wasser- und Spurenstoffhaushalt des Erdsystems beeinflussen. Menschliche Aktivitäten können die Eigenschaften dieser hochdispersen Systeme verändern und direkt sowie indirekt auf den Menschen zurück wirken. Das kann sowohl über die gesundheitlichen Wirkungen eingeatmeter Partikel und Nebeltröpfchen als auch über regionale und globale Klimaänderungen geschehen.

Trotz dieser wichtigen Beziehungen zwischen Mensch, Aerosolen und Wolken sind die physikochemischen Prozesse von Aerosol- und Wolkenbildung und die Wechselwirkungen mit Gesundheit und Klima noch wenig verstanden. Dies liegt vor allem an Schwierigkeiten bei der Analyse der beteiligten kleinsten Stoffmengen und an dem komplexen Verhalten troposphärischer Mehrphasensysteme, deren Einzelprozesse in der Atmosphäre nicht klar getrennt beobachtet werden können. In der gegenwärtigen Klimadiskussion zum globalen Wandel spiegelt sich diese Kenntnislage in den sehr viel größeren Unsicherheiten in allen zu Aerosol- und Wolkenwirkung veröffentlichten Zahlen im Verhältnis zu Treibhauseffekten der Gase wider.

Rasche Zuwächse beim Verständnis troposphärischer Mehrphasenprozesse und eine Anwendung dieses Prozessverständnisses auf die Vorhersage der Folgen menschlicher Eingriffe lassen sich nur durch ein konzertiertes Vorgehen in mehreren Richtungen erwarten. Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung betreibt daher neben Feldstudien in mehreren belasteten Regionen auch die Entwicklung eigener analytischer Verfahren zur Untersuchung von Aerosolen und Wolken. Diese Verfahren werden auch in ausgedehnten Laboruntersuchungen eingesetzt, der zweiten Hauptarbeitsrichtung des Instituts. Ein dritter, gleichermaßen wichtiger Arbeitsansatz ist die Formulierung und Anwendung numerischer Modelle von der Prozessbeschreibung bis zur Beschreibung der regionalen Bildung, Umwandlung und Wirkung troposphärischer Mehrphasensysteme.

Quelle: Leibniz-Institut für Troposphärenforschung

Website des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung e.V.

Nobelpreisträger und führende Umweltforscher haben die Entscheider in Politik und Wirtschaft aufgefordert, ihrer Verantwortung für den Planeten gerecht zu werden.

Forscher tagten in Stockholm – Foto: Mattias Klum

„Wir sind die erste Generation, die die globalen Gefahren für die Menschheit erkennt“, heißt es in dem nach zweitägigen Beratungen beschlossenen Stockholm-Memorandum. Die Wissenschaftler übergaben es gestern in der Königlichen Akademie, wo sonst die Nobelpreise verkündet werden, der vom UN-Generalsekretär eingesetzten hochrangigen Expertengruppe zur globalen Nachhaltigkeit. Die Empfehlungen der Nobelpreisträger fließen ein in die Vorbereitung der großen UN-Umweltkonferenz „Rio plus 20“ im kommenden Jahr.
„Der Dialog zwischen Wissenschaft und Politik muss in eine neue Phase treten“, sagte Hans Joachim Schellnhuber, Initiator der vor vier Jahren begonnenen Nobelpreisträgertreffen und Direktor des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung. „Es geht um erkenntnisgestützte Entscheidungen statt ideologiegetriebene Politik.“ Dieses Signal gehe von dem globalen Symposium in Stockholm aus, dem dritten nach Potsdam und London.

„Umweltschutz und Nachhaltigkeit sind die Bedingung für Armutsbekämpfung und wirtschaftliche Entwicklung“, betonen die Wissenschaftler in der Erklärung. Es sei falsch, einen Gegensatz zu sehen zwischen Entwicklung und beispielsweise Klimaschutz. Gerade die Bevölkerung in den armen Ländern der Welt ist Umweltveränderungen besonders ausgesetzt. Das Wachstum der Weltbevölkerung, heißt es in dem Papier, mache die Wende zur Nachhaltigkeit noch dringlicher. Die Erderwärmung müsse unter zwei Grad Celsius bleiben, wenn gefährliche Klimaveränderungen vermieden werden sollen.

„Trotz mancher Unsicherheiten wissen wir genug, um sagen zu können: Es gibt erhebliche Risiken“, sagte der Chemie-Nobelpreisträger Mario Molina, Professor an der Universität von Kalifornien. Ein Beispiel sei der Treibhauseffekt als Folge von CO2-Emissionen. „Wir verändern die Funktionsweise unseres Planeten, und wir stoßen an die Grenzen seiner Belastbarkeit“, sagte Molina. Die Nobelpreisträger seien in ihrem Urteil in besonderer Weise unabhängig, betonte Molina. Sie arbeiten mehrheitlich nicht im Feld Klima, Energie, Umwelt – kommen aber zu den gleichen Schlussfolgerungen wie die Nachhaltigkeitsforschung selbst.

Um die Interessen unserer Nachfahren bei Entscheidungen über die Zukunft angemessen zu berücksichtigen, so das Memorandum, sollten neuartige Elemente generationenübergreifender Demokratie erkundet werden. Jenseits der Idee „grünen Wachstums“ müsse in Zukunft das Naturkapital ebenso wie das finanzielle Kapital bei allen wirtschaftlichen Entscheidungen mit einberechnet werden. Ökosystemare Leistungen – etwa die von Wäldern – seien einer jener Faktoren, die in konventionelle Berechnungsweisen wie die des Brutto-Inlandsprodukts nicht einfließen. Derzeit lebe die Gegenwart auf Kosten der Zukunft.

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.

Ein winziger Einzeller mit großer Bedeutung steht im Mittelpunkt des nächsten Mesokosmen-Experiments des Kieler Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR).

In Kiel entwickelte ‘Mesokosmen’ erforschen Meeresversauerung. – Foto: Ulf Riebesell / IFM-GEOMAR

Die Kalkalge Emiliania huxleyi transportiert Kohlenstoff in den tiefen Ozean und produziert außerdem ein klimakühlendes Gas. Ein 36-köpfiges Forscherteam aus deutschen, britischen und norwegischen Instituten untersucht, wie dieser Winzling auf die Ozeanversauerung reagiert und welche Folgen dies für den globalen Klimawandel hat. Dazu werden nach Ostern neun große Experimentieranlagen, sogenannte Mesokosmen, von Kiel nach Bergen verschifft.
Der Ozean bremst den Klimawandel, denn er nimmt einen Teil des vom Menschen produzierten Kohlendioxids (CO2) auf und fungiert so als Kohlenstoffsenke. Allerdings reagiert das CO2 mit dem Wasser zu Kohlensäure. Das Wasser wird dadurch saurer, was für marine Lebewesen, die ihre Schalen und Skelette aus Kalk aufbauen, gefährlich werden kann. Welche Folgen dies für das Ökosystem Meer hat, untersuchten Kieler Forscher bereits in mehreren Experimenten, zuletzt 2010 vor der Küste Spitzbergens. Ihr nächstes Projekt soll jetzt weitere Fragen zu den marinen Stoffkreisläufen beantworten. Dafür werden Ende April neun Experimentieranlagen des Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR), sogenannte Mesokosmen, mit dem norwegischen Forschungsschiff HÅKON MOSBY von Kiel aus in den Raunefjord vor Bergen (Norwegen) transportiert.

„Im vergangenen Jahr haben wir im Kongsfjord vor Spitzbergen untersucht, wie das Nahrungsnetz der Arktis auf den steigenden CO2-Gehalt reagiert. Denn das kalte Wasser in den höheren Breiten nimmt besonders große Mengen von diesem Gas auf. Der Arktische Ozean wird deshalb früher als andere Meeresregionen korrosiv für kalkbildende Organismen“, erklärt Prof. Ulf Riebesell, Meeresbiologe am IFM-GEOMAR und Leiter der Mesokosmen-Experimente. „Vor allem an der Basis der Nahrungskette konnten wir deutliche Veränderungen beobachten. Besonders empfindlich auf die im Experiment simulierte Ozeanversauerung reagierten die Flügelschnecken, die ein wichtiges Bindeglied im arktischen Nahrungsnetz bilden.“

In ihrem nächsten Experiment wollen die Wissenschaftler die Stoffkreisläufe genauer unter die Lupe nehmen. „Wir haben uns den Mai als Zeitpunkt für unsere Arbeiten ausgesucht, denn dann blüht vor Norwegens Küsten und in den Fjorden die Kalkalge Emiliania huxleyi, deren äußere Hülle aus winzigen Kalkplättchen besteht“, so Riebesell.

Durch ihre Massenentwicklung trägt diese Mikroalge wesentlich zum Stoffkreislauf in den Meeren bei. Ihre Kalkplättchen wirken als Ballast und beschleunigen so den Transport von Kohlenstoff in die Tiefe des Ozeans. Wird der Ozean saurer, werden die Kalkplättchen dünner und leichter. Der Ballasteffekt schwächt sich ab – und damit möglicherweise auch der Kohlenstofftransport in die Tiefe. Noch ein weiterer Punkt interessiert die Forscher: Die Kalkalgen setzen Dimethylsulfid (DMS) frei. In der Atmosphäre bilden sich aus dieser schwefelhaltigen Verbindung Schwefelsäuretröpfchen. Diese formen wolkenähnliche Schichten, die das Sonnenlicht reflektieren und dem Treibhauseffekt entgegen wirken können. Prof. Riebesell: „Die unscheinbaren Einzeller spielen also gleich im doppelten Sinne eine wichtige Rolle für unser Klima. Umso wichtiger ist es zu wissen, wie sie auf den Ozeanwandel reagieren, und was dies im Hinblick auf den globalen Klimawandel bedeutet.“

Für den neuen Einsatz wurden die Mesokosmen im Technik- und Logistikzentrum des IFM-GEOMAR umgebaut. Ihr Plastikschlauch wurde um sieben auf 25 Meter verlängert und fasst nun rund 80 Kubikmeter Meerwasser. Ein Sedimenttrichter erleichtert zudem, absinkende Schwebstoffe aufzufangen. Die Mesokosmen werden wie in Spitzbergen im Fjord verankert und auf Kohlendioxid-Niveaus gebracht, die die Forscher für die nächsten 50 bis 100 Jahre erwarten. Von der Espegrend Marine Station aus fahren sie sechs Wochen lang täglich mit kleinen Booten zu ihren gigantischen Reagenzgläsern hinaus, um Messungen vorzunehmen und Proben für die spätere Laborarbeit zu sammeln.

Ein weiteres Experiment ist bereits in Planung: Vom 23. November bis zum 7. Dezember 2011 setzen die Kieler gemeinsam mit US-Kollegen drei ihrer Mesokosmen vor Hawaii nahe der Hawaii Ocean Time Series Station (HOTS) aus. „Mit dem Einsatz dieser weltweit einmaligen Off-Shore-Experimentieranlage in einem Seegebiet, für das Langzeitbeobachtungen von mehr als 20 Jahren vorliegen, öffnen sich neue Forschungsmöglichkeiten“, urteilt Riebesell. So hoffen die Wissenschaftler, durch gezielte Experimente auf hoher See die Ursachen für Langzeitvariationen in der Produktivität des Ozeans besser zu verstehen.

Hintergrundinfo

Das Experiment im Raunefjord/Norwegen findet unter dem Dach von SOPRAN (Surface Ocean Processes in the ANthropocene) statt. Dieses vom Bundesministerium für Forschung und Bildung (BMBF) geförderte Verbundprojekt untersucht die Wechselwirkungen zwischen der Biologie im Ozean und der Chemie der Atmosphäre vor dem Hintergrund des globalen Klimawandels. Neben dem IFM-GEOMAR sind das Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, das Helmholtz-Zentrum Geesthacht, das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e.V., das Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde, das Max-Planck-Institut für Chemie Mainz und das Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei sowie aus dem europäischen Ausland zusätzlich die University of East Anglia, die Universität Bergen und das Bjerknes Centre for Climate Research an den Forschungsarbeiten vor Bergen beteiligt.

SOPRAN Website (engl.)

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)