KLIMA-MEDIA.de Pressespiegel & Infoblog

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)

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.

Bremer Umweltphysiker überzeugen Europäische Weltraumbehörde mit ihrem Treibhausgas-Satelliten.

Schema von CarbonSat – Institut für Umweltphysik der Uni Bremen

Auf der jüngsten Sitzung des Programmbeirats „Erdbeobachtung“ der ESA wurde die in Bremen konzipierte europäische Treibhausgasmission „Carbon Monitoring Satellite“ (CarbonSat) nach umfangreicher wissenschaftlicher und technischer Begutachtung aus über 30 Missionsvorschlägen für eine Machbarkeits- und Definitionsstudie ausgewählt. CarbonSat könnte damit der achte Satellit innerhalb des Earth Explorer Programmes der Europäischen Weltraumorganisation ESA werden.
CarbonSat hat zum Ziel, die globale Verteilung der Treibhausgase Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) in der Atmosphäre mit hoher Genauigkeit zu kartieren. Basierend auf diesen Messungen können die Verteilung und Konzentrationen dieser Treibhausgase weltweit vergleichbar bestimmt werden. Dabei wird CarbonSat erstmalig klein-skalige starke Emissionsquellen flächendeckend vermessen und damit einen wichtigen Beitrag zur Unterscheidung zwischen natürlichen und von Menschen gemachten Emissionen leisten.

CarbonSat soll ein wichtiger Bestandteil eines globalen Überwachungssystems für Treibhausgase werden. Die Daten werden sowohl national als auch weltweit von Wissenschaftlern, Behörden und Wetterdiensten zur Beantwortung wichtiger offener Fragen in Bezug auf die Wirkung der Treibhausgase benötigt – einschließlich der Überwachung und Bewertung von zukünftigen Treibhausgasemissionen.

Zusammen mit CarbonSat wurde nur noch ein weiterer Missionsvorschlag von der ESA ausgewählt. Am Ende der 2011 beginnenden Machbarkeitsstudien wird die ESA darüber entscheiden, welche der beiden Missionen im Jahr 2018 in den Orbit gebracht werden soll. Der Missionsvorschlag CarbonSat wurde unter der wissenschaftlichen Leitung von Dr. Heinrich Bovensmann vom Institut für Umweltphysik (IUP) der Universität Bremen in enger Zusammenarbeit mit einem internationalen Expertenteam im Juni dieses Jahres bei der ESA zur Begutachtung eingereicht. Der technische Teil des Missionsvorschlages wurde in Zusammenarbeit mit OHB System AG (Satellitensystem) und Kayser-Threde (Sensorik) und dem Bremer DLR Institut für Raumfahrtsysteme erarbeitet. Das Projekt baut auf die langjährige Erfahrung des IUP (Leitung: Professor John P. Burrows) beim satellitengestützen Nachweis von Treibhausgasen mit dem seit 2002 erfolgreich arbeitenden Sensor SCIAMACHY und den am IUP entwickelten hochgenauen Auswertealgorithmen (Leitung: Dr. Michael Buchwitz) auf. Zudem ist die Arbeitsgruppe von Prof. Justus Notholt mit ihren hochgenauen Bodenreferenzstationen zur Eichung der Satellitendaten an der Mission beteiligt.

Die Vorbereitung des Missionsvorschlages wurde mit Mitteln des Landes Bremen (Wirtschaftsförderung Bremen mit Mitteln des Senators für Wirtschaft und Häfen) und der Universität Bremen unterstützt sowie durch die DLR Raumfahrt-Agentur mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie gefördert.

Das Klimasystem der Erde ist komplex und nicht völlig verstanden.

Messturm inmitten zentralsibirischer Tundra – Foto: Michael Hielscher / MPI-BGC

Bislang gingen Klimaforscher davon aus, dass die Erderwärmung den globalen Wasserkreislauf anheizt. Auf eine Überraschung sind nun Forscher des MPI für Biogeochemie in Jena gestoßen: Sie fanden heraus, dass zwischen 1998 und 2008 der weltweite Trend zunehmender Verdunstung der Landoberfläche deutlich abgeschwächt oder sogar umgekehrt wurde. Und das obwohl sich die Atmosphäre in derselben Zeit insgesamt erwärmt hat. Als mögliche Erklärung fanden die Forscher heraus, dass der Boden vor allem im südlichen Afrika, in Australien und in Südamerika zunehmend austrocknete. Die Ursache dafür und ob dieser Trend anhält ist noch unklar.
Ohne Wasserverdunstung würde es unter unseren Fußsohlen ziemlich heiß. Denn beim Verdampfen verbraucht die Feuchtigkeit des Bodens und der Pflanzen mehr als die Hälfte der Sonnenenergie, die auf die Kontinente trifft – und kühlt so die Erdoberfläche. Wie viel Feuchtigkeit dabei in die Atmosphäre aufsteigt, haben Wissenschaftler der Fluxnet-Initiative, die den weltweiten Stoffaustausch zwischen der Biosphäre und der Atmosphäre beobachtet, jetzt erstmals genau abgeschätzt. Demnach verdunsteten zwischen 1982 und 2008 im Durchschnitt weltweit jährlich 65.000 Kubikkilometer Wasser, das entspricht fast der Wassermenge des Kaspischen Meers, dem größten See der Erde. Dieser aus Daten abgeleitete Wert entspricht früheren Hochrechnungen aus anderen Studien. „Unsere Daten zeigen aber zum ersten Mal, wie sich die Verdunstung in diesem Zeitraum verändert hat“, sagt Markus Reichstein, Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena und Koordinator der Studie.

Zunächst nahm die Menge des auf der globalen Landoberfläche verdampften Wassers bis 1997 jährlich um etwa 120 Kubikkilometer zu, mehr als das doppelte des Bodensees. Dieser Trend schwächte sich danach allerdings deutlich ab. „Da sich gleichzeitig die Temperatur der Atmosphäre leicht erhöhte, hat uns die Abschwächung der zunehmenden Verdunstung sehr überrascht“, sagt Martin Jung, der die Daten am Jenaer Max-Planck-Institut maßgeblich ausgewertet hat. „Denn wärmere Luft kann bekanntermaßen mehr Feuchtigkeit aufnehmen.“ Klimaforscher gingen daher bislang davon aus, dass auf der wärmer werdenden Erde mehr Wasser verdampft. Doch möglicherweise gilt das nur regional begrenzt. Denn vor allem in Australien, Ostafrika und Südamerika geschah zwischen 1998 und 2008 genau das Gegenteil. Dort verdampfte deutlich weniger Wasser. Diesen starken Rückgang konnte auch die leicht erhöhte Verdunstung in China und Indien nicht wettmachen.

„Wie viel Wasser auf der Südhalbkugel verdunstet wurde, hing offenbar nicht davon ab, wie viel die Atmosphäre aufnehmen konnte, sondern wie viel Wasser im Boden zur Verfügung stand“, so Jung. Und das wurde in den elf Jahren vor 2008 immer weniger. „Warum der Boden dort zunehmend trockener wird, wissen wir noch nicht“, sagt der Klimaforscher. Er warnt aber ausdrücklich davor, darin schon Auswirkungen des Klimawandels zu sehen: Möglicherweise handele es sich nur um eine natürliche Schwankung, die sich bislang nicht erklären lässt. Auch periodisch auftretende Klimaphänomene wie etwa El Niño – eine alle paar Jahre auftretende warme Meeresströmung im Südpazifik – könnten den globalen Wasserkreislauf so durcheinander bringen, dass manche Gegenden der Welt vorübergehend trockener werden. „Um festzustellen, ob der Trend anhält, müssen wir den Wasserkreislauf deutlich länger beobachten“, sagt Reichstein.

Sollte sich die Entwicklung tatsächlich fortsetzen, könnte das gravierende Folgen haben. Wie kräftig Pflanzen Photosynthese betreiben, und folglich wie üppig sie wachsen, hängt vor allem davon ab, ob sie ausreichend mit Wasser versorgt sind. Falls der Boden auf der Südhalbkugel weiter austrocknen würde, wäre das nicht nur für die ohnehin schwierige Landwirtschaft dieser Gebiete verheerend. Durch das verringerte Pflanzenwachstum und das reduzierte Wasserangebot würde auch weniger Kohlendioxid durch Photosynthese gebunden und somit der Treibhauseffekt weiter verstärkt. Da außerdem die kühlende Verdunstung reduziert wäre, könnte es regional zu einer weiteren Erwärmung der Landoberfläche kommen.

Dies müssen die zukünftigen Messungen zeigen. Denn die Methode der Fluxnet-Forscher ermöglicht es erstmals, die Entwicklung mit hoher Präzision zu verfolgen. „Wir lassen ausschließlich die Messdaten sprechen, wenn wir globale Kreisläufe wie etwa den Wasserzyklus untersuchen“, sagt Reichstein. Die Forscher gehen also nicht wie früher üblich von hypothetischen Klimamodellen aus, um einzelne Messwerte zu interpretieren. Erstmalig lassen sie die Messwerte mit ausgefeilten Algorithmen, die aus der Forschung zur künstlichen Intelligenz stammen, selbst ein Modell erzeugen, welches auch nicht-lineare Zusammenhänge beschreiben kann. Als Datengrundlage haben die Forscher an mehr als 250 weltweiten Stationen zwischen 1997 und 2006 exakt aufgezeichnet, wie viel Wasser unter verschiedenen Klima- und Vegetationsbedingung verdunstet ist und dann mit Satellitendaten hochgerechnet.

„Wir wollen genau wissen, wie viel Wasser, Kohlendioxid und andere Stoffe der Boden und die Vegetation abgeben und aufnehmen und wie diese Kreisläufe mit der Erderwärmung zusammenhängen“, sagt Reichstein. „Globale Messnetzwerke wie Fluxnet sowie Satellitendaten sind dafür auch in der Zukunft unverzichtbar und sollten klassische Klimabeobachtungen, etwa der Temperatur, verstärkt ergänzen.“ Denn nur dann können die Forscher die Entwicklung und den Beitrag einzelner Komponenten zum Gesamtklima erkennen und gezielte Maßnahmen empfehlen, um den Klimawandel zu begrenzen.

Originalpublikation
Martin Jung, Markus Reichstein, Philippe Ciais, Sonia I. Seneviratne, Justin Sheffield, Michael L. Goulden, Gordon Bonan, Alessandro Cescatti, Jiquan Chen, Richard de Jeu, A. Johannes Dolman, Werner Eugster, Dieter Gerten, Damiano Gianelle, Nadine Gobron, Jens Heinke, John Kimball, Beverly E. Law, Leonardo Montagnani, Qiaozhen Mu, Brigitte Mueller, Keith Oleson, Dario Papale, Andrew D. Richardson, Olivier Roupsard, Steve Running, Enrico Tomelleri, Nicolas Viovy, Ulrich Weber, Christopher Williams, Eric Wood, Sönke Zaehle & Ke Zhang
Recent decline in the global land evapotranspiration trend due to limited moisture supply
Nature, 10. Oktober 2010; doi:10.1038/nature09396

Forschungsschiff Maria S. Merian ist vom 31. Juli bis zum 22. August 2010 zur Erforschung potenzieller Methanquellen in der Ostsee unterwegs.

Welche Methanvorkommen birgt die Ostsee? – Foto: Dagmar Struß

Eine internationale Gruppe von Meereschemikern, marinen Mikrobiologen und Meeresgeologen wird am 31. Juli unter Leitung des Warnemünder Meereschemikers Prof. Dr. Gregor Rehder an Bord des Forschungsschiffes Maria S. Merian von Rostock aus eine Forschungsexpedition in der Ostsee durchführen. Im Fokus der Untersuchungen stehen Methan-Vorkommen in Ostseesedimenten.

Methan ist ein gefährliches Klimagas. Seine Wirksamkeit übertrifft die des Kohlenstoffdioxids über einen Zeitraum von 100 Jahren betrachtet um das 23-fache. Wissenschaftler sind daher weltweit auf der Suche nach aktuellen und potenziellen Methanquellen. Die Merian-Expedition MSM 16/1 wird sich den Methangas-Vorkommen in den Ostsee-Sedimenten widmen. Neben der Erfassung des aktuellen Eintrags von Methan in das Ostseewasser und in die Atmosphäre geht es vor allem um den potenziellen Eintrag – um mögliche Veränderungen der Methan-Lagerstätten durch Erhöhung der Wassertemperatur bei fortschreitender Eutrophierung.

Der Boden der Ostsee ist prädestiniert für die Bildung von Methan. Kontinuierlich wird organische Substanz abgelagert. Bei ihrer Zersetzung wird Sauerstoff verbraucht. In der geschichteten Ostsee führt das zu einem fast permanenten Sauerstoffmangel im Bodenwasser der tiefen Becken und konstanter Sauerstoffabwesenheit im Sediment (anaerobe Bedingungen).
In dieser Umgebung fühlen sich Methan-bildende Bakterien besonders wohl. Der größte Teil des von ihnen produzierten Methans wird im Sediment angereichert. Andere Bakterien-Gemeinschaften wiederum, die sich auf die Nutzung des Methans zur Energiegewinnung spezialisiert haben, verhindern ein Ausgasen – und zwar sehr effektiv: weltweit tritt schätzungsweise nur 10 % des im Sediment gebildeten Methans auch wirklich aus dem Meeresboden aus.

Diese bakteriell gesteuerte Wechselwirkung von Methanbildung und Methanoxidation, die weltweit aus den anaeroben Sedimenten hochproduktiver Seegebiete bekannt ist, lässt sich in der Ostsee besonders gut studieren. Die Hypothese, die die Forscher hier überprüfen, lautet: Sollten sich im Zuge des globalen Wandels in der Interaktion der Bakterien Veränderungen ergeben, die zu einer stärkeren Freisetzung von Methan führen, so würde dies eine den Treibhauseffekt verstärkende Rückkopplung auslösen.

Viele der Methan-Lagerstätten in der Ostsee sind durch frühere Arbeiten bekannt. Auf diese Regionen werden sich die Untersuchungen konzentrieren. Mit Hilfe eines Fächerecholots, das Gasblasen in der Wassersäule erkennt, mit einem Sedimentecholot, das quasi in die Schichten am Meeresgrund hineinsehen kann und mit neuartigen Sensoren, die den Methangehalt im Wasser bestimmen, werden Vorkommen im Arkonabecken, im Bornholmbecken, vor der Stolper Rinne, im Gotlandbecken, in der Botten-See und Botten-Wiek erfasst und beschrieben. In einem zweiten Schritt kommen Schwerelot und Kerngewinnungssysteme zum Einsatz, um Sedimentkerne aus den untersuchten Gebieten zu entnehmen.
Die Expedition ist Teil des internationalen Forschungsprojektes Baltic Gas, das gemeinschaftlich für drei Jahre im Rahmen von BONUS – dem Ostsee-Netzwerk von Forschungsförderinstitutionen – finanziert wird.

Baltic Gas wird von dem dänischen Mikrobiologen Bo Barker Joergensen vom Center for Geomicrobiology der Universität Aarhus, koordiniert.

• Infos zum Projekt Baltic Gas
• Die BONUS Homepage
• Infos zur Maria S. Merian Expedition (PDF)

Globale Erwärmung und Treibhauseffekt, schmelzende Polkappen und steigender Meeresspiegel, Trockenheit und Wassermangel: Kaum ein Thema beherrscht die Medien so durchgehend wie die Klimaproblematik.

Dem Autoverkehr wird ein hoher Anteil am Klimawandel zugeschrieben – Foto: Rainer Sturm / Pixelio

Auch die Bevölkerung des Ruhrgebiets bleibt davon nicht unbeeindruckt. Klimawandel und Umweltpolitik sind die Themen, die die Menschen dort stark interessieren. Das ergab eine Umfrage des Rhein-Ruhr-Instituts für Sozialforschung und Politikberatung (RISP), einem An-Institut der Universität Duisburg-Essen.
Die Ursachen für den Klimawandel sehen die Menschen in der Metropolregion vor allem im Verkehr (83,2 Prozent) in der Industrie (79,7 Prozent) und in der Energieerzeugung (72,9 Prozent). 58,9 Prozent machen auch das Konsumverhalten der Bevölkerung mitverantwortlich. Insgesamt zeigt die RISP-Umfrage, wie hoch der Stellenwert von Klimawandel und Klimaanpassung bei der Bevölkerung des Ruhrgebiets ist: 79 Prozent der Befragten erachten den Klimawandel als bedeutsam. Umweltpolitik ist mit 89,9 Prozent der Stimmen noch vor der Wirtschaftspolitik (83,8 Prozent) der Politikbereich, dem die größte Bedeutung zugemessen wird.

Von Politik schlecht informiert

Wie kann reagiert werden, wenn sich die Erde weiter erwärmt? Wie kann man selbst zum Umweltschutz beitragen? „Mit diesen Fragen haben sich laut der RISP-Studie viele Bürger bereits beschäftigt“, sagt Joachim Liesenfeld, Projektleiter beim RISP. „Sie sind gut informiert und haben eine präzise Vorstellung von den Folgen des Klimawandels.“ 87,6 Prozent rechnen mit einem Temperaturanstieg, 81,6 Prozent mit Starkregenereignissen und 71,2 Prozent mit wachsenden gesundheitlichen Risiken für ältere Menschen, Schwangere und Kleinkinder. Von der Politik fühlt sich die Ruhrgebiets-Bevölkerung allerdings schlecht über diese Folgen informiert: Nur 18,9 Prozent geben Politik und Verwaltung gute oder sehr gute Noten für ihr Informationsmanagement in Sachen Klimawandel.

Eigener Einsatz für die Umwelt

„Um den Klimawandel aufzuhalten und die Folgen zu beherrschen, wollen die befragten Bürger auch selbst etwas beitragen“, so Joachim Liesenfeld über die weiteren Ergebnisse der Studie. „Energiesparen, erneuerbare Energien und der ÖPNV stehen hoch im Kurs“. Zur Förderung erneuerbarer Energien würden Bürgerinnen und Bürger sogar höhere Stromkosten akzeptieren. „Eines stößt allerdings auf große Ablehnung: ein Wohnortwechsel in Folge von Umweltgesichtspunkten.“

An der Umfrage beteiligten sich mehr als 1.000 Bürger. Sie wurde im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungs- und Entwicklungsprojektes „Dynamische Anpassung an die Auswirkungen des Klimawandels in der Emscher-Lippe Region (Ruhrgebiet)“ durchgeführt. Ziel ist eine erfolgreiche Klimaanpassung in der Region unter Einbeziehung der Bevölkerung.

Zwei Expeditionen in unwirtliche Gebiete – in die russische Republik Komi und ins sibirische Lenadelta – sollen klären, wie Moore auf Klimaänderungen reagieren.

Der Turm misst Ströme von CO2, Verdunstung und Temperatur zwischen Oberfläche und Atmosphäre – Foto: Uni Hamburg

Prof. Lars Kutzbach vom KlimaCampus der Universität Hamburg erforscht mit seinem Team sowie deutschen und russischen Partnern die komplexen Wechselwirkungen zwischen hydrologischen Prozessen und dem Kohlenstoffkreislauf nordischer Feuchtgebiete. Befürchtet wird, dass diese durch die globale Erwärmung mehr Kohlenstoff in Form von Treibhausgasen emittieren. Die aktuellen Analysen werden wichtige Grundlagendaten zur Risikoabschätzung und für das Verständnis von Treibhausgas-Bilanzen liefern. In herkömmlichen Klimamodellen fehlte der Faktor „Moor“ trotz seiner Größenordnung bisher völlig.

Neu ist der Ansatz von Kutzbach, im Moor nicht nur die Kohlenstoff-, sondern auch die Wasserflüsse zu analysieren. Bisher wurden die Bereiche meist getrennt betrachtet. Doch Kohlenstofftransporte finden nicht nur vertikal zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre statt, sondern auch horizontal in gelöster Form über den Wassertransport in Landschaften. „Indem wir hydrologische und meteorologische Daten mit Boden- und Wasseranalysen verknüpfen, können wir Kohlenstoff-Lecks im Moor aufdecken“, sagt Kutzbach. „Für diese Orte untersuchen wir die beteiligten Mechanismen und ermitteln so die Bedingungen, unter denen Kohlenstoff und Treibhausgase aus Mooren entlassen werden.“ Die Ergebnisse helfen, eine wichtige Datenlücke in Klimamodellen zu schließen und erlauben Abschätzungen, inwieweit die Erderwärmung durch massive Emissionen von Treibhausgasen aus Mooren beschleunigt werden könnte.

Moorgebiete sind gigantische Kohlenstoffspeicher: Sie beherbergen weltweit mindestens 550 Gigatonnen Kohlenstoff, obwohl sie nur drei Prozent der Landoberfläche bedecken. Zum Vergleich: Die gesamte globale Vegetation speichert nur 600 Gigatonnen, der Mensch emittiert etwa acht Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr durch Verbrennung fossiler Energieträger. Steigt die globale Temperatur, könnte der bisher langfristig festgesetzte Kohlenstoff „aktiver“ werden, und mehr Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) freigesetzt werden. Methan hat auf einen Zeitraum von 100 Jahren gerechnet einen 25-fach stärkeren Treibhauseffekt („Global warming potential“) als CO2.

Feldforschung, Frost und ewige Nacht

Das erste Areal erschließt das Team um Kutzbach westlich des Urals in der russischen Republik Komi. Dort bestehen 15 Prozent der Landesfläche aus Feuchtgebieten. Die zweimonatige Feldkampagne ist gleichzeitig Auftakt einer engen Kooperation mit Forschern der Universität Greifswald und des Komi Science Center. Gleichzeitig brechen die KlimaCampus-Forscher in die nördlichsten sibirischen Permafrostgebiete auf. Durch ein Anschmelzen dieser meist gefrorenen Moorböden können ebenfalls große Mengen Kohlenstoff als Treibhausgase freigesetzt werden. Über fünf Monate – bis in den arktischen Winter hinein – werden sie im Lenadelta bleiben und die Arbeiten dort in enger Kooperation mit der Forschungsstelle Potsdam des Alfred-Wegener-Instituts und dem Permafrost-Institut in Jakutsk durchführen.

Doktorand Peter Schreiber vom KlimaCampus ist einer der vier Extremforscher, die sich dafür auf Temperaturen zwischen minus 20 und minus 45 Grad Celsius und Feldforschung mit Taschenlampe bei ewiger Nacht einstellen: „Wir werden erstmals kontinuierlich sehr hochwertige Daten der Spurengase erheben, bis zu dem Zeitpunkt, wo der Permafrostboden komplett durchgefroren ist“, sagt Schreiber. „Besonders interessieren dabei die kaum untersuchten Prozesse an den Übergängen zwischen Sommer und arktischem Winter. Während des tiefen Polarwinters lassen wir die Messgeräte unbegleitet laufen, und im Frühjahr werden wir wieder vor Ort sein, bevor der Tauprozess beginnt. So erhalten wir erstmals ein vollständiges Jahreszeitenprofil.“