Wetterextreme beeinflussen Kohlenstoffkreislauf

Ein internationales Forschungsteam unter maßgeblicher Mitwirkung der Universität Innsbruck berichtet in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature, wie meteorologische Extremereignisse den Kohlenstoffkreislauf von Landökosystemen beeinflussen: Ein sich selbst verstärkender Effekt des Klimawandels ist nicht ausgeschlossen.
Unter anderem messen die Forscherinnen und Forscher rund um Michael Bahn auf den Versuchsflächen im Stubaital den Kohlenstoffaustausch von Bergwiesen während  simulierter Dürren.
Bild: Unter anderem messen die Forscherinnen und Forscher rund um Michael Bahn auf den Versuchsflächen im Stubaital den Kohlenstoffaustausch von Bergwiesen während simulierter Dürren.

Wenn der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre steigt, heizt sich die Erde nicht nur auf, auch Wetterextreme wie anhaltende Dürren, Hitzewellen, Starkregen oder extreme Stürme dürften sich häufen. Wie sich diese extremen Wetterereignisse auf regionale und globale Kohlenstoffbilanzen auswirken, ist eine der großen Fragen in der Klimaforschung. Einige Antworten gibt ein internationales Forscherteam unter der Koordination des Max-Planck-Instituts für Biochemie (Jena) in einem am 15. August erschienenen Überblicksartikel in der Fachzeitschrift Nature. Die Autoren, darunter Michael Bahn vom Institut für Ökologie der Universität Innsbruck, betrachten erstmals Extremereignisse und ihre Auswirkungen auf Ökosysteme auf globaler Ebene. Sie berichten, dass Landökosysteme aufgrund der extremen klimatischen Ereignisse jährlich etwa elf Milliarden Tonnen weniger Kohlendioxid per Photosynthese aufnehmen, als sie es ohne Extremereignisse könnten. Das entspricht etwa einem Drittel der weltweiten CO2-Emissionen pro Jahr.

Dürren setzen der Vegetation besonders zu

Es waren die ersten gut dokumentierten großflächigen Ereignisse, wie etwa die im Sommer 2003 aufgetretene Hitzewelle über Mittel- und Südeuropa, die Forscher zur Vermutung veranlassten, dass Hitze und Trockenheit den Kohlenstoffzyklus wesentlich stärker als bis dahin angenommen beeinflussen. Die Hinweise auf die unterschätzte Rolle von extremen Wetterereignissen gaben Anstoß zum Projekt CARBO-Extreme, in dem Forscher aus acht Nationen systematisch die Folgen der verschiedenen extremen Klimaereignisse für Wälder, Sümpfe, Graslandschaften und Ackerflächen untersuchten.
Insbesondere extreme Dürreperioden reduzieren wesentlich die Kohlenstoffaufnahme von Wäldern, Wiesen und landwirtschaftlichen Nutzflächen. „Wir haben festgestellt, dass die meisten Probleme für den Kohlenstoffhaushalt nicht durch extreme Wärme, sondern durch Trockenheit entstehen“, erläutert Michael Bahn, Arbeitsgruppenleiter am Institut für Ökologie. Die stärksten, vielfältigsten und langfristigsten Effekte von extremen Wetterereignissen werden für Waldökosysteme erwartet. Aber auch die Kohlenstoffdynamik von Graslandsystemen kann durch Dürreereignissse empfindlich gestört werden. Michael Bahn und sein Team konnten beispielsweise zeigen, dass bei Sommerdürre in einer Bergwiese in den Stubaier Alpen der Kohlenstofftransport von den Blättern zu den Wurzeln und Bodenorganismen verlangsamt und verringert wird. „Darüber hinaus stellten wir fest, dass bei wiederholter Sommerdürre die Pflanzen und der Boden eine Art Gedächtnis entwickeln und auf Extremereignisse anders reagieren“, so Michael Bahn.
Wie die Forscher zudem herausfanden, verteilen sich auf globaler Ebene die extremen Einbrüche in der Kohlenstoffaufnahme, wie etwa Lawinen oder Erdbeben, entsprechend einem Skalierungsgesetz. Das bedeutet, dass wenige große Ereignisse den globalen Gesamteffekt dominieren, während die häufigeren kleinen Ereignisse weltweit eine deutlich geringere Rolle spielen.

Satelliten und Messstationen dokumentieren Extremereignisse

Für ihre Studie nutzten die Forscher auch Satellitenmessungen, die verraten, wie viel Licht Pflanzen in einem Gebiet absorbieren, um damit Photosynthese zu betreiben. Daraus ist ermittelbar, wie viel Biomasse das jeweilige Ökosystem während oder nach einem extremen Wetterereignis aufbaut. Zum anderen griffen die Forscher auf Daten eines weltweiten Netzes von 500 Messstationen zurück, die wenige Meter über dem Boden beziehungsweise über den Baumkronen eines Waldes die Kohlendioxid-Konzentrationen in der Atmosphäre sowie die Luftströmungen aufzeichnen. Aus den Werten ergibt sich, wie viel Kohlenstoff ein Ökosystem in Form von Kohlendioxid aufnimmt und abgibt.
Mit den verschiedenen Messdaten fütterte das Team dann aufwändige Computermodelle, um den globalen Effekt der Wetterextreme auf die Kohlenstoffbilanz zu berechnen. Das Ergebnis: Klimatische Extremereignisse haben auch extreme Auswirkungen auf den Kohlenstoffhaushalt. Die Vegetation nimmt im Schnitt jährlich rund elf Milliarden Tonnen weniger Kohlendioxid auf als in einem Klima ohne Wetterextreme. „Das entspricht in etwa der Menge an Kohlenstoff, die an Land jährlich längerfristig gespeichert wird“, betont Markus Reichstein, Direktor am Max-Planck-Institut für Biochemie. „Sie darf nicht vernachlässigt werden.“

Sehr seltene Wetterextreme besser erforschen

Um die Folgen der Extremereignisse noch besser zu verstehen, planen die Forscher weitere Studien. „Wir sollten auch Ereignisse in den Blick nehmen, die bisher nur einmal in 1.000 oder gar 10.000 Jahren auftreten, weil sie gegen Ende dieses Jahrhunderts viel häufiger werden dürften“, meint Michael Bahn. Außerdem regen die Forscher an, etwa bei einer Dürre oder einem Sturm Satelliten möglichst schnell auf eine betroffene Region zu richten, um den unmittelbaren und langfristigen Effekt lückenlos erfassen zu können.