Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München 5. Dezember 2023.

München, den 30. November 2023 – Die verbleibende Zeit, um die Klimaziele des Pariser Abkommens zu erreichen, läuft immer schneller ab. Dies zeigt die jährliche Bilanz des Global Carbon Projects (GCP), ein Zusammenschluss internationaler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit starker deutscher Beteiligung, an dem auch die LMU-Geografen Julia Pongratz und Clemens Schwingshackl als Kernautoren beteiligt waren. Demnach werden sich die fossilen CO₂-Emissionen im Jahr 2023 voraussichtlich auf 36,8 Milliarden Tonnen summieren und ein neues Rekordniveau erreichen, das 1,1% über den Werten von 2022 liegt.

Regional waren die Trends sehr unterschiedlich: Während die fossilen Emissionen in Indien und China anstiegen (+8,2% bzw. + 4,0%), sanken sie in Europa und den USA (-7,4% bzw. -3,0%) und geringfügig auch im Rest der Welt (-0,4%). Für Europa etwa begründen die Autoren den Rückgang mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien und den Auswirkungen der Energiekrise. Das Wachstum in China sei teilweise auf eine verzögerte Erholung von den Auswirkungen der COVID-bedingten Lockdowns zurückzuführen.

Globale CO₂-Emissionen weit entfernt von den erforderlichen Einsparungen
Zusammen mit den Emissionen aus der Landnutzung belaufen sich die globalen CO₂-Emissionen 2023 auf etwa 40,9 Milliarden Tonnen. Dies ist weit entfernt von den deutlichen Einsparungen, die nötig wären, um die Pariser Klimaziele zu erreichen, so die Autoren. Zwar sei die Schätzung des verbleibenden Kohlenstoffbudgets mit großen Unsicherheiten behaftet, dennoch sei klar, dass die Zeit schnell ablaufe: Wenn das derzeitige Niveau der CO₂-Emissionen anhält, könnte das verbleibende Kohlenstoffbudget für eine 50-prozentige Chance, die Erwärmung auf 1,5°C zu begrenzen, in sieben Jahren und für 1,7°C in 15 Jahren aufgebraucht sein. „Es erscheint unausweichlich, dass wir das 1,5°C-Ziel überschreiten werden – und die letzten Jahre haben uns drastisch vor Augen geführt, wie gravierend die Folgen des Klimawandels bereits jetzt sind. Von den Staats- und Regierungschefs auf der Klimakonferenz in Dubai müssen deutlich höhere Anstrengungen bei der Emissionsreduktion beschlossen werden, um wenigstens das 2°C-Ziel noch einzuhalten“, sagt Julia Pongratz, Professorin für Physische Geographie und Landnutzungssysteme an der LMU.

CO₂-Entnahme erstmals ausgewiesen
„Die Emissionen aus Entwaldung nahmen zwar leicht ab, aber sie sind immer noch zu hoch, um durch nachwachsende Wälder und Aufforstung kompensiert werden zu können“, sagt Clemens Schwingshackl, der gemeinsam mit Pongratz die Abschätzungen der Landnutzungsemissionen im GCP-Bericht leitete. Zurzeit wird etwa die Hälfte der Emissionen aus Entwaldung durch CO₂-Aufnahme in nachwachsenden Wäldern und Aufforstung ausgeglichen. Durch technische Lösungen, wie etwa das sogenannte Direct Air Capture and Carbon Storage (DACCS), die unabhängig von Vegetation funktionieren, wird derzeit nur eine verschwindend geringe Menge CO₂ aus der Atmosphäre entnommen. „Für die ‚Netto-Null‘ Emissionsziele sind in erster Linie massive Anstrengungen zur Emissionsreduktion unerlässlich. Für die Kompensation schwer vermeidbarer Emissionen wird zusätzlich ein starker Ausbau von CO₂-Entnahmeverfahren notwendig sein“, so Schwingshackl.

El Niño macht sich bemerkbar
Für 2023 schätzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass etwa die Hälfte des emittierten CO₂ durch Senken an Land und im Meer absorbiert wird. Der Rest gelangt in die Atmosphäre, deren CO₂-Gehalt dadurch auf einen Jahresmittelwert von etwa 419 ppm (parts per million) ansteigen wird.

In Bezug auf die Landsenke machte sich vermutlich bereits das Wetterphänomen El Niño bemerkbar, das Mitte 2023 begonnen hat: Mit 10,4 Milliarden Tonnen CO₂ nahm die Landsenke wesentlich weniger CO₂ auf als in den vorigen Jahren, in denen sie durchschnittlich 12,3 Milliarden Tonnen absorbierte. „In El-Niño-Jahren schwächelt die Landsenke, weil Regionen wie der Amazonas und Südostasien von Dürre und Feuern betroffen sind“, sagt Pongratz. Der Ozean reagiert entgegengesetzt, auch wenn die Variationen von Jahr zu Jahr weniger stark ausfallen als an Land. Nach den außergewöhnlichen drei La-Niña-Jahren in Folge (2020-2022), in denen die Ozeansenke nicht zugenommen hat, ist für 2023 erstmals wieder ein Anstieg der CO₂-Aufnahme im Ozean auf 10,6 Milliarden Tonnen CO₂ prognostiziert.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vermuten, dass sich der Einfluss von El Niño auf die CO₂-Senken an Land und im Meer in den kommenden Monaten weiter verstärkt und insgesamt zu einem stärkeren Wachstum der atmosphärischen CO₂-Werte im Jahr 2024 führt.

Der Bericht über das globale Kohlenstoffbudget, der von einem internationalen Team von mehr als 120 Wissenschaftlern erstellt wird, bietet eine jährliche, von Fachleuten überprüfte Aktualisierung, die auf bewährten Methoden aufbaut und vollständig transparent ist. Er wird am 5. Dezember 2023 auf einer Pressekonferenz im Rahmen der 28. UN-Klimakonferenz in Dubai vorgestellt, bei der sich Vertreter aus über 200 Staaten treffen, um über die Umsetzung des Pariser Klimaabkommens zu beraten.

Aus dem deutschsprachigen Raum sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Instituts (Bremerhaven), der ETH Zürich, des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung (Kiel), des International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA), des Karlsruhe Instituts für Technologie, des Leibniz-Instituts für Ostseeforschung (Warnemünde), der Ludwig-Maximilians-Universität (München), des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (Hamburg), des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie (Jena), des Potsdam Instituts für Klimafolgenforschung und der Universität Bern beteiligt, die mit Ozeanbeobachtungen, Modellsimulationen von Ozean, Land und Atmosphäre sowie Analysen zu dem Bericht beitrugen.

Die Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)
Die LMU ist eine der führenden Universitäten in Europa mit einer über 500-jährigen Tradition. Sie bietet ein breites Spektrum aller Wissensgebiete – die ideale Basis für hervorragende Forschung und ein anspruchsvolles Lehrangebot. Es reicht von den Geistes- und Kultur- über Rechts-, Wirtschafts- und Sozialwissenschaften bis hin zur Medizin und den Naturwissenschaften. 20 Prozent der 52.000 Studierenden kommen aus dem Ausland – aus insgesamt 140 Nationen. Das Know-how und die Kreativität der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bilden die Grundlage für die herausragende Forschungsbilanz der Universität. Der Erfolg der LMU in allen drei Phasen des Exzellenz-Wettbewerbs und die dauerhafte Förderung als „Exzellenzuniversität“ dokumentieren eindrucksvoll die Forschungsstärke der Münchener Universität.

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Quelle: GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel 16. August 2023.

16. August 2023/Kiel. Satelliten-Fernerkundung kann helfen, die Nährstoff-Limitierung im Ozean zu beobachten und zu verstehen, wie sie die Produktivität des Phytoplanktons beeinflusst. Diese winzigen marinen Pflanzen bilden die Basis des Lebens im Meer und sind der Schlüssel zu wichtigen Funktionen des Ozeans wie der Klimaregulierung. In einem heute in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikel beschreibt ein internationales Team von Expert:innen unter der Leitung von Dr. Thomas Browning vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel diesen neuartigen Ansatz. Er trägt auch dazu bei, biogeochemische Modelle zu verbessern und zukünftige Auswirkungen des Klimawandels besser vorherzusagen.

Winzige marine Pflanzen – das Phytoplankton – bilden die Grundlage des Lebens im Ozean. Sie tragen zur Kontrolle der Konzentrationen von Kohlendioxid (CO₂) in der Atmosphäre und damit zur Regulierung unseres Klimas bei. Um zu gedeihen, sind sie auf Sonnenlicht und Nährstoffe angewiesen. Hierzu zählen auch Elemente wie Eisen oder Stickstoff, die durch Strömungen und Auftrieb an die Meeresoberfläche gelangen können.

Um Nährstoffgrenzen für die Existenz des Phytoplanktons im Ozean zu verstehen, nutzen Wissenschaftler:innen üblicherweise Experimente auf Schiffsexpeditionen. Diese erfassen jedoch stets nur einen winzigen Teil des Ozeans zu einem bestimmten Zeitpunkt. Daher testete ein internationales Team von Forschenden, ob ein von Satelliten im Weltraum aufgenommenes Signal zur Beobachtung der Nährstoffbegrenzung genutzt werden kann – und so innerhalb weniger Tage der gesamte Ozean abgedeckt wird. Zu diesem Zweck untersuchten sie, ob die von Satelliten aufgezeichnete Fluoreszenz von Phytoplankton im äquatorialen Pazifik Informationen über die Nährstoffbegrenzung des Phytoplanktons liefert. Die Beobachtungen wurden auf der Expedition SO267/2 mit dem deutschen Forschungsschiff SONNE im Jahr 2019 durchgeführt. In dieser Ozeanregion variieren die Nährstoffverfügbarkeit und die Produktivität des Phytoplanktons aufgrund der Klimaschwankung des El Niño Southern Oscillation-Phänomens (ENSO) auf natürliche Weise. Die Ergebnisse werden heute in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

„Obwohl Satelliten seit zwei Jahrzehnten Fluoreszenz messen, wissen wir noch nicht, wie wir diese richtig interpretieren können“, sagt Dr. Thomas Browning. Der Meeresbiologe und Chemiker am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel ist koordinierender Autor der Nature-Publikation und Gruppenleiter von „Ocean Glow“. Das vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) geförderte Projekt zielt darauf ab, neue Ansätze zu entwickeln, um anhand von Satellitenbeobachtungen zu ermitteln, welche Nährstoffe das Phytoplanktonwachstum begrenzen.

Während der SONNE-Expedition 2019 nutzten die Forschenden Experimente und Analysen von Phytoplankton-Proteinen, um nachzuvollziehen, welche Nährstoffe das Phytoplanktonwachstum limitieren. Außerdem werteten sie Schwankungen in der Fluoreszenz des Phytoplanktons aus – vom Phytoplankton ausgestrahltes rotes Licht, das durch die Nährstoffe reguliert wird, welche das Wachstum begrenzen. Insbesondere produziert das Phytoplankton bei Eisenlimitierung Pigment-Protein-Komplexe, die stark fluoreszieren, während dies bei Stickstofflimitierung nicht der Fall ist. Darüber hinaus nahmen die Forschenden optische Messungen wie die der MODIS-Satelliten der NASA vor – jedoch mit Instrumenten, die an der Vorderseite des Schiffs angebracht waren und auf die Meeresoberfläche blickten. Diese Felddaten verglichen sie dann mit Satellitendaten, um historische Trends der Nährstoffbegrenzung im äquatorialen Pazifik seit Beginn der Satellitenbeobachtungen vor zwei Jahrzehnten zu bewerten.

„Wir fanden heraus, dass die Existenz des Phytoplanktons entweder durch Eisen oder durch Stickstoff limitiert ist, was zu sehr unterschiedlichen Eigenschaften in der Fluoreszenz des Phytoplanktons führt, die von Satelliten erfasst werden. Wir fanden auch heraus, dass die Intensität der Eisenbegrenzung die Fluoreszenzsignale beeinflusst: Eine stärkere Eisenbegrenzung führte zu mehr Fluoreszenz“, fasst Dr. Browning zusammen. Die Fluoreszenz-Beobachtungen der Satelliten variierten in einer Weise, die dem Eisenangebot entsprach, das im Laufe der ENSO-Zyklen aus tieferen Gewässern aufstieg.

Ein Vergleich dieser Beobachtungen mit Vorhersagen eines globalen biogeochemischen Modells ergab einen auffälligen Unterschied: Zwar waren die Veränderungen in der Eisenbegrenzung über mehrere Zyklen hinweg mit der ENSO-Dynamik kohärent. Doch das Modell überschätzte die Auswirkungen der Eisenbeschränkung im Phytoplankton im Gegensatz zu den Feldbeobachtungen um das Doppelte. Folglich können synoptische Beobachtungen der Nährstoffbegrenzung durch Satelliten der Schlüssel zur Validierung und Verbesserung solcher Modelle sein – und Vorhersagen künftiger Auswirkungen des Klimawandels auf die Ökosysteme im Ozean verbessern.

„Diese ersten Ergebnisse zeigen, wie Satellitenbeobachtungen uns helfen können, die Auswirkungen der Nährstoffbegrenzung auf das Phytoplankton und seine wichtige Rolle im globalen Ozean und in unserem Klimasystem zu bewerten“, betont Dr. Browning. „Unsere Studie konzentrierte sich jedoch auf den äquatorialen Pazifik. Im Rahmen des neuen ERC-Projekts ‚Ocean Glow‘ wollen wir dies für alle Regionen des Ozeans in viel robusterer Weise validieren.“

Hintergrund: „Ocean Glow“
Das kürzlich gestartete Projekt „Ocean Glow“ zielt darauf ab, das Potenzial für die globale Beobachtung der Nährstoff-Begrenzung im Ozean mit Hilfe von satellitengestützten Phytoplankton-Fluoreszenzsignalen zu untersuchen. Es wird von Dr. Thomas Browning, Meeresbiologe und Chemiker am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel (Deutschland), geleitet und durch einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) in Höhe von 1,5 Millionen Euro unterstützt.

Projekt-Förderung:
Die Forschung wurde größtenteils durch die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekte „Eq-Pac co-limitation“ und „OceanLight“ ermöglicht.

Original-Publikation:
Browning, T.J., Saito, M.A., Garaba, S.P, Wang, X., Achterberg, E.P., Moore, M., Engel, A., Mcllvin, M.R., Moran, D., Voss, D., Zielinski, O., Tagliabue, A. (2023): Persistent equatorial Pacific iron limitation under ENSO forcing. Nature, doi: doi.org/10.1038/s41586-023-06439-0,
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06439-0,
pdf: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06439-0.pdf.

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