Quelle: Universität Bremen 10. Juli 2024.

10. Juli 2024 – Deutschland investiert derzeit Milliardensummen, um den Ausstoß von Treibhausgasen durch Stahlwerke deutlich zu reduzieren. Dies soll vor allem durch die Umstellung auf den Wasserstoffbetrieb passieren. Aber wie misst man überhaupt die Menge an Treibhausgasen, die beim Produktionsprozess entstehen? „Bisher war man weitgehend auf Angaben und Berechnungen der Stahlhersteller angewiesen“, sagt Dr. Heinrich Bovensmann vom Institut für Umweltphysik (IUP) der Universität Bremen. „Nun haben wir ein Verfahren entwickelt, mit dem man diese Freisetzungen auch unabhängig messen und berechnen kann – mit Satellitendaten zur Zusammensetzung der Atmosphäre.“

Bei der Herstellung von Stahl entstehen große Mengen an Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Kohlenstoffmonoxid (CO). 2022 betrugen beispielsweise die deutschen CO₂-Emissionen der Roheisen- und Stahlerzeugung nach Angaben des Umweltbundesamtes rund 23,5 Millionen Tonnen. Dass diese Emissionen auch aus dem Weltraum feststellbar sind, wissen die IUP-Forschenden spätestens seit dem großen Moorbrand im Emsland im September und Oktober 2018: „Das war kein offenes Feuer, sondern eins, das im Boden schwelte“, so Heinrich Bovensmann. „Solch ein Brand erzeugt besonders viel Kohlenstoffmonoxid, was wir dann auch mit den hochgenauen Bildern des 2017 gestarteten Erdbeobachtungssatelliten Sentinel-5P sichtbar gemacht haben.“ Was aber auch zu sehen war, war eine Kohlenstoffmonoxid-Abgasfahne aus dem Ruhrgebiet – die des größten deutschen Stahlstandortes in Duisburg.

Dem Kohlenstoffmonoxid mit Satelliten auf der Spur
Postdoktorand Oliver Schneising aus dem IUP-Team interessierte sich fortan für diese Emissionen und untersuchte Satellitendaten auch im Hinblick auf weitere deutsche Stahlstandorte mit integrierten Hüttenwerken. Hier wies er die Kohlenstoffmonoxid-Freisetzungen in Duisburg, Dillingen,Salzgitter Bremen und Eisenhüttenstadt zweifelsfrei nach. „Die primäre Stahlerzeugung erfolgt weltweit überwiegend mit dem sogenannten Linz-Donawitz-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird Sauerstoff auf kohlenstoffreiches Roheisen aufgeblasen, um den Kohlenstoffgehalt mittels Oxidation zu minimieren und so hochwertigen kohlenstoffarmen Stahl zu erhalten“, erläutert der Bremer Wissenschaftler. „Das dabei freigesetzte Kohlenstoffmonoxid – CO – lässt sich mit der neuen Generation von Satellitensensoren vom Weltraum aus besser bestimmen als das Treibhausgas CO₂ selbst.“

Um aus den Erdfernerkundungsmessungen die CO-Emissionen zu bestimmen, sahen sich die Bremer Forschenden um Schneising die meteorologischen Verhältnisse – insbesondere den Wind – zu den Messzeitpunkten genau an. „Wir haben die CO-Emissionen der oben genannten Stahlstandorte bestimmt und zu den CO₂-Emissionen ins Verhältnis gesetzt, die von den Stahlherstellern für dieselbe Zeitperiode berichtet wurden“, sagt Schneising. „Diese Analyse ergibt standortübergreifend eine sehr hohe Korrelation von CO mit CO₂. Dies rechtfertigt es, aus den CO-Beobachtungen auch die CO₂-Emissionen zu bestimmen.“ Das von der IUP-Forschungsgruppe entwickelte Verfahren wurde inzwischen nach fachlicher Begutachtung in einer renommierten wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht.

Treibhausgas-Monitoringsystem für Deutschland in der Entwicklung
Die Arbeiten des Instituts für Umweltphysik zu diesem Thema finden im Rahmen einer umfangreichen Forschungsinitiative statt, die das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert. Sie hat den Titel „Integriertes Treibhausgas-Monitoringsystem für Deutschland“ (ITMS) und wird vom Deutschen Wetterdienst sowie dem Max-Planck-Institut für Biogeochemie geleitet. „Das ITMS-Projekt zielt auf die Entwicklung und Umsetzung eines Systems ab, das atmosphärische Beobachtungen vom Boden, aus der Luft und aus dem Weltraum mit hochauflösende Emissionsinventaren und hochauflösenden atmosphärischen Modellen kombiniert und zur Überwachung und Dokumentation von Treibhausgas-Quellen und -Senken nutzt“, erläutert Dr. Heinrich Bovensmann vom IUP, welches die Bremer Beteiligung für das Institut koordiniert. „Die Universität Bremen ist dabei für einen großen Teil der Aktivitäten mitverantwortlich. Sie stimmt die Aktivitäten im Bereich der Beobachtungsdaten ab, wobei kontinuierlich erhobene Beobachtungen aus Messnetzwerken und von Satelliten eine wichtige Rolle spielen.“

Die Forschungsgruppe des Instituts für Umweltphysik hat ihre Ergebnisse mittlerweile im angesehenen Fachmagazin „Atmospheric Chemistry and Physics“ der European Geosciences Union publiziert: https://acp.copernicus.org/articles/24/7609/2024/
pdf: https://acp.copernicus.org/articles/24/7609/2024/acp-24-7609-2024.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung 3. Juni 2024.

3. Juni 2024 – Permafrostböden speichern viel CO₂ und werden oft als kritisches Kippelement im Erdsystem bezeichnet, das ab einer bestimmten Erderwärmung plötzlich und weltweit kollabiert. Doch das Bild einer tickenden Zeitbombe, die sich zunächst eher ruhig verhält und erst bei einem bestimmten Erwärmungsschwellenwert zündet, ist in der Forschung umstritten. Nach wissenschaftlicher Datenlage ist dieses Bild nicht korrekt, wie nun ein internationales Studienteam unter Leitung des Alfred-Wegener-Instituts zeigen konnte. Demnach gibt es nicht einen bestimmten globalen Klima-Kipppunkt, sondern viele lokale und regionale Kippelemente, die zu verschiedenen Zeitpunkten „zünden“, über die Zeit akkumulieren und den Permafrost so im Gleichschritt mit dem Klimawandel tauen lassen. Schnelles Handeln in der Gegenwart wird somit noch dringlicher, um möglichst viel Permafrost zu erhalten. Die Studie wurde nun im Fachmagazin Nature Climate Change veröffentlicht.

Permafrostböden bedecken etwa ein Viertel der Landfläche auf der Nordhalbkugel und speichern Unmengen von organischem Kohlenstoff in Form von abgestorbenen Pflanzenresten. Diese werden im gefrorenen Zustand nicht abgebaut. Erst wenn der Permafrost taut, werden Mikroorganismen aktiv und setzen viel Kohlenstoff als CO₂ und Methan in die Atmosphäre frei. Die steigenden globalen Temperaturen könnten diese gigantischen Speicher also aktivieren und den Klimawandel durch zusätzliche Emissionen massiv verstärken. In der öffentlichen Debatte ist deshalb immer wieder von einer „tickenden Kohlenstoff-Zeitbombe“ die Rede. Dies beruht auf der Annahme, dass der Permafrost ähnlich wie der Eisschild auf Grönland eines von mehreren Kippelementen im Erdsystem ist. Demnach schwindet der Permafrost im Zuge der globalen Erwärmung zunächst nur langsam. Erst beim Überschreiten eines kritischen Schwellenwertes verstärken sich die Auftauprozesse plötzlich selbst und ein rasanter, unumkehrbarer globaler Permafrost-Kollaps setzt ein. Obwohl ein solches Auftauszenario häufig vermutet wird, konnte bislang nicht geklärt werden, ob ein solcher Schwellenwert wirklich existiert und bei welcher Temperatur dieser überschritten werden könnte.

Dieser Frage ging nun ein internationales Forschungsteam um Dr. Jan Nitzbon vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) auf den Grund. „Tatsächlich ist die Darstellung des Permafrosts als globales Kippelement in der Forschung umstritten. Auf diese Unklarheit weist auch der Weltklimarat IPCC in seinem letzten Sachstandsbericht hin“, sagt der AWI-Forscher. „Wir wollten diese Wissenslücke schließen. Dazu haben wir für unsere Studie die verfügbare wissenschaftliche Literatur zu den Prozessen zusammengetragen, die das Auftauen von Permafrost beeinflussen und beschleunigen können. Unterlegt mit einer eigenen Datenanalyse haben wir alle aktuellen Erkenntnisse zu Auftauprozessen daraufhin bewertet, ob und auf welcher räumlichen Skala – lokal, regional, global – sie zu einem selbsterhaltenden Auftauen und somit zu einem ‘Kippen‘ bei einem bestimmten Erwärmungsschwellenwert führen können.“

Im Ergebnis zeigt die Studie klar: Es gibt sich selbst verstärkende, teilweise unumkehrbare geologische, hydrologische und physikalische Prozesse, diese wirken jedoch nur lokal oder regional. Ein Beispiel ist die Bildung sogenannter Thermokarst-Seen. Dabei schmilzt Eis in Permafrostböden, die daraufhin absinken. Das Schmelzwasser sammelt sich an der Oberfläche und bildet einen dunklen See, der viel Sonnenenergie absorbiert. Dadurch verstärkt sich die Erwärmung des Permafrosts unter dem See weiter und es entsteht ein sich selbst erhaltender Tauprozess in dem Gebiet um den See. Ähnliche verstärkende Rückkopplungen fanden sich auch bei anderen für den Permafrost relevanten Prozessen wie dem Verlust von borealen Nadelwäldern durch Brände – auch hier jedoch nur im lokalen bis regionalen Maßstab. „Es gibt keine Evidenz für sich selbst verstärkende interne Prozesse, die ab einem bestimmten Grad der globalen Erwärmung den gesamten Permafrost gleichzeitig erfassen und das Tauen global beschleunigen würden“, erklärt Jan Nitzbon. „Auch die geschätzte Freisetzung von Treibhausgasen würde mindestens bis zum Ende des Jahrhunderts nicht zu einem globalen Sprung in der Erderwärmung führen. Deshalb ist die Darstellung des Permafrosts als globales Kippelement irreführend.“

Eine Entwarnung für den Permafrost bedeutet dies allerdings nicht – ganz im Gegenteil. Denn die Studie macht deutlich, dass die Permafrostzone sehr heterogen ist. Viele kleine lokale Kipppunkte werden deshalb zu unterschiedlichen Zeiten und Erwärmungslevels überschritten und akkumulieren über die Zeit. Dadurch verläuft das weltweite Tauen des Permafrosts nicht langsam ansteigend und dann mit einem plötzlichen Sprung, sondern im Gleichschritt mit der globalen Erwärmung ansteigend bis zum Totalverlust bei etwa 5 bis 6 Grad Celsius globaler Erderwärmung. „Das bedeutet, dass schon heute und auch in naher Zukunft mehr und mehr Gebiete unausweichlich vom Auftauen betroffen sind“, sagt der AWI-Forscher. „Es gibt also – und so suggeriert es das Bild des Kipppunktes – keinen beruhigenden Erwärmungsspielraum, den man bis zum Schwellenwert noch ausreizen kann. Deshalb müssen wir die Permafrostgebiete mit noch besserem Monitoring im Auge behalten, die Prozesse noch besser verstehen und in Klimamodellen abbilden, um die Unsicherheiten noch weiter zu reduzieren. Und klar ist auch: Je schneller wir bei einem an die Treibhausgas-Emissionen gekoppelten Permafrostverlust als Menschheit Netto-Null-Emissionen erreichen, desto mehr Gebiete bleiben als einzigartiger Lebensraum und Kohlenstoffspeicher erhalten.“

Originalpublikation
Nitzbon, J., Schneider von Deimling, T., Aliyeva, M., Chadburn, S. E., Grosse, G., Laboor, S., Lee, H., Lohmann, G., Steinert, N., Stuenzi, S., Werner, M., Westermann, S., & Langer, M. (2023). No respite from permafrost-thaw impacts in the absence of a global tipping point. Accepted for Nature Climate Change. DOI: 10.1038/s41558-024-02011-4
https://www.nature.com/articles/s41558-024-02011-4

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• Klimawandel

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Quelle: Naturhistorisches Museum Wien 21. Mai 2024.

21. Mai 2024 – Umfangreiche geochemische und geophysikalische Daten entschlüsseln eine der größten Umweltkatastrophen der Erdgeschichte, die „Karnische Krise“. Ein Klimawandel vor 233 Millionen Jahren führt zu einem weltweiten Massensterben in den Meeren des Erdmittelalters. Die spannenden Ergebnisse wurden nun erstmals publiziert (Scientific Reports).

Die Karnische Krise
Zwei Millionen Jahre (234-232 Millionen Jahre) dauerte die globale „Karnische Krise“ an, deren Auswirkungen in den Gesteinen des Reiflinger Beckens in der Umgebung von Lunz am See überliefert wurden. Gewaltiger Vulkanismus in Kanada und den nördlichen USA führte dort zur Ablagerung einer mehr als tausend Meter dicken Schicht aus Basalt. Der damit verbundene enorme CO₂-Ausstoß in die Atmosphäre veränderte das Klima. Die späte Triaszeit war durch ein Treibhausklima mit monsunartigen Niederschlägen geprägt, was zu vermehrtem Schlammeintrag in den Tethys-Ozean führte. Die Riffe erstickten, Karbonat-Plattformen starben ab und am Meeresboden wurde der Sauerstoff knapp, Todeszonen bildeten sich.

Konservat-Lagerstätten mit besonders guter Erhaltung der eingebetteten Fossilien konnten unter diesen Bedingungen entstehen. Neben Ammoniten, Tintenfischen, Muscheln, Schnecken, Krebsen, Meeresasseln und Borstenwürmern kann man auch ungewöhnlich gut erhaltene und extrem seltene Raritäten wie fliegende Fische, den Quastenflosser Coelocanthus oder den Lungenfisch Tellerodus entdecken. Das Meer des Reiflinger Beckens wurde umringt von ersten Inselgruppen, auf welchen sich unter feuchten und warmen Bedingungen erste Wälder aus Koniferen wie Voltzia bildeten. Die Nähe zu Süßwasser bestätigen auch zusätzlich eingeschwemmte Reste von diversen Landpflanzen und Funde von zahlreichen Blattfußkrebsen der Gattung Euestheria. Die unter dem Namen „Karnische Krise“ bekannte Phase kann in Österreich lediglich in einer schmalen geologischen Zone beobachtet werden. Sie erstreckt sich vom niederösterreichischen Mödling im Osten bis in die nördliche Steiermark bei Großreifling, also bis in das Gebiet des Natur- und UNESCO Geoparks Steirische Eisenwurzen, im Westen. Die große Diversität der entdeckten Fauna in den Konservat-Lagerstätten um Lunz am See sowie die fantastische Erhaltung erlauben es, die Umwelt der späten Triaszeit zu erforschen und neue Erkenntnisse über Umweltbedingungen, Nahrungsketten und die Räuber-Beute-Verhältnisse dieser Zeit zu gewinnen. Bei winzigen Krebsen beginnend, reichte die Nahrungskette über kleinere Fische bis hin zu räuberischen Tintenfischen und Ammoniten, die wiederum von größeren Raubfischen gejagt wurden. Ichthyosaurier waren die Spitzen-Prädatoren dieses Ökosystems im Reiflinger Becken der späten Triaszeit.

Moderne Forschung
Ein internationales Team um Alexander Lukeneder vom NHM Wien, Petra Lukeneder (Universität Wien), Reinhard Sachsenhofer (Montanuniversität Leoben), Manuel Rigo (Universität Padua) sowie Guido Roghi (Nationaler Forschungs-Rat Padua) erforschen seit Jahren eine der größten Umweltkatastrophen der Erdgeschichte. Dabei wurden vielfältige Untersuchungen an Gesteinen und Fossilien durchgeführt sowie modernste Analyse-Methoden angewandt. Makrofossilien wie Ammoniten, Tintenfische und Fische wurden ebenso wie auch Vertreter der Flora untersucht. Zusätzlich wurden die Pollen-Vergesellschaftungen und deren Wandel über die Dauer der „Karnischen Krise“ analysiert. Es zeigt sich eine Umstellung von rein marinen Gegebenheiten zu von Süßwasser beeinflussten Bedingungen mit verstärktem Auftreten von Überschwemmungsgebieten und Sumpfland mit Pionier-Vegetation.

Auf Grundlage von Mikrofossilien und geochemischen sowie geophysikalischen Untersuchungen ergibt sich ein detailliertes Bild der Umwelt vor 233 Millionen Jahren in den österreichischen Kalkalpen. Die revidierte Bestimmung der Ammoniten und die Analyse winziger Zähnchen von Fischen erlauben eine präzise Alterseinstufung. Die Gesteinsabfolgen in den Kalkalpen Österreichs sind mit gleichaltrigen Ablagerungen des gesamten Tethys-Raumes vergleichbar. Der starke Eintrag von CO₂ durch Vulkanismus änderte die globale Zusammensetzung der Kohlenstoffisotope. Diese chemische Spur des globalen Treibhausklimas lässt sich auch in den Gesteinen bei Lunz am See nachweisen.

Geophysikalische Messungen an den unterschiedlichen Gesteinen zeigen eindeutig einen Anstieg strahlender Partikel und der magnetisierbaren Minerale währen der „Karnischen Krise“ sowie eine Änderung in der Zusammensetzung der Tonminerale. Der höhere Anteil dieser Partikel zeigt einen durch vermehrten Niederschlag erhöhten Eintrag von Verwitterungsprodukten und organischen Resten von Landpflanzen vom umgebenden Land in das Meeres-Becken an. Biomarker – chemische Substanzen im Sediment, die von ehemaligen Organismen stammen – deuten darauf hin, dass in dieser feuchteren Phase die organische Substanz vermehrt von Landpflanzen stammt, also in das Reiflinger Becken eingeschwemmt wurde. Die Umweltbedingungen wandelten sich. Dieser Teil des Tethys-Ozeans wurde abgeschnürt und sauerstoffarme, lebensfeindliche Bedingungen breiteten sich am Meeresboden aus. Das vom Land eingeschwemmte Material veränderte den Wasserchemismus nachhaltig. Schon lange fiel den Geolog*innen die Abfolge von helleren Reiflinger Kalken zu dunklen Göstlinger Kalken auf, die schließlich von fein laminierten Reingrabener Schichten überlagert wurden. Nun kann dieser Wechsel mit den sich ändernden Klimabedingungen erklärt werden. In der Hochphase der „Karnischen Krise“ entstanden die fein geschichteten Reingrabener Schichten mit ihrem ungewöhnlichen Fossilreichtum. Im sauerstofffreien Schlamm gab es keine Aasfresser, welche die abgestorbenen Organismen fressen konnten. Am Meeresboden und im Sediment war nun kein Leben mehr möglich.

Die Forschung ist durch das Land Niederösterreich, die Freunde des Naturhistorischen Museums Wien sowie die Gemeinden Lunz am See, Gaming, Göstling und Landl kofinanziert.

Zur Publikation in „Scientific Reports“:
Lukeneder, A, Lukeneder P., Sachsenhofer, R., Roghi, G., Rigo. M. 2024. Multi-proxy record of the Austrian Upper Triassic Polzberg Konservat-Lagerstätte in light of the Carnian Pluvial Episode. Nature Research, Scientific Reports. Open Access: https://www.nature.com/articles/s41598-024-60591-9
pdf: https://www.nature.com/articles/s41598-024-60591-9.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: GFZ 18. April 2024.

18. April 2024 – Tektonisch aktive Gebirge spielen eine wichtige Rolle bei der natürlichen CO₂-Regulation der Atmosphäre. Hier finden konkurrierende Prozesse statt: An der Oberfläche treibt Erosion Verwitterungsprozesse an, die je nach Gesteinsart CO₂ aufnehmen oder freisetzen. In der Tiefe führt das Erhitzen und Schmelzen von Karbonatgestein zur Ausgasung von CO₂, das an die Oberfläche gelangt. Im mittelitalienischen zentralen Apennin-Gebirge haben Forschende um Erica Erlanger und Niels Hovius vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ und Aaron Bufe von der Ludwig-Maximilians-Universität München nun erstmals alle diese Prozesse in einer Region untersucht und bilanziert – u.a. anhand von Analysen des CO₂-Gehalts in Gebirgsflüssen und Quellen. Sie stellten fest, dass Verwitterung in dieser Region insgesamt zu einer CO₂-Aufnahme führt. Diese oberflächennahen Prozesse bestimmen die CO₂-Bilanz aber nur in Gebieten mit dicker und kalter Erdkruste. Auf der Westseite des Zentral-Apennin ist die Kruste dünner und der Wärmefluss höher. Dort ist die CO₂-Ausgasung aus der Tiefe bis zu 50 Mal so stark wie die CO₂-Aufnahme durch Verwitterung. In Summe erweist sich die untersuchte Landschaft als CO₂-Emittent. Die Tektonik, also Aufbau und Dynamik der Erdkruste, steuert die CO₂-Freisetzung hier also stärker als die chemische Verwitterung. Die Studie ist heute im Fachmagazin Nature Geoscience erschienen.

Hintergrund: Die Rolle von Gebirgen im CO₂-Haushalt der Erde
Für die Bilanzierung des globalen CO₂-Haushalts spielen neben den vom Menschen verursachten CO₂-Emissionen auch viele natürliche Prozesse eine Rolle – biologische wie geologische. Gebirgslandschaften sind ein prominenter CO₂-Umschlagplatz, und es ist wichtig, die Auswirkungen der hier ablaufenden konkurrierenden Prozesse von CO₂-Emission und CO₂-Aufnahme in Klimamodellen adäquat zu berücksichtigen.

Zum einen werden Gesteine an der Erdoberfläche durch chemische Lösungsprozesse verwittert: Erosion legt fortwährend Gestein frei, das – je nach Gesteinsart – mit verschiedenen Geschwindigkeiten und entweder unter Aufnahme oder Freisetzung von CO₂ verwittert. So binden etwa Silikatmineralien CO₂ und bilden Kalkstein. Die Verwitterung von Kalk- und schwefelhaltigen Gesteinen setzt wiederum CO₂ frei.

Diese komplexe Konstellation hat ein Forschungsteam um Aaron Bufe und Niels Hovius in einer weiteren, bereits Anfang März im Fachmagazin Science erschienenen Studie aufgeschlüsselt. Sie untersuchten am Beispiel verschiedener Gebirgsregionen weltweit den Einfluss der Erosionsrate auf die CO₂-Bilanz.

Gebirgsbildung beeinflusst allerdings nicht nur Erosions- und Verwitterungsraten an der Erdoberfläche. Wo sich tektonische Platten übereinander schieben, kann das Erhitzen von Karbonatgestein in der Kruste und im Erdmantel zu chemischen Reaktionen führen, die mit der Emission von CO₂ einhergehen.

„Bisherige Studien haben sich jedoch oft auf einen einzigen Prozess konzentriert und entweder nur die Verwitterung an der Oberfläche oder nur die Abläufe in der Tiefe in den Blick genommen. Das wollten wir ändern“, sagt Niels Hovius.

Untersuchungen im Apennin: CO₂-Ausgasung oder -Speicherung – welcher Prozess dominiert?
Die Konkurrenz zwischen den oberflächennahen und tiefliegenden Prozessen ist nun im Fokus einer neuen Studie von Erica Erlanger, Post-Doc-Wissenschaftlerin am GFZ und der Université de Lorraine (Frankreich), Aaron Bufe, Professor für Sedimentologie an der LMU München und ehemals Post-Doc-Wissenschaftler am GFZ, und Niels Hovius, Leiter der Sektion Geomorphologie am GFZ und Professor an der Universität Potsdam, zusammen mit Kolleg:innen aus Frankreich, Italien, den USA und der Schweiz.

Hierfür erweist sich der zentrale Apennin in Mittelitalien als besonders geeignete Region, wie Erica Erlanger, Erstautorin der Studie, erläutert: „Dieses Gebiet ist Teil eines aktiven Gebirges, in dem es dicht beieinander sowohl Zonen mit dicker, kalter Kruste als auch mit dünner warmer Kruste gibt, sodass wir den Einfluss der Untergrundaktivität gut untersuchen können. Denn sowohl die klimatischen Bedingungen als auch die Topografie und die Gesteinsarten an der Oberfläche sind im gesamten Gebiet ähnlich, sodass es kaum Unterschiede in der Verwitterungsaktivität geben dürfte.“

Probennahme und Untersuchung von CO₂-Anteilen
Im westlichen Zentral-Apennin beträgt die Krustendicke rund 20 Kilometer und der Wärmefluss bis zu über 100 Milliwatt pro Quadratmeter, während die Kruste im Osten mehr als 40 Kilometer dick ist, bei einem Wärmefluss von um die 30 Milliwatt pro Quadratmeter.

Die Forschenden haben im westlichen Tevere- und im östlichen Aterno-Pescara-Flusssystem insgesamt 104 Wasserproben genommen, davon 49 im Sommer 2020 und 55 im Winter 2021. Somit werden die wärmsten und trockensten bzw. die feuchtesten und kältesten Jahreszeiten abgedeckt, zur Abschätzung der minimalen (Sommer) und maximalen (Winter) CO₂-Flüsse.

Wasserproben eignen sich deshalb, weil Flüsse und Quellen Kohlenstoff transportieren, der sowohl aus der Tiefe als auch aus oberflächennahen Verwitterungsreaktionen stammt. Die chemische Analyse der Proben beinhaltete unter anderem die Bestimmung der relativen Häufigkeit verschiedener Kohlenstoff-Isotope. Sie kann Aufschluss darüber geben, ob der Kohlenstoff von einer Pflanze oder aus der Atmosphäre stammt oder aus einem subduzierten Gestein freigesetzt wurde.

„Auf dieser Basis konnten wir berechnen, welche CO₂-Mengen durch Verwitterung oder aus der Tiefe durch umgewandelte Karbonate freigesetzt wurden, und welche CO₂-Mengen von verwitterten Silikaten gebunden wurden“, erläutert Erlanger.

Um eine Gesamtbilanz für den CO₂-Haushalt des Apennins abzuschätzen, haben die Forschenden darüber hinaus Schätzungen für anorganische CO₂-Emissionen aus Gasschloten, die von der Westseite des Apennins bekannt sind, sowie von organischem CO₂-Austausch berücksichtigt.

Ergebnis: Zentral-Apennin als Netto-CO₂-Quelle, aber mit zweigeteilter CO₂-Bilanz
Das Forschungsteam fand heraus, dass die Verwitterungsprozesse im gesamten Untersuchungsgebiet überwiegend CO₂ einfangen und nicht freisetzen. Bemerkenswerterweise werden jedoch die verwitterungsbedingten CO₂-Flüsse dort, wo die Kruste dünn und der Wärmefluss hoch ist, vollständig von CO₂-Freisetzung aus der Tiefe überlagert, und zwar um einen Faktor 10 bis 50. In der Summe ist die Region daher eine CO₂-Quelle.

„Wichtig ist, dass die Schwankungen der CO₂-Freisetzung aus der Tiefe viel größer sind als die Schwankungen in den chemischen Verwitterungsflüssen an der Oberfläche. Das bedeutet, dass die regionale Geodynamik im zentralen Apennin den Kohlenstoffkreislauf am stärksten beeinflusst, indem sie die Freisetzung von CO₂ aus der Tiefe moduliert, und nicht, indem sie die CO₂-Speicherung oder -Freisetzung durch Verwitterungsreaktionen verstärkt“, resümiert Erica Erlanger. „Ausgehend von der geologischen Entwicklung des Gebiets schätzen wir, dass es wahrscheinlich über die letzten 2 Millionen Jahre zu einer CO₂-Ausgasung aus tiefen Gesteinen gekommen ist.“

Weitergehende Schlussfolgerungen: Bessere Klimamodelle und Verständnis des empfindlichen CO₂-Gleichgewichts über geologische Zeiten
„Unsere Untersuchungen werden zu einem besseren Verständnis der tatsächlichen CO₂-Bilanz für die Atmosphäre und damit auch zu besseren langfristigen Klimamodellen beitragen“, sagt Aaron Bufe. „Außerdem helfen sie dabei zu klären, wie unser Planet in einem Wechselspiel von CO₂-Ausgasungen verschiedener Quellen und diverser CO₂-Speicherprozesse über geologische Zeiten den engen Bereich von Bedingungen aufrechterhalten hat, die für das Leben förderlich sind.“

Niels Hovius blickt voraus: „Wenn wir die Rolle von Gebirgen an Plattengrenzen im Kohlenstoffkreislauf der Erde in einem allgemeineren Sinne untersuchen wollen, werden auch scheinbar einfache geologische Fragen einen ganzheitlicheren Ansatz erfordern. Von besonderem Interesse sind geologisch junge Gebirgsgürtel an Plattengrenzen, in denen Karbonatgesteine sowohl in Oberflächennähe als auch in der Tiefe vorherrschen dürften. Der heutige Mittelmeerraum und andere noch vergleichsweise junge Gebirgszüge wie der Indonesischen Inselgruppe weisen ähnliche geologische Gegebenheiten und Gesteinsarten auf wie der zentrale Apennin. Die nächste große Frage, die sich uns stellt, ist also, ob die Ausgasung in aktiven tektonischen Gebieten ein globales Phänomen in Raum und Zeit sein könnte.“

Originalpublikation:
Erlanger, E., Bufe, A., Paris, G. et al. Deep CO2 release and the carbon budget of the central Apennines modulated by geodynamics. Nat. Geosci. (2024). DOI: 10.1038/s41561-024-01396-3
https://www.nature.com/articles/s41561-024-01396-3
pdf: https://www.nature.com/articles/s41561-024-01396-3.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Naturhistorisches Museum Wien 21. März 2024.

21. März 2024 – Die Fossilienwelt Weinviertel öffnet mit einer vom NHM Wien kuratierten, neuen Ausstellung am Ostermontag, 1. April 2024, nach der Winterpause wieder ihre Türen. Die Schau „Eisplanet und Hitzehölle. Klimaextreme in der Erdgeschichte“ entführt in eine tropische Vergangenheit, als Teile Österreichs von einem warmen Meer bedeckt waren, und man auch im Winter baden hätte können.

Im Vergleich zu den Klimaschwankungen der Erdgeschichte ist das tropische Intermezzo vor 16 Millionen Jahren aber kaum erwähnenswert. Über Milliarden von Jahren geriet das Klima der Erde immer wieder in Schieflage und reichte vom unwirtlichen Eisplaneten zur glühenden Hitzehölle.

Wir leben derzeit in einer warmen Phase einer Eiszeit, die vor 2,6 Millionen Jahren begann. Aufgrund der sich ändernden Umlaufbahn der Erde und durch Änderungen der Ausrichtung der Erdachse wechseln sich seitdem sehr kalte Perioden mit relativ warmen Phasen ab. Den letzten Kälte-Höhepunkt erreichte die Eiszeit vor etwa 25.000 Jahren, als sich Niederösterreich in eine karge Mammutsteppe verwandelte. Wesentlich dramatischer war aber die Eiszeit vor 700 Millionen Jahren, als sogar die Ozeane weitgehend zugefroren waren. Für das Leben war dieser „Snownball Earth“ fast das Ende. Ursache war unter anderem die damals noch geringere Strahlkraft der Sonne. Gerettet wurde die Erde durch Vulkane, die das Treibhausgas Kohlendioxid (CO₂) in die Atmosphäre bliesen und so wieder zur Erwärmung führten.

Ein krasses Gegenteil zum Eisplaneten war das Super-Treibhaus vor 250 Millionen Jahren. Damals vereinten sich die meisten Kontinente zu einem gigantischen Großkontinent, Pangaea. Wolken gelangten kaum auf den gewaltigen Kontinent, der extrem trocken wurde und sich bei Jahresdurchschnitts-Temperaturen von über 40° C enorm aufheizte. Wieder begann für das Leben eine dramatische Krise. Wälder verschwanden und in weiten Teilen Europas breiteten sich Wüsten aus. Mehr als 96% aller Tiere starben aus. Die harten Schalen der Eier von Reptilien erwiesen sich nun aber als Überlebensvorteil. Sie schützten vor der Trockenheit. Ohne die Klimakatastrophe vor 250 Millionen Jahren wären daher die Dinosaurier nie entstanden und letztlich hätte es auch uns Menschen nie gegeben. Denn wir stammen, wie alle Säugetiere, von einer urtümlichen Gruppe von Reptilien ab, die an die harten Bedingungen Pangaeas perfekt angepasst waren.

Im Wechsel an Kalt- und Warmzeiten würde in 15.000 Jahren die nächste Eiszeit folgen. Der Wienerwald würde Tundra und Steppe weichen, Innsbruck würde unter Gletschern begraben sein. Doch die vom Menschen ausgelöste Klimaerwärmung könnte diesen natürlichen Rhythmus schon unterbrochen haben. Wohin wird sich das Klima in geologischen Zeiträumen entwickeln?

Für die Hitzehölle Pangaeas fehlt die passende Landmasse. Die Kontinente werden auch in einigen Millionen Jahren noch von Ozeanen umgeben sein, von denen Feuchtigkeit ins Land gelangen kann. Eine mögliche Zukunft zeigt der Blick zurück ins Karbon – dem Steinkohle-Zeitalter. Im heißen, feuchten Klima breiteten sich vor 330 Millionen Jahren in Europa erstmals dichte Sumpfwälder aus. Riesenlibellen mit über 80 Zentimeter Flügelspannweite flogen zwischen den Bäumen und plumpe Amphibien bevölkerten die Sümpfe. Damals schwankte der Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre zwischen 400 bis 800 ppm. Schon heute haben wir die untere Grenze des Steinkohlen-Zeitalters erreicht!

Über Millionen von Jahren speicherten die Pflanzen das CO₂ in ihren Stämmen und Blättern, die in den Sümpfen zu Kohle wurden. In nur wenigen Jahrzehnten führen wir dieses in der Kohle gespeicherte Treibhausgas durch Verbrennung wieder zurück in die Atmosphäre – mit unübersehbaren Folgen.

Führt unser Weg zurück ins Karbon? Zeigt die Vergangenheit mögliche Szenarien für die Zukunft? Sich darüber Gedanken zu machen, dazu regt die von der Geologisch-Paläontologischen Abteilung des Naturhistorischen Museums Wien kuratierte Sonderausstellung in der Fossilienwelt Weinviertel an.

Wo:
Fossilienwelt GmbH, Austernplatz 1, 2100 Stetten
T +43 (0)2262/62409

Öffnungszeiten:
1. April bis 31. Oktober 2024
Di – So von 10 bis 17 Uhr,
letzter Einlass 15:30 Uhr
Montag Ruhetag (ausgenommen Feiertag).

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München 7. März 2024.

München, den 3. März 2024 – Seit vielen hundert Millionen Jahren variiert die mittlere Temperatur auf der Oberfläche der Erde um nicht viel mehr als 20° Celsius und macht Leben auf unserem Planeten möglich. Um diese stabile Temperaturlage zu erklären, muss es eine Art „Thermostat“ geben, der über geologische Zeiträume hinweg die für die globale Temperatur entscheidende Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre reguliert. Eine wichtige Rolle für diesen Erd-Thermostat spielen dabei die Erosion und Verwitterung von Gestein. Ein Team um den Geologen Aaron Bufe von der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und Niels Hovius vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) hat nun den Einfluss dieser Prozesse auf die Kohlenstoffbilanz der Atmosphäre modelliert. Das überraschende Ergebnis: Die CO₂-Aufnahme durch Verwitterungsreaktionen ist in Mittelgebirgen mit moderaten Erosionsraten am höchsten; nicht in Hochgebirgen, in denen Gesteine besonders schnell erodieren.

Sobald Gestein durch Erosion freigelegt und Wind und Wetter ausgesetzt wird, setzt Verwitterung ein. „Bei der Verwitterung von Silikaten wird der Atmosphäre Kohlenstoff entzogen und später als Kalk ausgefällt. Andere Verbindungen dagegen, etwa Karbonate und Sulfide oder im Stein enthaltener organischer Kohlenstoff, setzen bei der Verwitterung CO₂ frei. Diese Reaktionen laufen viel schneller ab als die Silikatverwitterung“, erläutert Hovius. „Bei der Frage, was der Effekt von Erosion und Gebirgsbildung auf die Kohlenstoffbilanz ist, gibt es daher einige Komplikationen.“

Verwitterungsmodell zeigt gemeinsame Mechanismen
Um ein klareres Bild zu gewinnen, analysierten die Forschenden mithilfe von mathematischen Verwitterungsmodellen Daten zum Ausmaß der Sulfid-, Karbonat- und Silikatverwitterung in unterschiedlichen Untersuchungsgebieten – etwa in Taiwan und Neuseeland – und ermittelten, wie die Verwitterung des jeweiligen Gesteins auf Änderungen der Erosionsrate reagiert. „Dabei fanden wir für alle Standorte Übereinstimmungen, die auf gemeinsame Mechanismen hinweisen“, sagt Bufe.

Weitere Modellrechnungen zeigten, dass der Zusammenhang zwischen Erosion und CO₂-Bilanz nicht linear ist, sondern dass die CO₂-Speicherung bei einer Erosionsrate von ungefähr 0,1 Millimeter pro Jahr ein Optimum erreicht. Sowohl bei niedrigeren als auch bei höheren Raten wird durch Verwitterung weniger CO₂ gespeichert beziehungsweise sogar zunehmend CO₂ freigesetzt. „Hohe Erosionsraten wie in Taiwan oder dem Himalaya treiben das System in Richtung einer CO₂-Quelle, weil die Silikatverwitterung bei steigenden Erosionsraten irgendwann nicht mehr ansteigt, während die Verwitterung von Karbonaten und Sulfiden noch weiter zunimmt“, erklärt Bufe.

In Landschaften mit moderaten Erosionsraten um 0,1 Millimeter pro Jahr dagegen sind die schnell verwitternden Karbonate und Sulfide schon weitgehend verbraucht, während die Silikatverwitterung in großem Umfang stattfinden kann. In Landschaften mit wenig Topographie und Hebung, in denen noch weniger Material abgetragen wird, gibt es schließlich nur noch wenig zu verwittern. Die größten CO₂-Senken sind daher Mittelgebirge wie der Schwarzwald oder der Bayerische Wald, deren Erosionsraten sich nahe dem Optimum bewegen. „Die Temperatur, auf die der ‚Erd-Thermostat‘ eingestellt ist, ist über geologische Zeiträume also vor allem von der globalen Verteilung der Erosionsraten abhängig“, sagt Bufe. Um die Auswirkungen von Erosion auf das Klimasystem der Erde noch genauer zu verstehen, müssten seiner Ansicht nach in zukünftigen Studien noch die organischen Kohlenstoffsenken und die Verwitterung in Überschwemmungsgebieten berücksichtigt werden.

Publikation
Aaron Bufe, Jeremy K.C. Rugenstein, and Niels Hovius: CO₂ drawdown from weathering maximized at moderate erosion rates. Science 2024. DOI 10.1126/science.adk0957
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk0957

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• Klimawandel

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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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• Klimawandel

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 30. November 2023.

30. November 2023 – Die detaillierten Beobachtungen sind die ersten ihrer Art und wären vor Inbetriebnahme des JWST nicht möglich gewesen. Das Ergebnis ist eine gute Nachricht für erdähnliche Planeten und für Leben im Universum: Solche Planeten können sich offenbar unter vielfältigsten Bedingungen bilden. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Astronom*innen haben Wasser- und kohlenstoffhaltige Moleküle in einer Gas- und Staubscheibe um einen jungen sonnenähnlichen Stern gefunden, der sich in einer der unwirtlichsten Regionen unserer Galaxis befindet. Scheiben dieser Art um neu entstehende Sterne sind die Orte, an denen Planeten entstehen. Sie heißen deswegen auch protoplanetare Scheiben. Ein Team von Astronom*innen unter der Leitung von María C. Ramírez-Tannus vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) hat mit dem James-Webb-Weltraumteleskop einen Blick in den inneren Bereich einer solchen Scheibe geworfen – denjenigen Teilbereich, in dem sich typischerweise erdähnliche Planeten bilden: Planeten mit einer dünnen Atmosphäre rund um eine Kugel aus Gestein.

Die Scheibe, der die Astronom*innen den Namen XUE-1 gegeben haben, ist der intensiven UV-Strahlung der umliegenden heißen, massereichen Sterne in jener Region ausgesetzt. Doch selbst in dieser rauen Umgebung wurden bei den Beobachtungen sowohl Wasser als auch einfache organische Moleküle nachgewiesen. Ramírez-Tannus sagt: „Dieses Ergebnis ist unerwartet und aufregend! Es zeigt, dass selbst in den unwirtlichsten Umgebungen unserer Galaxie günstige Bedingungen für die Entstehung erdähnlicher Planeten und der Zutaten für Leben vorhanden sind.“

Detailscharfer Blick in eine massereiche Sternentstehungsregion
Die neuen Beobachtungen sind die ersten ihrer Art. Bisherige Detailbeobachtungen von protoplanetaren Scheiben waren auf uns vergleichsweise nahe Sternentstehungsgebiete beschränkt, die allerdings keine massereichen Sterne enthalten. Massereiche Sternentstehungsgebiete sind etwas ganz Anderes: Dort bilden sich zahlreiche Sterne in etwa zeitgleich, darunter auch einige der seltenen, aber extrem leuchtstarken, sehr massereichen Sterne. Während des „goldenen Zeitalters“ der Sternentstehung im Universum, vor rund 10 Milliarden Jahren, fand die meiste Sternentstehung in solchen massereichen Haufen statt. Insgesamt wurden mehr als die Hälfte aller Sterne in unserem Universum – einschließlich unserer eigenen Sonne – in massereichen Sternentstehungsgebieten geboren, zusammen mit ihren Planeten. Bisher war jedoch nichts über die Auswirkungen solch unwirtlichen Umgebungen auf die inneren Regionen von Scheiben bekannt, in denen sich vermutlich terrestrische Planeten bilden werden.

Massereiche Sterne sind zwangsläufig sehr hell und strahlen große Mengen hochenergetischer UV-Strahlung ab. Es war eine offene Frage, ob diese intensive Strahlung die Bildung von Planeten wie der Erde um sonnenähnliche Sterne stören oder sogar weitgehend verhindern würde. Wäre dies der Fall, dann wäre es zwar nicht unmöglich, aber sehr selten, dass in solchen massereichen Sternhaufen erdähnliche Planeten entstehen würden. Eine Reihe von Überlegungen wiesen genau in diese Richtung: Zum Beispiel treibt die UV-Strahlung der massereichen Sterne das Gas in den äußeren Scheibenbereichen auseinander. Das wiederum hemmt das Wachstum von Staubteilchen und ihren Weg in die inneren Scheibenbereiche. Solche Staubteilchen sind nun aber wichtige Bausteine erdähnlicher Planeten (und auch der Kerne von Riesenplaneten wie Jupiter oder Saturn). Auf diese Weise könnte die UV-Strahlung die Chancen für die Entstehung erdähnlicher Planeten deutlich vermindern.

Bisherige Beobachtungen haben nicht ausgereicht, um diese Frage zu beantworten. Im heutigen Universum sind massereiche Sternentstehungsgebiete vergleichsweise selten, und selbst die uns nächstgelegenen sind weit von uns entfernt. Bis vor kurzem gab es daher keine Möglichkeit, kleine Scheiben um sonnenähnliche Sterne hinreichend genau zu beobachten. Die wenigen protoplanetaren Scheiben, die nahe genug waren, dass sie im Detail beobachtet werden konnten, befinden sich sämtlich in ruhigen Sternentstehungsgebieten. Dort fehlt die intensive UV-Strahlung massereicher Sterne; entsprechend lässt sich die Frage nach deren schädlichem Einfluss durch die Beobachtung solcher ruhigen Gebiete gar nicht beantworten.

Mit dem JWST auf den Spuren der inneren Scheibengebiete
Die Inbetriebnahme des JWST änderte die Situation grundlegend. Sobald das Teleskop für wissenschaftliche Beobachtungen verfügbar wurde, bewarben sich Ramírez-Tannus und die XUE-Kollaboration (eXtreme UV environments, deutsch sinngemäß Regionen mit extremem Einfluss von UV-Strahlung) erfolgreich für die Beobachtung des Sternentstehungsgebiets NGC 6357. Mit einer Entfernung von 5500 Lichtjahren von der Erde ist dies eines der nächstgelegenen massereichen Sternentstehungsgebiete. Es ist auch das vielversprechendste Beobachtungsziel für die Beantwortung der Frage nach dem möglichen Einfluss von UV-Strahlung auf die inneren Gebiete der Scheibe: NGC 6357 enthält rund ein Dutzend leuchtkräftiger, massereicher Sterne, die dafür sorgen, dass einige der in der Region sichtbaren planetenbildenden Scheiben während des größten Teils ihrer Existenz intensiver UV-Strahlung ausgesetzt waren. Auch die Vielfalt ist ein wichtiger Faktor: Die Region enthält eine Vielzahl von Scheiben, von denen einige mehr, andere weniger Strahlung ausgesetzt waren und sind. „Wenn intensive Strahlung die Bedingungen für die Planetenbildung in den inneren Regionen protoplanetarer Scheiben erschwert, dann ist NGC 6357 der Ort, an dem wir diesen Effekt sehen sollten“, sagt Arjan Bik von der Universität Stockholm, Co-PI (Co-Principal Investigator, entsprechend einem stellvertretenden Projektleiter) der XUE-Kollaboration und Zweitautor der Studie.

Die Beobachtungsdaten, die in diesem Falle aufgenommen werden, sind sogenannte Spektren, also regenbogenartige Zerlegungen des Lichts, die Schätzungen über das Vorhandensein bestimmter Moleküle in der beobachteten Region ermöglichen. Zu ihrer Überraschung stellten Ramírez-Tannus und ihre Kollegen fest, dass sich zumindest eine der Scheiben in NGC 6357, eben XUE-1, in Bezug auf das Vorhandensein (und die Eigenschaften) von Schlüsselmolekülen in den inneren Scheibenregionen nicht grundlegend von ihren Gegenstücken in massearmen Sternentstehungsgebieten unterscheidet.

Siliziumverbindungen, Wasser und andere Moleküle in unwirtlicher Umgebung
„Wir haben in den innersten Regionen von XUE-1 eine Fülle von Wasser, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Cyanwasserstoff und Acetylen gefunden“, sagt Ramírez-Tannus. „Dies liefert wertvolle Hinweise darauf, wie die ursprünglichen Atmosphären der entstehenden erdähnlichen Planeten zusammengesetzt sein dürften.“ Die Forscher fanden auch Silikatstaub in ähnlichen Mengen wie in massearmen Sternentstehungsgebieten. Dies ist das erste Mal, dass solche Moleküle unter solchen extremen Bedingungen nachgewiesen wurden.

Diese Beobachtungen sind eine gute Nachricht für erdähnliche Planeten und für das Leben im Universum allgemein: Offenbar können sich in den inneren Regionen protoplanetarer Scheiben um sonnenähnliche Sterne selbst in den unwirtlichsten Sternentstehungsgebieten in ähnlicher Weise erdähnliche Gesteinsplaneten bilden wie in den ruhigeren, masseärmeren Gebieten. Die entsprechenden Scheibenregionen sind sogar reich an Wasser, einer notwendigen Zutat für Leben, wie wir es kennen. Ob dies insgesamt zu einer großen Anzahl von erdähnlichen Planeten führt, die in solchen Umgebungen entstehen, können die Forscher nicht anhand einer einzigen Scheibe feststellen. Die XUE-Kollaboration geht mit ihren Beobachtungen daher jetzt noch einen Schritt weiter: mit einer JWST-Durchmusterung von 14 weiteren Scheiben in verschiedenen Teilen von NGC 6357, mit der die Forscher*innen der Klärung der Frage nach der Gesamtanzahl erdähnlicher Planeten einen großen Schritt näher kommen dürften.

Hintergrundinformationen
Die beteiligten MPIA-Forscher sind María Claudia Ramírez-Tannus, Thomas Henning, Giulia Perotti, Roy van Boekel und Sierk E. van Terwisga, in Zusammenarbeit mit Arjan Bik (Universität Stockholm), Lars Cuijpers (Radboud Universität), Rens Waters (Radboud Universität und SRON) und weiteren Kollegen.

Originalpublikation
María Claudia Ramirez-Tannus, „XUE. Molecular inventory in the inner region of an extremely irradiated Protoplanetary Disk“, Astrophysical Journal Letters (2023)
https://arxiv.org/abs/2310.11074
pdf: https://arxiv.org/pdf/2310.11074

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• Planetenentstehung

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Quelle: ESA, Science & Exploration; 10. November 2023.

Bei klarem Himmel könnte das Leuchten hell genug sein, um von Menschen gesehen zu werden und um Rovern in dunklen Nächten die Navigation zu ermöglichen. Nachtleuchten wird auch auf der Erde beobachtet. Auf dem Mars wurde es zwar erwartet, aber bis jetzt noch nie im sichtbaren Licht beobachtet.

Den Weg erhellen

Das atmosphärische Nachtleuchten entsteht, wenn sich zwei Sauerstoffatome zu einem Sauerstoffmolekül verbinden, etwa 50 km über der Planetenoberfläche.
Die Sauerstoffatome haben eine lange Reise hinter sich: Sie bilden sich auf der Tagseite des Mars, wenn Kohlendioxidmoleküle durch den Energieeintrag des Sonnenlichts gespalten werden. Wenn die Sauerstoffatome auf die Nachtseite wandern und nicht mehr von der Sonne angeregt werden, gruppieren sie sich neu und senden in geringerer Höhe Licht aus.

„Diese Emission ist auf die Rekombination von Sauerstoffatomen zurückzuführen, die in der Sommeratmosphäre entstehen und von den Winden in hohe Winterbreiten transportiert werden, in Höhen von 40 bis 60 km in der Marsatmosphäre“, erklärt Lauriane Soret, Forscherin am Labor für Atmosphären- und Planetenphysik der Universität Lüttich in Belgien und Teil des Teams, das die Entdeckung in Nature Astronomy veröffentlichte.

Das Licht des nächtlichen Leuchtens könnte hell genug sein, um den Weg in die Zukunft zu erhellen – so hell wie Mondscheinwolken auf der Erde.
„Diese Beobachtungen sind unerwartet und interessant für zukünftige Reisen zum Roten Planeten“, sagt Jean-Claude Gérard, Hauptautor der neuen Studie und Planetenforscher an der Universität Lüttich.

Der grün leuchtenden Straße folgen

Das internationale Wissenschaftlerteam war von einer früheren Entdeckung durch Mars Express fasziniert, das vor einem Jahrzehnt das Nachtleuchten im Infrarotbereich beobachtet hatte. Der Trace Gas Orbiter entdeckte daraufhin im Jahr 2020 grün leuchtende Sauerstoffatome hoch über der Tagseite des Mars – das erste Mal, dass diese Lichtemission um einen anderen Planeten als der Erde beobachtet wurde.
Diese Atome wandern zur Nachtseite und rekombinieren dann in geringerer Höhe, was zu dem sichtbaren Nachtleuchten führt, das in der heute veröffentlichten Studie entdeckt wurde.

TGO umkreist den Roten Planeten in einer Höhe von 400 km und konnte die Nachtseite des Mars mit dem ultraviolett-sichtbaren Kanal seines NOMAD-Instruments beobachten. Das Instrument deckt einen Spektralbereich vom nahen Ultraviolett bis zum roten Licht ab und war auf den Rand des Roten Planeten ausgerichtet, um die obere Atmosphäre besser beobachten zu können.
Das NOMAD-Experiment wird vom Königlich-Belgischen Institut für Weltraum-Aeronomie geleitet, das unter anderem mit Teams aus Spanien (IAA-CSIC), Italien (INAF-IAPS) und dem Vereinigten Königreich (Open University) zusammenarbeitet.

Wissenschaftlicher Wert

Das nächtliche Glühen dient als Indikator für atmosphärische Prozesse. Es kann eine Fülle von Informationen über die Zusammensetzung und Dynamik eines schwer zu messenden Bereichs der Atmosphäre sowie über die Sauerstoffdichte liefern. Außerdem kann es Aufschluss darüber geben, wie die Energie sowohl durch das Sonnenlicht als auch durch den Sonnenwind – den Strom geladener Teilchen, der von unserem Stern ausgeht – deponiert wird.

Das Verständnis der Eigenschaften der Marsatmosphäre ist nicht nur wissenschaftlich interessant, sondern auch entscheidend für Missionen zur Oberfläche des Roten Planeten. Die atmosphärische Dichte wirkt sich beispielsweise direkt auf den Luftwiderstand von Satelliten in der Umlaufbahn und auf die Fallschirme aus, mit denen Sonden auf die Marsoberfläche gebracht werden.

Nachtglühen versus Polarlicht

Nachtleuchten wird auch auf der Erde beobachtet, ist aber nicht mit Polarlichtern zu verwechseln. Polarlichter sind nur eine Möglichkeit, die Atmosphäre eines Planeten zum Leuchten zu bringen.

Polarlichter entstehen auf dem Mars wie auf der Erde, wenn energiereiche Elektronen von der Sonne auf die obere Atmosphäre treffen. Sie variieren über Raum und Zeit, während das Nachtleuchten homogener ist. Sowohl das Nachtleuchten als auch die Polarlichter können ein breites Farbspektrum aufweisen, je nachdem, welche atmosphärischen Gase in den verschiedenen Höhenlagen am häufigsten vorkommen.

Das grüne Nachtlicht auf unserem Planeten ist recht schwach und lässt sich daher am besten aus der Perspektive „von oben“ betrachten – so wie auf vielen spektakulären Bildern, die Astronauten von der Internationalen Raumstation aus aufgenommen haben.

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• ExoMars Trace Gas Orbiter + Lander Schiaparelli auf Proton-M/Briz-M
• Planet Mars

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 25. Oktober 2023.

25. Oktober 2023 – Starkregen, Stürme und Hitzewellen – nach solchen Extremwetterereignissen heißt es oft, diese seien auf einen welligeren Jetstream zurückzuführen. Also auf Veränderungen des Starkwindfeldes, das in der oberen Troposphäre verschiedene Temperaturzonen und Luftdruckzonen ausgleicht. Doch ändert sich der Jetstream tatsächlich? Und wenn ja, wie und in welchem Ausmaß? „Viele Theorien stellen Vermutungen dazu an, was für den Jetstream zukünftig zu erwarten ist – allerdings basieren sie alle auf sehr idealisierten Annahmen“, sagt Dr. Georgios Fragkoulidis vom Institut für Physik der Atmosphäre der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). „Denn während sich bei der Klimaerwärmung der CO₂-Eintrag direkt auf die Erwärmung auswirkt, liegen bei der atmosphärischen Zirkulation chaotische Prozesse vor.“

Veränderungen in den letzten 40 Jahren
Um den Veränderungen des Jetstreams dennoch auf die Schliche zu kommen, analysierte Fragkoulidis Jetstream-Daten aus den letzten 40 Jahren. Wie unterschied sich der Wind in den 1980er Jahren zehn Kilometer über der Erdoberfläche von Deutschland vom heutigen? Wie die Situation des Jetstreams? „Gefährlich wird die Situation, wenn der Jetstream sehr wellig ist: Dann kann kalte Luft von Norden oder heiße Luft aus Süden nach Deutschland strömen – die Wahrscheinlichkeit für Hitze- oder Kältewellen steigt“, weiß Fragkoulidis. Der Wissenschaftler hat mehrere Jahre lang in der Arbeitsgruppe Dynamische Meteorologie von Prof. Dr. Volkmar Wirth am Institut für Physik der Atmosphäre über dieses Thema geforscht. Insgesamt, so die Ergebnisse, treten zwei Trends rund um den Jetstream auf. Zum einen ein gradueller Trend in der Amplitude der Wellen. „Viele Gebiete der nördlichen Hemisphäre verzeichnen im Winter einen positiven Trend, im Sommer dagegen einen negativen. Anders gesagt: Im Winter wird der Jetstream welliger, im Sommer weniger wellig“, sagt Fragkoulidis. Ein Ergebnis, für das es derzeit noch keine Erklärung gibt und das den üblichen Theorien widerspricht – besagen diese doch, dass sich der Jetstream jahreszeitenbedingt nicht ändert. Ein weiterer Trend, den Fragkoulidis bemerkte: Die Änderungen des Jetstreams sind nicht überall gleich, sondern variieren von Region zu Region. So treten über Nordamerika andere Effekte auf als über China oder Europa. „Eine einfache Antwort nach dem Motto „Der Jetstream wird welliger oder weniger wellig“ können wir daher nicht geben, die Sache ist deutlich komplexer“, fasst Fragkoulidis zusammen.

Doch analysierte er nicht nur die Welligkeit des Jetstreams, sondern auch die Phasengeschwindigkeit der Wellen. Wie schnell bewegen sich die Wellen von Westen nach Osten? Heikel wird es, wenn sie sich langsam bewegen – dann können stehende Wetterlagen mit Starkregen, langanhaltenden Hitzeperioden oder Dürre die Folge sein. „Auch wenn es gefühlt anders aussehen mag: In der nördlichen Hemisphäre, insbesondere in Europa, hat sich die Phasengeschwindigkeit der Wellen in den letzten 40 Jahren nicht signifikant geändert“, erläutert Fragkoulidis. Auch dieses Ergebnis widerlegt zahlreiche Theorien, die von einer Verlangsamung der Wellenbewegung ausgehen. Anders sieht es den Studien zufolge dagegen in der südlichen Hemisphäre aus: Hier treten große Änderungen auf, die Wellen bewegen sich schneller und nehmen in den letzten 40 Jahren an Geschwindigkeit zu. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Weather and Climate Dynamics der European Geosciences Union veröffentlicht.

Vorhersagen bis zum Ende des Jahrhunderts
Derzeit arbeitet der Wissenschaftler daran, die Änderungen des Jetstreams für die Zukunft vorherzusagen, genauer gesagt bis zum Ende des Jahrhunderts. Dazu nutzte er Vorhersagen aus Klimamodellen, die vom National Center for Atmospheric Research (NCAR) in den USA angefertigt wurden und ein mögliches Szenario der Zukunft abbilden. Dieses basiert auf der Annahme, dass der Anstieg der CO₂-Emissionen weiterhin hoch bleiben und die Erde sich bis zum Jahr 2100 um rund vier Grad erwärmen wird. Wie würde sich der Jetstream in diesem Szenario verändern? Diese Frage lässt sich alles andere als leicht beantworten, schließlich ist die Erwärmung nicht auf dem gesamten Globus gleich. Vielmehr erwärmen sich die Ozeane langsamer als das Land – was sich wiederum auf die atmosphärische Zirkulation auswirkt. Darüber hinaus variiert das Ausmaß der Erwärmung in verschiedenen Höhen der Troposphäre. Trotz aller bestehenden Unsicherheiten fanden sich jedoch Hinweise, dass die zukünftigen Sommertrends denen der Vergangenheit ähneln und der Jetstream der nördlichen Hemisphäre gegen Ende des Jahrhunderts weniger wellig sein dürfte. Was die zukünftigen Änderungen des Winter-Jetstreams angeht, so sind diese mit großen Unsicherheiten behaftet.

Veröffentlichung:
Georgios Fragkoulidis
Decadal variability and trends in extratropical Rossby wave packet amplitude, phase, and phase speed
Weather and Climate Dynamics, 30. November 2022
DOI: 10.5194/wcd-3-1381-2022
https://wcd.copernicus.org/articles/3/1381/2022/

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• Klimawandel

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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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• Planet Erde
• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

Der Beitrag Wie sich die Produktivität des Ozeans aus dem Weltraum beobachten lässt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 19. Juni 2023.

19. Juni 2023 – Eine vom MPIA geleitete Forschungsgruppe suchte mit dem James-Webb-Weltraumteleskop nach einer Atmosphäre des Gesteinsplaneten TRAPPIST-1 c. Obwohl der Planet fast die gleiche Größe und Einstrahlung wie die Venus hat, erweist sich seine Atmosphäre als höchst verschieden. Aus der Analyse der vom Planeten abgestrahlten Wärme schließen die Forschenden, dass er allenfalls eine dünne Atmosphäre mit minimalem Kohlendioxidgehalt aufweist. Die Messungen stimmen jedoch auch mit blankem Gestein ohne eine nennenswerte Atmosphäre überein. Diese Studie trägt zum Verständnis bei, wie Gesteinsplaneten bei massearmen Sternen den starken Sternwinden und intensiver UV-Strahlung standhalten können.

„Das nahegelegene Planetensystem TRAPPIST-1 ist derzeit der beste Kandidat, um die Atmosphären von erdähnlichen Gesteinsplaneten zu untersuchen, die einen roten Zwergstern umkreisen“, sagt Sebastian Zieba, Student am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Deutschland. Er ist der Erstautor des Forschungsartikels mit den Ergebnissen zu TRAPPIST-1 c, der in der Zeitschrift Nature erscheint. TRAPPIST-1 ist etwa 40 Lichtjahre entfernt und beherbergt sieben erdgroße Gesteinsplaneten, von denen sich bis zu drei in der lebensfreundlichen Zone befinden. Das bedeutet, dass die Strahlung des Zentralsterns genug Wärme erzeugt, um Wasser in flüssiger Form zu ermöglichen. TRAPPIST-1 c, den das Team mit dem Weltraumteleskop James Webb (JWST) beobachtet hat, gehört allerdings nicht zu diesen Planeten. Stattdessen vermuteten Astronomen, dass es sich um einen Zwilling der Venus handelt.

Massearme Sterne können Planetenatmosphären zerstören
Obwohl sie auf der Oberfläche vergleichsweise kühl sind, weisen viele dieser Sterne über einen längeren Zeitraum hinweg starke Sternwinde und intensive UV-Strahlung auf, die die Atmosphären ihrer Planeten beschädigen und abtragen können. „Wir wollten herausfinden, ob TRAPPIST-1 c diesem Schicksal entgangen ist und eine substantielle Atmosphäre bewahrt haben könnte und vielleicht sogar dem Planeten Venus im Sonnensystem ähnlich ist“, erklärt Zieba. Zumindest sollte die Anziehungskraft an der Oberfläche, die 10 % höher ist als die der Erde, zum Erhalt seiner Atmosphäre beitragen. Wie bei der Venus entsprechen Durchmesser und Masse von TRAPPIST-1 c fast den Werten der Erde. Die Einstrahlung, die der Planet von seinem Zentralstern erfährt, ist fast identisch mit der der Venus.

Die Aufgabe, die Atmosphären von erdgroßen Gesteinsplaneten zu erforschen, ist jedoch selbst für das JWST eine Herausforderung. Daher kombinierte das Team seine Beobachtungen mit Modellberechnungen, um den wahrscheinlichsten Bereich der atmosphärischen Eigenschaften zu ermitteln, der mit den Daten vereinbar ist. Die Ausdehnung, der Druck und die Zusammensetzung einer Atmosphäre bestimmen die Temperatur eines Planeten in Abhängigkeit von dem Licht, das er von seinem Stern empfängt. Umgekehrt bestimmt die Temperatur, wie viel Infrarotlicht der Planet aussendet. Auf diese Weise geben Infrarotmessungen in Kombination mit Modellrechnungen Aufschluss über die Atmosphäre und ihre Zusammensetzung.

TRAPPIST-1 c ist nicht mit der Venus vergleichbar
„Wir können eine dicke und Venus-ähnliche Atmosphäre definitiv ausschließen“, sagt Laura Kreidberg, die leitende Wissenschaftlerin des JWST-Beobachtungsprogramms, Mitautorin und Direktorin am MPIA ist. Sie leitet die Abteilung für Atmosphärenphysik von Exoplaneten (APEx). Entgegen den Erwartungen der Astronomen und Astronominnen erreichen die Temperaturen „nur“ 110 Grad Celsius (380 Kelvin) und sind damit bis zu 390 Grad niedriger als auf der Venus. Das Infrarotlicht, das TRAPPIST-1 c aussendet, passt daher nicht zu einer Venusatmosphäre, die reich an Kohlendioxid ist und einen starken Treibhauseffekt verursacht.

Tatsächlich sind die Daten unvereinbar mit jeder Art von dicker Atmosphäre, die reich an Kohlendioxid ist und einen Luftdruck aufweist, der mehr als zehnmal so hoch ist wie auf der Erde. Während die Ergebnisse zu TRAPPIST-1 b vom Anfang des Jahres zeigen, dass er dem Merkur ähnlich ist und keine Atmosphäre besitzt, lehrt uns TRAPPIST-1 c, dass dieses Planetensystem kein Abbild des Sonnensystems ist.

TRAPPIST-1 c hat möglicherweise eine dünne Atmosphäre
Besitzt TRAPPIST-1 c zumindest eine dünne Gashülle? Um dieser Frage nachzugehen, berechneten die Wissenschaftler die statistische Wahrscheinlichkeit einer Reihe von atmosphärischen Kenngrößen, die mit den Beobachtungen übereinstimmen. Das Atmosphärenmodell umfasste eine Reihe von Oberflächendrücken und Mischungen aus einer von Sauerstoff (O₂) dominierten Atmosphäre mit unterschiedlichen Spuren von Kohlendioxid (CO₂).

„Wir gehen davon aus, dass heiße Gesteinsplaneten, die massearme Sterne umkreisen, einen hohen Anteil an Sauerstoff und etwas Kohlendioxid aufweisen“, erklärt Zieba. Planeten wie TRAPPIST-1 c sollten schon früh eine Atmosphäre besitzen, die Kohlendioxid und Wasserdampf enthält. Mit der Zeit spaltet die Sternstrahlung das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Während der leicht flüchtige Wasserstoff allmählich in den freien Raum entweicht, bleiben die schwereren Sauerstoffmoleküle zurück, was zu einer sauerstoffreichen Atmosphäre mit Spuren von Kohlendioxid führt.

Wie sich für TRAPPIST-1 c herausstellt, ist eine breite Palette von Sauerstoff-Kohlendioxid-Gemischen und einem Luftdruck zwischen 1 % und 100 % des Werts auf Meeresspiegelhöhe auf der Erde möglich. Dieses Ergebnis gibt Anlass zur Hoffnung, dass TRAPPIST-1 c und andere ausreichend schwere Gesteinsplaneten um kühle, massearme Sterne eine Atmosphäre über einen beträchtlichen Teil der Lebenszeit des Sterns aufrechterhalten können. Der Stern TRAPPIST-1 ist mindestens so alt wie die Sonne.

Dennoch müssen diese Ergebnisse mit zusätzlichen Daten überprüft werden. „Die Beobachtung dünner Atmosphären von Gesteinsplaneten bringt JWST an seine Grenzen“, räumt Kreidberg ein. Die gemessenen Signale sind schwach, und viele Eigenschaften sind noch unbekannt, was die Bewertung der Messungen unsicher macht. Im Fall von TRAPPIST-1 c sind die Atmosphärenmodelle nicht die einzigen, die mit den Daten übereinstimmen. Stattdessen erklärt blankes Gestein mit einer verwitterten Oberfläche die Beobachtungen ebenso gut.

Beobachtungen sind selbst für JWST eine Herausforderung
JWST ist zweifellos das leistungsstärkste Weltraumobservatorium aller Zeiten. Dennoch ist es schwierig, die Wärmesignatur eines mäßig warmen und kleinen Gesteinsplaneten mit Hinweisen auf eine umgebenden Atmosphäre zu erfassen.

TRAPPIST-1 c weist seinem Zentralstern immer dieselbe Seite zu, was zu zwei unterschiedlichen Halbkugeln mit konstantem Tag und ewiger Nacht führt. Seine Rotation ist an seine Bahn um den Stern gebunden. Daher dauern sowohl ein Tag als auch ein Jahr auf TRAPPIST-1 c etwa 2,42 Erdtage. Darüber hinaus ist seine Umlaufbahn so ausgerichtet, dass er aus unserer Perspektive immer wieder vor seinem Stern vorbeizieht.

Nach einer weiteren halben Umdrehung verdeckt der Stern TRAPPIST-1 den Planeten vollständig und verbirgt ihn für etwa eine halbe Stunde vor unseren Teleskopen. Doch kurz vor und nach der Bedeckung weist der Planet den Astronomen seine voll erleuchtete und heiße Tagesseite zu. Auf dieses Signal hatte es das Team abgesehen. Natürlich ist jeder Hinweis auf eine dünne Atmosphäre darin winzig.

Die nächsten Schritte
Weitere JWST-Beobachtungen sind erforderlich, um zwischen einem bloßen Gesteinsplaneten und einer dünnen Atmosphäre zu unterscheiden. So könnten Signaturen dabei helfen, die entstehen, wenn der Planet uns seine Nachtseite zuwendet. Dann prägt der schmale Atmosphärenkranz um den Planetenkörper dem durchscheinenden Sternlicht Signale auf, die Aufschluss über die Zusammensetzung geben können.

Eine andere Möglichkeit wäre eine ähnliche Beobachtung mit dem Extremely Large Telescope (ELT), ein 39-Meter-Teleskop in der chilenischen Atacama-Wüste, das noch in diesem Jahrzehnt in Betrieb genommen werden soll. Es handelt sich dabei um die neueste und größte Ergänzung des Teleskoparsenals der Europäischen Südsternwarte (ESO). Die überragende Empfindlichkeit des ELT könnte für den entscheidenden Hinweis sorgen.

Sollten Astronomen eine Atmosphäre um TRAPPIST-1 c bestätigen, wäre das ein ermutigendes Zeichen dafür, dass Atmosphären den extremen Einfluss roter Zwergsterne doch überstehen können.

Hintergrundinformationen
Der Forschungsartikel „No thick carbon dioxide atmosphere on the rocky exoplanet TRAPPIST-1 c“ von Sebastian Zieba et al. ist zur Veröffentlichung in Nature am 19. Juni 2023 um 17:00 Uhr (MESZ), 11:00 Uhr (US Eastern Time) vorgesehen. Die Sperrfrist endet zu diesem Zeitpunkt. Eine Kopie des akzeptierten Artikels ist hier erhältlich.

Die DOI-Nummer lautet 10.1038/s41586-023-06232-z. Sobald der Artikel online veröffentlicht ist, wird er unter der folgenden URL verfügbar sein: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06232-z.

Das an der Studie beteiligte MPIA-Forschungsteam besteht aus Sebastian Zieba (ebenfalls Observatorium Leiden, Niederlande), Laura Kreidberg und Lorena Acuña (ebenfalls Universität Aix-Marseille, Frankreich).

Die Astronomen und Astronominnen beobachteten TRAPPIST-1 c im Rahmen des JWST General Observer (GO) Programms 2304, Hot Take on a Cool World: Does TRAPPIST-1c Have an Atmosphere? (PI: Laura Kreidberg).

Das James Webb Space Telescope (JWST) ist das weltweit führende Observatorium zur Erforschung des Weltraums. JWST ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisation).

Das Mid-InfraRed Instrument (MIRI) des JWST, das von einem europäischen Konsortium von Forschungseinrichtungen gebaut wurde, ist ein wissenschaftliches Mehrzweckinstrument für Infrarot-Wellenlängen zwischen fünf und 28 Mikrometern. Es kombiniert eine Bildkamera mit einem Spektrographen. Mit der Unterstützung von industriellen Partnern lieferte das MPIA die Mechanismen aller Elemente zur Ansteuerung des Wellenlängenbereichs, wie z.B. Filter- und Gitterräder, und leitete das elektrische Design von MIRI.

Die folgenden Forschungsinstitute sind an dieser Studie beteiligt:
Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland; Leiden Observatory, Universität Leiden, Niederlande; Université Paris-Saclay, Université Paris-Cité, CEA, CNRS, AIM, Frankreich; Universität Lüttich, Belgien; Universität Texas in Austin, USA; Stanford University, USA; Boston University, USA; Peking University, Beijing, Volksrepublik China; Aix-Marseille Université, CNRS, CNES, Institut Origines, LAM, Marseille, Frankreich; University of Washington, USA; NASA Nexus for Exoplanet System Science, University of Washington, Seattle, USA; Arizona State University, Tempe, USA; Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, USA; Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, Pasadena, USA; Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux, Université Bordeaux, CNRS, Pessac, Frankreich; Observatoire astronomique de l’Université de Genève, Versoix, Schweiz; Centre Vie dans l’Univers, Université de Genève, Genf, Schweiz; NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA

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• Exoplaneten

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Quelle: Universität Zürich 14. Juni 2023.

14. Juni 2023 – Etwa ein Viertel der weltweiten Kohlenstoffemissionen werden durch Wälder, Gras- und Weideland gebunden. Pflanzen speichern mit Hilfe der Photosynthese Kohlenstoff in ihren Zellwänden und im Boden. Etwa die Hälfte des Bodenkohlenstoffs befindet sich in den tieferen Bodenschichten, in mehr als 20 Zentimetern Tiefe. Doch auch diese Schichten werden durch den Klimawandel erwärmt.

Verlust von entscheidenden Kohlenstoffspeichern
Die Erwärmung führt zu einem erheblichen Verlust jener organischen Verbindungen, die den Pflanzen helfen, Kohlenstoff in ihren Blättern und in ihren Wurzeln zu speichern. Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass diese chemisch stabileren Verbindungen dem natürlichen Abbau länger widerstehen und somit Kohlenstoff im Boden speichern. Die Studie unter der Leitung von Forschenden des Geographischen Instituts der UZH zeigt nun, dass Lignin, das den Pflanzen Steifigkeit verleiht, um 17% reduziert war. Cutin und Suberin – wachsartige Verbindungen in Blättern, Stängeln und Wurzeln, die die Pflanzen vor Krankheitserregern schützen –, waren fast 30% weniger vorhanden. Selbst der pyrogene, organische Kohlenstoff, der nach einem Waldbrand zurückbleibt, war deutlich weniger vorhanden.

Die Experimente wurden in den Wäldern der kalifornischen Sierra Nevada durchgeführt. Der Boden wurde während 4,5 Jahren in einer Tiefe von einem Meter künstlich um 4 Grad Celsius aufgeheizt, einschliesslich der Tages- und Jahreszeitenzyklen. Diese Erwärmung entspricht den Prognosen eines Klimaszenarios bis zum Ende des Jahrhunderts, bei dem die Erwärmung wie bisher unverändert weitergeht.

Folgen für die Nutzung von Böden gegen globale Erwärmung
Diese Erkenntnis hat grosse Bedeutung für eine der Schlüsselstrategien im Kampf gegen die globale Erwärmung, nämlich auf Böden und Wälder als natürliche Kohlenstoffsenken zu setzen. Dazu werden unter anderem Nutzpflanzen mit besonders tiefen Wurzeln und korkreicher Biomasse entwickelt. «Bisher ging man davon aus, dass damit CO₂ im Boden zurückgehalten werden kann», sagt Michael W. Schmidt, UZH-Professor für Geographie und Letztautor der Studie. «Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass alle Bestandteile des Bodenhumus gleichermassen weniger werden, einfache chemische Stoffe genauso wie komplexe Bestandteile. Wenn sich diese ersten Beobachtungen auch in längerfristigen Feldexperimenten bestätigen, hätte das erschreckende Konsequenzen.» Verliert der Waldboden massiv an Bodenhumus und setzt dieser Kohlenstoff als CO₂ frei, beschleunigt das die Erwärmung weiter. «Die Emissionen an der Quelle zu stoppen, muss unser Ziel sein», so Schmidt.

Literatur:
Zosso, C.U., Ofiti, N.O.E., Torn, M.S. et al. Rapid loss of complex polymers and pyrogenic carbon in subsoils under whole-soil warming. Nature Geoscience. 16, 344–348 (2023). Doi: 10.1038/s41561-023-01142-1
https://www.nature.com/articles/s41561-023-01142-1
pdf: https://www.nature.com/articles/s41561-023-01142-1.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Universität Bayreuth 6. Februar 2023.

6. Februar 2023 – Pflanzenökologen der Universität Bayreuth zeigen in „Nature Geoscience“, wie sich der globale Klimawandel auf terrestrische Ökosysteme auswirkt. Veränderungen in der Vegetationsaktivität konnten meist durch Veränderungen der Temperatur und der Bodenfeuchtigkeit erklärt werden. Änderungen der Sonneneinstrahlung und des CO₂-Gehalts in der Atmosphäre spielten selten eine dominante Rolle. In einigen Ökosystemen sind nach einer langjährigen Zunahme der Vegetationsaktivität Rückgänge zu beobachten. Diese Trendumkehr wirft die Frage auf, ob terrestrische Ökosysteme auch in Zukunft einen hohen Beitrag zur Bindung von atmosphärischem Kohlenstoff leisten werden.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Steven Higgins, Inhaber des Lehrstuhls für Pflanzenökologie an der Universität Bayreuth, hat weltweite Fernerkundungsdaten aus den letzten 40 Jahren mit einem neuartigen dynamischen Modell des Pflanzenwachstums analysiert. Das neue Modell beschreibt den Einfluss wichtiger Klimaparameter wie Lufttemperatur, Bodentemperatur, Bodenfeuchte, Sonneneinstrahlung und atmosphärischer CO₂-Gehalt auf das Pflanzenwachstum. Damit ist es jetzt erstmals gelungen, messbare Veränderungen in der Vegetation von terrestrischen Ökosystemen auf einzelne Klimafaktoren zurückzuführen.

„Untersuchungen, die kausale Beziehungen zwischen klimatischen Veränderungen und Vegetationsänderungen herstellen und dabei den Einfluss einzelner sich ändernder Klimaparameter – wie beispielsweise Temperatur und Niederschlag – identifizieren, stellen einen wichtigen Fortschritt in der Ökosystemforschung dar. Sie beweisen, dass der menschengemachte Klimawandel bereits jetzt die Ökosysteme der Erde verändert. Aufgrund der so gewonnenen Erkenntnisse können wir erheblich besser verstehen und einschätzen, wie sich die Ökosysteme der Erde infolge des Klimawandels entwickeln. Die auf diese Weise gewonnenen Erkenntnisse können eine wertvolle Unterstützung für umwelt- und klimapolitische Programme sein“, sagt Higgins. „Früher konnten wir zwar Veränderungen der Vegetationsaktivität feststellen, aber es war oftmals schwierig zu erkennen, ob es wirklich der Klimawandel war, der diese Veränderungen verursacht hat. Auch der jüngste Bericht des Weltklimarats IPCC enthält überraschend wenig Fallstudien, in denen beobachtete Vegetationsveränderungen mit hoher Sicherheit auf klimatische Veränderungen zurückgeführt werden konnten“, ergänzt Dr. Timo Conradi, Ko-Autor und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Pflanzenökologie.

Die neue Studie beruht auf Messdaten zu insgesamt 100 Untersuchungsflächen, die über alle Kontinente verteilt sind. In dieser Stichprobe ist jedes der wichtigsten Ökosysteme der Erde mit mindestens fünf Beispielen vertreten: tropische immergrüne Wälder, boreale Wälder, gemäßigte Wälder, Savannen, Buschland, Grasland, Tundra und mediterrane Ökosysteme. Die durch Satellitenbeobachtungen ermittelten Vegetationsveränderungen an diesen Standorten wurden daraufhin untersucht, inwieweit sie mit Veränderungen der Lufttemperatur, der Bodentemperatur, der Bodenfeuchte, der Sonneneinstrahlung und dem CO₂-Gehalt der Atmosphäre erklärt werden können. In ihrer Gesamtheit lassen diese Analysen einige globale Trends erkennen: Ökosysteme an trockenen und warmen Standorten, vor allem Savannen und manche Grasländer, reagierten in erster Linie auf Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit. Hingegen waren Ökosysteme an kühleren Standorten, wie boreale Wälder, Wälder der gemäßigten Breiten und Tundren, besonders sensibel für Temperaturänderungen. Änderungen des CO₂-Gehalts der Atmosphäre und der Sonneneinstrahlung hatten überraschenderweise nur selten einen dominierenden Einfluss auf Vegetationsänderungen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, wie langfristige Fernerkundungsdaten die Ökosystemforschung unterstützen und erheblich voranbringen können. Gerade auf diesem Gebiet wird eine enge internationale Zusammenarbeit weiterhin erforderlich sein, um den Einfluss von Klimafaktoren auf globaler Ebene zu identifizieren und zu verstehen, wie und warum sich Ökosysteme in verschiedenen Regionen der Welt verändern“, sagt Ko-Autor Edward Muhoko M. Sc. aus Namibia, der zurzeit am Lehrstuhl für Pflanzenökologie promoviert und sich auf Geoinformationssysteme, Fernerkundungsverfahren und Geostatistik spezialisiert hat.

Die Bayreuther Forscher fanden in unterschiedlichen Klimazonen der Erde deutliche Hinweise auf Trendumkehrungen. Anscheinend haben steigende Luft- und Bodentemperaturen an vielen Standorten zunächst jahrzehntelang die Vegetationsaktivität erhöht und eine aus dem Weltraum sichtbare „Begrünung“ bewirkt. Anhaltende Temperaturerhöhungen können jedoch irgendwann zu einer Austrocknung der Böden führen, was eine Verringerung der Vegetationsaktivität zur Folge hat. Neuere Satellitenaufnahmen lassen daher an einigen Standorten eine „Verbraunung“ von Ökosystemen erkennen. Feldforschungen in tropischen Wäldern, bei denen Veränderungen der Baumgröße gemessen wurden, haben in jüngster Zeit ebenfalls Belege für diese Entwicklung geliefert. „Falls diese Trendumkehr durch weitere Studien bestätigt wird, wäre das in der Tat besorgniserregend, denn in der Vergangenheit haben die terrestrischen Ökosysteme durch ihre jahrzehntelange ‚Begrünung‘ erhebliche Anteile der anthropogenen Kohlenstoffemissionen absorbiert. Bislang hat uns diese Kohlenstoffbindung durch die Vegetation vor einem noch dramatischeren Klimawandel bewahrt“, erklärt Higgins.

Originalpublikation:
Steven I. Higgins, Timo Conradi, Edward Muhoko: Shifts in vegetation activity of terrestrial ecosystems attributable to climate trends. Nature Geoscience (2023), DOI: doi.org/10.1038/s41561-022-01114-x,
https://www.nature.com/articles/s41561-022-01114-x.

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• Klimawandel

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Die Geschichte der Tiere auf der Erde umfasst über eine halbe Milliarde Jahre, doch verlief sie nicht geradlinig. Insgesamt mindestens fünfmal stand das Leben am Abgrund. Längst noch nicht jedes Massensterben der Erdgeschichte ist aufgeklärt. Zwischen den Zeitaltern Perm und Trias war es besonders schlimm: Der blaue Planet erlebte vor 251 Millionen Jahre das bis heute größte Massensterben seiner Tierwelt, bei dem über 70 Prozent der Landtiere und sogar 95 Prozent aller Tierarten in den Meeren ausstarben.

Karl hat für diesen AstroGeo Podcast viele Studien gesichtet: Was wissen Geologinnen und Geologen über die Ursache der permotriassischen Katastrophe? Über die letzten Jahrzehnte wurden etliche Thesen formuliert, allen voran brodelnde Vulkane im heutigen Sibirien und der Einschlag eines gewaltigen Meteoriten. Mittlerweile ist klar: Das größte Massensterben sollte uns Menschen interessieren. Denn Vieles, was damals auf der Erde passierte, scheint sich nun durch unser Handeln zu wiederholen, wenn wir nichts dagegen unternehmen.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle zwei Wochen eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist der Podcast von Die Weltraumreporter, einem Magazin der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement die Weltraumreporter für 3,49 Euro pro Monat oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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