Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 10. September 2024.

10. September 2024 – Etwa vier Wochen nach dem erfolgreichen Doppelvorbeiflug der ESA-Raumsonde Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) an Mond und Erde haben die wissenschaftlich-technischen Teams des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen erste Messdaten ihrer beiden Instrumente an Bord ausgewertet. Die Daten verraten nicht nur, dass sowohl das Submillimetre Wave Instrument (SWI) als auch der Jovian Electron and Ion Sensor (JEI) des Particle Environment Package (PEP) wie erwartet funktionieren. Die Ergebnisse laden zudem zu einer Art kosmischem Kontrollexperiment ein: Was könnte eine außerirdische Raumsonde, ausgestattet wie JUICE und ohne Vorwissen über die Erde und ihre Bewohner, über unseren Planeten in Erfahrung bringen? Könnte sie die Struktur der Magnetosphäre, unseres magnetischen Schutzschildes, erkennen? Und würde sie die Erde für bewohnt halten?

Der Blick auf die Erde aus dem Weltall ist etwas Besonderes – ganz gleich, ob er durch die Augen von Astronauten oder durch die Messinstrumente einer unbemannten Raumsonde erfolgt. Entsprechende Aufnahmen, wie etwa die erste Farbaufnahme der gesamten Weltkugel durch die Mannschaft der Apollo 8-Mission im Jahre 1968 oder die Pale Blue Dot-Fotografie der Raumsonde Voyager 1 vor 34 Jahren, haben einen geradezu ikonischen Status erreicht. Gelegenheit zu einem ebensolchen Perspektivwechsel bot vor etwa vier Wochen der Vorbeiflug der ESA-Raumsonde JUICE an Mond und Erde.

Um auf ihrer acht Jahre währenden Reise zum Jupiter Fluggeschwindigkeit und -richtung anzupassen, war JUICE zunächst am 19. August 2024 in einem Abstand von 750 Kilometern am Mond, danach am 20. August 2024 in einem Abstand von 6840 Kilometern an der Erde vorbeigeflogen. Auch die wissenschaftlichen Messinstrumente, die unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut wurden, waren beim Doppel-Vorbeiflug eingeschaltet. Während SWI Zusammensetzung, Temperatur und Dynamik von Atmosphären untersucht, bestimmt PEP-JEI Energie und Verteilung geladener Teilchen in der Umgebung von Planeten.

Ein heißer Kandidat für die Existenz von Leben
Beim Erdvorbeiflug „horchte“ SWI nach den Signalen von mehr als hundert Molekülen in der Erdatmosphäre. Das Instrument suchte beispielsweise nach Wasserdampf, nach den als Grundbausteine für Leben geltenden Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel sowie nach Methan und anderen Molekülen, die als Stoffwechselprodukte auf Leben hinweisen. „Bisher haben wir nur einen kleinen Teil der Messdaten ausgewertet“, fasst MPS-Wissenschaftler Dr. Paul Hartogh, der das SWI-Team leitet, den aktuellen Stand zusammen. „Es spricht aber schon jetzt einiges dafür, dass die Erde ein heißer Kandidat für die Existenz von Leben ist“, fügt er schmunzelnd hinzu. Er erwartet, dass das SWI-Team zu einem ähnlichen Ergebnis kommen wird wie der Astronom Carl Sagan, der berühmte Vorreiter der Suche nach außerirdischem Leben. 1993 hatte der Forscher Messergebnisse des Erdvorbeiflugs der Raumsonde Galileo analysiert und darin deutliche Hinweise auf lebensfreundliche Umweltbedingungen und sogar Leben gefunden.

Anders als frühere Weltrauminstrumente setzt SWI auf eine neue Technologie. Das Heterodyn Spektrometer überlagert das empfangene Signal mit einer Referenzwelle und verschiebt es so in den Bereich klassischer Radiowellen. „SWI ist ein Pionier-Instrument, das so noch nie im tiefen Weltraum zum Einsatz gekommen ist“, so Hartogh. Entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Instruments ist die sehr hohe spektrale Auflösung. So lassen sich auch Signale sehr seltener Spurengase in der Atmosphäre selbst aus großer Entfernung aufspüren.

Beim Erdvorbeiflug gelangen dem Team auf diese Weise erstmals spektroskopische Messungen der Erdatmosphäre in einem Wellenlängenbereich um 1200 Gigahertz. Darin finden sich beispielsweise typische Signale von Ozon und Sauerstoff. „Unsere Messungen aus der Südpolregion zeigen eine vergleichsweise geringe Konzentration von Ozon“, beschreibt Hartogh. Zudem konnte das Team erstmals Windgeschwindigkeiten in der Erdatmosphäre durchgängig im Höhenbereich von der Stratosphäre bis hin zur Thermosphäre bestimmen. Dies umfasst die gesamte Region von etwa 15 Kilometern Höhe bis hin zu über 100 Kilometern Höhe, der Grenze zum Weltraum.

Flug durch Magnetopause
Auch für das Göttinger Instrument PEP-JEI war der Heimatbesuch eine wichtige Bewährungsprobe. Das Instrument misst die Energie der Ionen und Elektronen, welche die Raumsonde vor Ort umgeben. Im Jupitersystem soll es unter anderem mehr über die Struktur und Dynamik der gewaltigen Jupiter-Magnetosphäre in Erfahrung bringen.

Während der vier Zeitfenster, in denen das Instrument während des Manövers eingeschaltet war, durchflog JUICE offenbar verschiedene Bereiche der Erdmagnetosphäre. Dies lässt sich anhand der Messdaten erkennen. So durchquerte die Raumsonde mindestens viermal die Magnetopause, die Grenzfläche zwischen der Erdmagnetosphäre und dem Sonnenwind, und passierte am 21. August 2024 die Bugstoßwelle. An der Bugstoßwelle wird der Sonnenwind, der die Erde mit Überschallgeschwindigkeit umströmt, auf Unterschallgeschwindigkeit abgebremst. Die Daten zeigen zunächst Teilchen aus dem Einflussbereich der Erdmagnetosphäre, dann abrupt Protonen und Helium-Ionen des Sonnenwindes.

Zudem drang JUICE während des Vorbeiflugs in den innersten Bereich der Magnetosphäre vor. Die so genannte Plasmasphäre schmiegt sich torusförmig um die Erde und reicht bis mindestens 25500 Kilometer ins All. Das vergleichsweise kühle Plasma, das dort vorherrscht, besteht aus Elektronen, Protonen sowie Helium- und Sauerstoff-Ionen. „Die Zusammensetzung der Plasmasphäre ist bisher nur selten gemessen worden“, so MPS-Wissenschaftler und PEP-Teammitglied Dr. Markus Fränz. „Die aktuellen Beobachtungen von PEP-JEI lassen sich am besten mit einem sehr hohen Anteil von Sauerstoff-Ionen erklären“, fügt er hinzu.

„Beim Erdvorbeiflug ist es uns mit nur wenigen Messungen gelungen, Grundzüge der Magnetosphärenstruktur der Erde aufzudecken. Damit wissen wir nun, dass unser Instrument gut vorbereitet ist für Messungen am Jupiter“, so MPS-Wissenschaftler Dr. Norbert Krupp aus dem PEP-Team. Im Jupitersystem wird JUICE deutlich länger verweilen und den Planeten auf vielen verschiedenen Umlaufbahnen umrunden. Die aktuellen Messdaten stimmen die Mitglieder des PEP-JEI-Teams deshalb hoffnungsfroh, dass so ein vollständiges Bild der Plasmaumgebung des Gasriesen entstehen wird.

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• JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) auf Ariane 5 ECA

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Quelle: Universität Bayreuth 23. August 2024.

23. August 2024 – Die Bergwälder in Afrika stehen durch die zunehmende Entwaldung durch den Menschen deutlich unter Stress. „Am Kilimandscharo in Tansania wurden seit 1880 bereits über 50 Prozent der Waldfläche vernichtet“, erläutert Dr. Andreas Hemp von der Universität Bayreuth, Ko-Autor der Studie, der seit 35 Jahren am Kilimandscharo lebt und forscht. Mit Kollegen und Kolleginnen hat er jetzt herausgefunden: Der Klimawandel setzt dem noch eins drauf.

Unter Leitung von Marburger Geograph*innen wurde herausgefunden, dass die durchschnittliche Lufttemperatur in Gebieten, die stark gerodet wurden, steigt und die umgebenden Wolken mehr als 230 Meter höher liegen. In Bergregionen wie am Kilimandscharo können die Wälder dadurch deutlich weniger Wasser aus den Wolken „auskämmen“. „Das hat weitreichende Konsequenzen für den Wasserhaushalt und die Biodiversität in Afrika“, erläutert Dr. Dirk Zeuss vom Fachbereich Geographie der Philipps-Universität Marburg die Ergebnisse einer Studie mit internationaler Forschungsbeteiligung.

Die tropischen Bergwälder sind einzigartig in ihrer Biodiversität und ihren sogenannten Ökosystemdienstleistungen. Zu letzteren gehört beispielsweise die Produktion von Frischwasser für die Natur und auch den Menschen. Anhand von Satellitendaten hat das Marburger Forschungsteam berechnet, dass in den Jahren 2003 bis 2022 etwa 18 Prozent der Bergwälder Afrikas verloren gingen. Gründe dafür sind unter anderem die kleinbäuerliche Landwirtschaft und der Holzeinschlag. Infolge des Waldverlusts ändern sich auch weitere Umweltbedingungen, fanden die Forschenden durch das Zusammenführen verschiedenster Umweltdatensätze heraus. So stieg die Lufttemperatur um etwa 1,4 Grad Celsius und die untere Wolkenkante rückte 236 Meter nach oben. „Diese Verschiebung in Temperatur und Wolkenbildung kommt dabei eindeutig nicht durch den ohnehin schon vorhandenen Klimawandel, sondern durch den Verlust der Bergwälder“, interpretiert Dr. Dirk Zeuss die Ergebnisse. Zu diesen trug der Bayreuther Forscher Andreas Hemp maßgeblich bei: Er ist Projektleiter in der DFG-Forschungsgruppe „The role of nature for human well-being in the Kilimanjaro Social-Ecological System (Kili-SES)“ an der Universität Bayreuth. Hemp hat seit 1996 ein meteorologisches Netzwerk am Kilimanjaro aufgebaut, dessen Daten maßgeblich für die hier vorliegenden Forschungsergebnisse waren. Er war mit logistischer und wissenschaftlicher Unterstützung an den Messungen für die aktuelle Studie beteiligt.

„Das bedeutet, dass von Menschen gemachte Eingriffe wie das Abholzen den Klimawandel verschärfen“, erläutert der Marburger Forscher Dr. Temesgen Abera. „Wir müssen also sehr viel stärker die Bergwälder in den Blick nehmen und vor Abholzung schützen, da sie Biodiversität, Frischwasserproduktion und viele andere Ökosystemleistungen in den Tropen bedroht.“ Abera ist derzeit Forschungsstipendiat der Alexander von Humboldt-Stiftung an der Uni Marburg.

Zur Publikation trugen Forschungsgruppen unter Marburger Leitung von der Universität in Helsinki, Finnland, dem finnischen Meteorologischen Institut in Helsinki, der Universität Bayreuth, der Universität in Addis Abeba, Äthiopien, der Wuhan-Universität, China, und der North-West-Universität in Südafrika bei.

Originalpublikation:
Abera, T.A., Heiskanen, J., Maeda, E.E. et al. Deforestation amplifies climate change effects on warming and cloud level rise in African montane forests. Nat Commun 15, 6992 (2024). doi.org/10.1038/s41467-024-51324-7
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51324-7
pdf: https://www.nature.com/articles/s41467-024-51324-7.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 20. August 2024.

20. August 2024 – Die Erwärmung des Ozeans bei den Fidschi-Inseln im Südwestpazifik zeigt den höchsten Stand seit über 600 Jahren. Dies geht aus der Auswertung von Korallendaten hervor, die ein internationales Team von Forschenden vorgenommen hat. Die Daten sind ein weiterer Beweis für die beispiellose Erwärmung des westlichen Pazifiks. 2022 war demnach in der Region das wärmste Jahr seit dem Jahr 1370. Die Forschenden haben einen über zwei Meter langen Kern aus der Riesenkoralle Diploastrea heliopora untersucht und konnten aus der chemischen Zusammensetzung Rückschlüsse auf die Temperaturentwicklung im Verlauf von 627 Jahren ziehen. Dies wurde um Messungen der Wassertemperatur für weitere 26 Jahre ergänzt. Der südwestliche Pazifik spielt eine zentrale Rolle für die Regulation globaler Klimamuster, wie beispielsweise des Wetterphänomens El Niño-Southern Oscillation, eines der wichtigsten Phänomene mit Auswirkungen auf das globale Klima – und damit auf den Menschen und die Umwelt weltweit.

Korallen dienen als lebende Temperatursensoren
Das Team unter der Führung der Universidad Nacional Autónoma de México und der University of Leicester legte damit die bisher längste kontinuierliche Rekonstruktion der Meeresoberflächentemperatur vor, die anhand des Verhältnisses von Strontium zu Kalzium einer Koralle vorgenommen wurde. Die Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat zu der Datierung – die mit jährlicher Auflösung erfolgt – beigetragen. „Wir haben das Alter der abgelagerten Schichten mithilfe der Uran-Thorium-Datierungsmethode bestimmt und konnten damit die Zählung der einzelnen jährlichen Lagen unabhängig bestätigen. Damit war eine präzise, absolute Datierung der Koralle möglich“, erklärt Prof. Dr. Denis Scholz, Leiter der Arbeitsgruppe Isotopengeochemische Paläoklimatologie/Speläothemforschung am Institut für Geowissenschaften. Diploastrea heliopora wächst in einem Jahr durchschnittlich um nur drei bis sechs Millimeter.

Die Korallen mit ihrem langen Lebensalter dienen den Forschenden somit als Temperatursensoren: Sie haben in ihrem Skelett die Klima- und Umweltveränderungen gespeichert, die das Korallenriff über Jahrhunderte geprägt hat. Wie die Studie darlegt, ist die aktuelle Meerestemperatur auf dem Fidschi-Archipel die höchste in den vergangenen 653 Jahren. Über verschiedene Korrelationen und Temperaturgradienten zwischen tropischen und subtropischen Pazifikgebieten zeigt die Forschungsarbeit, dass die Bedingungen im 20. Jahrhundert von den Trends der vergangenen sechs Jahrhunderte abweichen. In Verbindung mit derzeitigen Klimamodell-Simulationen wäre demnach zu erwarten, dass es im Verlauf des 21. Jahrhunderts zu weiterer Trockenheit oder Starkregen kommt, je nach Position im Pazifik, und damit, falls nicht gegengesteuert wird, zu nachteiligen Auswirkungen für Bewohner der gefährdeten pazifischen Inseln und ihrer Ökosysteme.

Internationale Kooperation mit Beteiligten von drei Kontinenten
Die Studie erfolgte in Zusammenarbeit zwischen der Universidad Nacional Autónoma de México, der Universidad Autónoma de Baja California, der University of Leicester, der University of New South Wales, der Monash University, der Université de Bordeaux, dem Helmholtz-Zentrum Hereon und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Veröffentlichung:
Juan P. D’Olivo, Jens Zinke et al.
Coral Sr/Ca-SST reconstruction from Fiji extending to ~1370 CE reveals insights into the Interdecadal Pacific Oscillation
Science Advances, 14. August 2024
DOI: 10.1126/sciadv.ado5107
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado5107

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• Klimawandel

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Quelle: Universität Hamburg 12. August 2024.

12. August 2024 – Eine neue Studie des Exzellenzclusters CLICCS der Universität Hamburg zeigt, wie viel CO₂ im Arktischen Ozean durch die Erosion von Permafrost in die Atmosphäre entweicht.

Die Weltmeere mildern den Klimawandel, denn sie entziehen der Atmosphäre rund 30 Prozent der vom Menschen freigesetzten Treibhausgase. Doch dieser Anteil wird durch die Folgen der Erderwärmung beeinflusst. Zum Beispiel durch die Erosion von Permafrostboden an den Küsten des Arktischen Ozeans. Diese reduziert die CO₂-Aufnahmefähigkeit des Meerwassers deutlich. Dr. David Nielsen und sein Team können erstmals in Klimamodellen darstellen, wie stark sich dieser Effekt in der Zukunft auswirken wird. Die Studie ist jetzt im Fachmagazin Nature Climate Change erschienen.

Demnach werden im Arktischen Ozean pro Jahr und pro Grad Celsius globaler Temperaturerhöhung ein bis zwei Millionen Tonnen CO₂ weniger von der Atmosphäre aufgenommen als bisher angenommen. Das entspricht einem Zehntel der Emissionen, die in Europa jährlich durch den Autoverkehr verursacht werden.

Durch das Auftauen und Abtragen der über Jahrtausende gefrorenen Küstenstreifen gelangen große Mengen Erdboden und Sedimente in den Ozean. Wie die Partikel genau mit dem Meerwasser reagieren, hängt von ihrer Zusammensetzung ab. In jedem Fall erhöhen sie mit ihren organischen Bestandteilen den Kohlenstoffgehalt im Wasser und verringern so die Aufnahmefähigkeit für CO₂ aus der Luft – und zwar um zehn bis 15 Prozent im gesamten Arktischen Ozean, wie das Team berechnete.

„Wir können den Meeren dankbar sein, dass sie einen großen Teil unserer Treibhausgase aufnehmen“, sagt Klimaforscher Nielsen. „Doch vielleicht setzt sich diese Dienstleistung der Meere nicht unbegrenzt fort. Wenn wir wissen wollen, ob wir uns auch in Zukunft auf ihre Wirkung verlassen können, müssen wir die Mechanismen der CO₂-Aufnahme genau verstehen.“

Nielsens Studie trägt dazu bei, den Einfluss von Permafrost-Erosion besser zu verstehen. Dadurch kann dieser künftig in Klimavorhersagen und Kohlenstoffbudgets mitberücksichtigt werden. So könnte sich die Erosion bis zum Jahr 2100 um den Faktor zwei bis drei beschleunigen. Das Team untersuchte deshalb verschiedene Szenarien für Küstenerosion, je nachdem, wie erfolgreich sich der Klimaschutz weltweit entwickelt.

Orginalpublikation:
Nielsen DM, Chegini F, Maerz J, Brune S, Mathis M, Dobrynin M, Baehr J, Brovkin V, Ilyina T (2024): Reduced Arctic Ocean CO₂ uptake due to coastal permafrost erosion; Nature Climate Change; https://www.nature.com/articles/s41558-024-02074-3

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Quelle: Universität Bern 24. Juli 2024.

24. Juli 2024 – Die Verbrennung fossiler Energieträger und der weit verbreitete Einsatz von Kunstdünger in der Landwirtschaft haben zu einer erheblichen Zunahme des biologisch verfügbaren, reaktiven Stickstoffs geführt. Diese Zunahme hat weitreichende und gut erforschte Auswirkungen auf Ökosysteme, Biodiversität und Gesundheit. «Luftverschmutzung führt allein in der Schweiz zu über 2’000 vorzeitigen Todesfällen pro Jahr und Stickstoff spielt dabei eine wichtige Rolle», sagt Mitautor der Studie und Professor am physikalischen Institut und am Oeschger-Zentrum für Klimaforschung der Universität Bern, Fortunat Joos. Bisherige Studien haben die Auswirkungen von reaktivem Stickstoff auf das globale Klimasystem seit der Industrialisierung nur unzureichend erforscht.

Eine neue Studie unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena schliesst nun diese Wissenslücke. Die Forschenden kombinierten Ergebnisse aus Modellen der terrestrischen Biosphäre mit Erkenntnissen aus der Atmosphärenchemie und Modellen der globalen atmosphärischen Verteilung von Stickstoffen. Diese Kombination ermöglicht eine neuartige und umfassende Abschätzung der Klimawirkung des von Menschen ausgestossenen reaktiven Stickstoffs. Die Ergebnisse wurde im Fachmagazin Nature publiziert.

Bisher insgesamt kühlende Klimawirkung
«Wir Menschen stossen eine ganze Reihe von Stickstoffverbindungen aus», erklärt Cheng Gong, Erstautor der Studie und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena. «Einige, wie beispielsweise Lachgas, sind Treibhausgase und wirken somit erwärmend.» Andere, wie etwa Feinstaubpartikel, die die Sonnenstrahlung reflektieren, hätten dagegen eine kühlende Wirkung auf das Klima. Diese Effekte spiegeln sich auch in den Ergebnissen der Studie wider: «Einerseits fanden wir eine signifikante Erwärmung durch steigende Konzentrationen der Treibhausgase Lachgas (N₂O) und Ozon (O₃). Andererseits haben wir mehrere Prozesse quantifiziert, die zur kühlenden Wirkung von Stickstoff beitragen», so Gong. Dazu gehören neben dem Feinstaub auch chemische Reaktionen, die zu einer verkürzten Verweildauer des Treibhausgases Methan in der Atmosphäre führen, sowie eine erhöhte Aufnahme von Kohlendioxid (CO₂) durch die Landbiosphäre aufgrund der düngenden Wirkung von Stickstoff.

Kombiniert man alle Erwärmungs- und Abkühlungsprozesse durch die reaktiven Stickstoffe, so führt dies bisher zu einem Abkühlungseffekt. «Dieses neue Ergebnis legt nahe, dass die Stickstoffverschmutzung etwa ein Sechstel der bisherigen Erderwärmung durch den CO₂-Anstieg über die industrielle Periode kompensiert hat», erklärt Qing Sun, Mitautorin und Postdoktorandin an der Universität Bern.

Bedeutung für Klimaschutz
Die neuen Ergebnisse sind auch für zukünftige Strategien zur Stickstoffvermeidung und die Klimaschutzpolitik wichtig: Das internationale Team untersuchte, wie sich verschiedene Klimaszenarien zukünftiger Entwicklungen auswirken würden. «In den meisten Szenarien blieben die Lachgasemissionen aus dem Agrarsektor durch den anhaltenden Einsatz von Düngemitteln in der Landwirtschaft und damit der wärmende Einfluss dieses Gases hoch», erklärt Sun, die mit Computersimulationen der Landbiosphäre zur aktuellen Studie beigetragen hat. Szenarien, die mit den Klimazielen des Pariser Abkommens vereinbar sind, erfordern ein Ende der CO₂-Emissionen aus fossilen Energieträgern. Damit wird auch die Freisetzung von reaktivem Stickstoff aus fossilen Quellen und dessen schädliche Auswirkungen auf Gesundheit und Biodiversität reduziert, aber auch sein kühlender Effekt entfällt. Die Forschenden erwarten daher für diese Klimaschutzszenarien einen leicht erwärmenden Beitrag des gesamten Stickstoffs, der aber weit geringer ist als die Erwärmung aus dem ungebremsten Verbrauch fossiler Energieträger.

«Die Studie unterstreicht die Dringlichkeit, die Emissionen aus fossilen Energieträgern endlich zu stoppen und Düngemittel gezielter einzusetzen. Das würde nicht nur die globale Klimaerwärmung verlangsamen, sondern auch die Belastung durch gesundheitsschädliche Ozon- und Feinstaubkonzentrationen für uns alle auf dem Land und in der Stadt verringern», so Joos abschliessend.

Publikation:
Gong C., H. Tian, H. Liao, N. Pan, S. Pan, A. Ito, A. K. Jain, S. K.-Giesbrecht, F. Joos, Q. Sun, H. Shi, N. Vuichard, Q. Zhu, C. Peng, F. Maggi, F. H. M. Tang, and S. Zaehle, Global net climate effects of anthropogenic reactive nitrogen, Nature, 24. Juli 2024
DOI: 10.1038/s41586-024-07714-4
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07714-4
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07714-4.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: ETH Zürich 15. Juli 2024.

15. Juli 2024 – Forschende der ETH Zürich haben in der bislang umfassendsten Modellierung – sowie mit KI-Methoden – zum ersten Mal die verschiedenen Ursachen der langfristigen Polbewegung vollständig erklären können. Ihr Modell und ihre Beobachtungen zeigen, dass Klimawandel und Erderwärmung einen grösseren Einfluss auf die Drehgeschwindigkeit der Erde haben als die Wirkung des Mondes, der seit Milliarden von Jahren die Zunahme der Tageslänge bestimmt.

Durch den Klimawandel schmelzen die Eismassen in Grönland und der Antarktis. Das Wasser aus den Polgegenden fliesst in die globalen Ozeane und vor allem auch in den Äquatorbereich. «Das heisst, es findet eine Massenverlagerung statt, und diese wirkt sich auf die Erdrotation aus», erklärt Benedikt Soja, Professor für Weltraumgeodäsie am Departement Bau, Umwelt und Geomatik der ETH Zürich.

«Man kann sich das so vorstellen, wie wenn eine Eiskunstläuferin bei einer Pirouette die Arme zuerst am Körper hält und dann ausstreckt.» Die anfänglich schnelle Drehung wird dadurch langsamer, weil die Massen sich von der Drehachse entfernen und die physikalische Trägheit zunimmt. In der Physik spricht man vom Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses, dem auch die Erdrotationsbewegung gehorcht. Dreht sich die Erde langsamer, werden die Tage länger. Der Klimawandel verändert somit auch die Tageslänge auf der Erde, wenn auch nur minimal.

Unterstützt von der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA haben ETH-Forschende aus Sojas Gruppe zwei aktuelle Studien in den Zeitschriften «Nature Geoscience» und «Proceedings of the National Academy of Sciences» (PNAS) veröffentlicht, wie sich der Klimawandel auf die Polbewegung und die Tageslänge auswirkt.

Klimawandel übertrifft den Einfluss des Mondes
In der PNAS-Studie zeigen die ETH-Forschenden, dass sich durch den Klimawandel auch die Tageslänge von derzeit rund 86400 Sekunden um einige Millisekunden erhöht. Denn Wasser fliesst von den Polen in niedrigere Breiten und verlangsamt dadurch die Rotationsgeschwindigkeit.

Eine andere Ursache für diese Verlangsamung ist die Gezeitenreibung, die vom Mond ausgelöst wird. Die neue Studie kommt dabei zu einem überraschenden Ergebnis: Wenn die Menschen weiterhin mehr Treibhausgase ausstossen, und sich die Erde dementsprechend erwärmt, hätte dies letztendlich einen grösseren Einfluss auf die Drehgeschwindigkeit der Erde als die Wirkung des Mondes, der seit Milliarden von Jahren die Zunahme der Tageslänge bestimmt. «Wir Menschen haben einen grösseren Einfluss auf unsere Erde als wir denken», schliesst Benedikt Soja, «und daraus resultiert natürlich auch eine grosse Verantwortung für die Zukunft unseres Planeten.»

Die Drehachse der Erde verschiebt sich
Die durch die Eisschmelze bedingten Massenverlagerungen auf der Erdoberfläche und im Erdinnern verändern aber nicht nur die Rotationsgeschwindigkeit und die Tageslänge der Erde: Wie die Forschenden in «Nature Geoscience» zeigen, verschieben sie auch die Rotationsachse. Das heisst, die Punkte, wo die Drehachse konkret auf die Erdoberfläche trifft, wandern. Diese Polbewegung können die Forschenden beobachten. Längerfristig liegt sie im Bereich von etwa zehn Meter pro hundert Jahre. Dabei spielen nicht nur das Abschmelzen der Eisschilde eine Rolle, sondern auch Bewegungen, die im Innern der Erde stattfinden. So kommt es tief im Erdmantel, in dem das Gestein durch den hohen Druck zähflüssig wird, über längere Zeiträume zu Verlagerungen. Und auch im äusseren Erdkern, der aus flüssigem Metall besteht, gibt es Wärmeströmungen, die einerseits das Erdmagnetfeld erzeugen, aber auch zu Massenverschiebungen führen.

Benedikt Soja und sein Team haben nun in der bisher umfassendsten Modellierung aufgezeigt, wie sich die Polbewegung aus den einzelnen Prozessen im Kern, im Mantel und durch das Klima an der Oberfläche ergeben. Ihre Studie ist jetzt in der Zeitschrift «Nature Geoscience» erschienen: «Wir präsentieren zum ersten Mal eine vollständige Erklärung für die Ursachen der langperiodischen Polbewegung», sagt Mostafa Kiani Shahvandi, Doktorand von Soja und Erstautor der Studie: «Wir wissen also jetzt, warum und wie die Rotationsachse der Erde relativ zur Erdkruste wandert.»

Eine Erkenntnis sticht in ihrer «Nature Geoscience»-Studie besonders heraus: dass die Prozesse auf und in der Erde miteinander verbunden sind und sich gegenseitig beeinflussen. «Der Klimawandel verursacht eine Bewegung der Erdrotationsachse und es scheint, dass sich durch die Rückkopplung der Drehimpulserhaltung auch die Dynamik des Erdkerns verändert,» erklärt Soja und Kiani Shahvandi ergänzt: «Der anhaltende Klimawandel könnte sich also sogar auf Prozesse tief im Erdinneren auswirken und weiter reichen als bisher angenommen.» Allerdings bestehe kaum Grund zur Sorge. Denn diese Auswirkungen seien gering und es sei unwahrscheinlich, dass davon eine Gefahr ausgehe.

Physikalische Gesetze kombiniert mit künstlicher Intelligenz
Für ihre Studie zur Polbewegung verwendeten die Forscher so genannte physikinformierte, neuronalen Netze. Das sind neuartige Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI), bei denen sich die Forschenden an physikalischen Gesetzen und Prinzipien orientieren, um besonders leistungsstarke und zuverlässige Algorithmen für maschinelles Lernen zu entwickeln. Unterstützung erhielt Kiani Shahvandi dafür von ETH-Mathematikprofessor Siddhartha Mishra, den die ETH Zürich 2023 mit dem Rössler-Preis, ihrem höchstdotierten Forschungspreis auszeichnete, und der ein Spezialist auf diesem Gebiet ist.

So konnten mit den von Kiani Shahvandi erstellten Algorithmen erstmals alle verschiedenen Effekte an der Oberfläche, im Erdmantel und im Erdkern erfasst und ihre möglichen Interaktionen modelliert werden. Das Ergebnis der Berechnungen zeigt, welche Bewegungen die Erdrotationspole seit 1900 zurückgelegt haben. Diese Modell-Werte stimmen hervorragend überein mit den realen Daten, die in der Vergangenheit astronomische Beobachtungen und in den letzten dreissig Jahren Satelliten geliefert haben, und ermöglichen so auch Prognosen für die Zukunft.

Wichtig für die Raumfahrt
«Auch wenn sich die Erdrotation nur langsam ändert, muss man diesen Effekt bei der Navigation im Weltraum berücksichtigen, beispielsweise wenn eine Raumsonde auf einem anderen Planeten landen will», sagt Soja. Denn auch eine Abweichung von nur einem Zentimeter auf der Erde kann über die riesigen Distanzen zu einer Abweichung von hunderten von Metern anwachsen. «Die Landung in einem bestimmten Krater auf dem Mars würde dann nicht klappen», sagt der Wissenschaftler.

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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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Quelle: DLR 1. Juli 2024.

1. Juli 2024 – Wasser ist für die Existenz von Leben auf der Erde eine unerlässliche Voraussetzung. Allerdings ist es keine Selbstverständlichkeit, dass auf unserem Heimatplaneten Wasser vorhanden ist. Doch Millionen von Asteroidenbruchstücken aus weit von der Sonne entfernten Zonen des Sonnensystems dürften eine beträchtliche Menge des Wassers unserer Ozeane auf die Erde gebracht haben. Eine Studie zeigt nun, dass dies nur möglich war, weil sich wasserreiche Urbausteine des Sonnensystems später, langsamer und bei tieferen Temperaturen bildeten. Planetesimale weiter innen im Sonnensystem konnten kein oder kaum Wasser oder Eis enthalten, da sie schneller und bei höheren Temperaturen entstanden. Dass die Erde kein trockener Planet blieb, haben wir also den spät und weit entfernt von der Sonne entstandenen Planetesimalen zu verdanken. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) war an der Studie beteiligt, die nun im Wissenschaftsmagazin Scientific Reports (Nature Portfolio) veröffentlichten wurde.

„Wäre es nicht zu dieser Verzögerung bei der Bildung der Planetesimale gekommen, wäre die Erde heute ein knochentrockener Planet“, sagt Erstautor der Studie Dr. Wladimir Neumann vom DLR-Institut für Planetenforschung und dem Institut für Geodäsie der Technischen Universität Berlin. „Vereinfacht gesagt war für die Zusammensetzung der Planetesimale die Entfernung von der Sonne bei ihrer Entstehung entscheidend, welche Bestandteile in ihnen eingebaut wurden.“ Dabei erfolgte die Formung von Planetesimalen weit draußen in der dünner werdenden Scheibe aus Staub und Gas etwas verzögert und langsamer, als im Inneren Sonnensystem, vor allem aber immer wieder aufs Neue. „Die späten Planetesimale wurden nicht so heiß und verloren deshalb nicht das in ihnen enthaltene Wasser. Später gelangten viele dieser wasserreichen Planetesimale ins innere Sonnensystem und dürften damit der Erde große Mengen an Wasser gebracht haben.“ So könnte auch der äußere Nachbarplanet Mars zu dem Wasser gekommen sein, das er zwar inzwischen fast vollkommen wieder verloren hat, dessen Spuren wir aber heute noch sehen. Auch für die Venus wird diskutiert, dass sie in ihrer Frühzeit einige hundert Millionen Jahre lang Wasser gehabt haben könnte.

Die Urbausteine der Planeten entstanden in nur wenigen Millionen Jahren
Für astronomische Verhältnisse ging in den frühesten Zeiten des Sonnensystems alles sehr schnell. Nach der Explosion zweier oder mehr „ausgebrannter“ Sterne in einem der Spiralarme der Milchstraße, unserer Heimatgalaxie, verdichteten sich die Gase dieser Supernovae-Reste, um einen neuen Stern zu bilden. Vor viereinhalb Milliarden Jahren hatte er so viel Masse angesammelt, dass in seinem Inneren Wasserstoffatome zu Helium verschmelzen konnten und dabei Energie erzeugt wurde: Die Sonne war entstanden. Sie wurde umkreist von einer Milliarden Kilometer weit ins All reichenden Akkretionsscheibe aus Staub und Gas, den Resten dieses Prozesses.

Dort entstanden die Urbausteine der Planeten. Meteorite, Bruchstücke von Mutterkörpern, die sich damals bildeten, legen davon Zeugnis ab. Die meisten Meteorite sind Chondrite, etwa 86 Prozent. Die Chondren, Kügelchen, entstanden innerhalb weniger Millionen Jahre in dieser protoplanetaren Scheibe, indem blitzartig erhitztes und geschmolzenes Material Tropfen formte. Sie erstarrten und ballten sich dann zusammen mit Staub und Gasen, darunter auch Wasser, zu größeren Körpern zusammen, den Planetesimalen. Es waren die Urbausteine der Planeten, aus denen diese in kaum zehn Millionen Jahren entstanden. Vor rund viereinhalb Milliarden Jahren war die Planetenentstehung also schon relativ kurz nach dem „Zünden“ der Sonne vor 4,567 Milliarden Jahren abgeschlossen. Weil aber noch unzählige kleine Körper übrigblieben, waren es sehr unruhige Zeiten im Sonnensystem mit noch viel häufigeren Einschlägen von Asteroiden und Kometen auf den jungen Planeten. Insbesondere Asteroiden aus der äußeren Zone des Hauptgürtels zwischen Mars und Jupiter, die jenseits einer als „Schneegrenze“ bezeichneten Sonnenentfernung entstanden sind, dürften der Erde große Anteile ihres Wassers geliefert haben. Unklar war, wie das Wasser in die Planetesimale kam.

Meteoriten und Asteroiden spiegeln die Frühzeit des Sonnensystems wider
Woher das Wasser auf der Erde stammt, ist seit langem Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen. Ein beträchtlicher Teil dürfte aus dem Erdinneren stammen und von Vulkanen in die Atmosphäre geblasen worden sein und dann als Regen die ersten Ozeane teilweise gefüllt haben. Das dürfte aber nicht die einzige Quelle von Wasser sein. Kam also noch Wasser von außerhalb hinzu?

Bisher wurde angenommen, dass die Akkretionsprozesse näher an der Sonne schneller abliefen, als fern von ihr, nicht zuletzt, weil eine höhere Materialdichte der Scheibe das Wachstum begünstigte. Infrage gestellt wurde diese These durch die Entdeckung von Meteoriten, deren Mutterkörper schon weiter entwickelt waren, die aber in ihrer geochemischen Signatur identische Isotopenverhältnisse haben, wie Meteorite von undifferenzierten Mutterkörpern aus dem äußeren Teil des Sonnensystems (Isotope sind Atome eines chemischen Elements mit unterschiedlicher Anzahl von Neutronen). In der nun veröffentlichten Arbeit wird dafür eine Erklärung gegeben: Im äußeren Teil der protoplanetaren Scheibe existierte eine Region, in der es während ihrer gesamten „Lebenszeit“, also vom Zeitpunkt Null, bis in weniger als vier Millionen Jahren immer wieder zur Entstehung von Planetesimalen kam.

„Wir können das durch die Herleitung der Entstehungszeiten der Mutterkörper der Meteorite zeigen“, so Wladimir Neumann. „Die Herleitung erfolgte durch die Kombination von Modellen der thermischen Entwicklung mit den gemessenen thermo-chronologischen Daten der Meteorite“. Seit gut 20 Jahren versucht die Wissenschaft in ihren Überlegungen zur Akkretion zwei große Probleme zu überwinden. Zum einen haben Modelle und Laboruntersuchungen gezeigt, dass Staubverklumpungen durch Zusammenstöße nicht über eine Größe von einem Meter anwachsen können, was als „ein-Meter-Barriere“ bezeichnet wird. Die Dynamik der Strömungen solcher Staubklumpen in Richtung Scheibeninneres oder Zerschlagung durch Zusammenstöße bei hohen Geschwindigkeiten verhindern ein weiteres Anwachsen. So können also keine Planetesimale entstehen.

Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich durch Scheibenmodelle, in denen die Existenz von Hochdruckgebieten vorhergesagt wird. Diese müssen wie Fallen für die Staubteilchen wirken und Gebiete darstellen, die groß genug sind, dass sie sich nicht auflösen und dort Materie quasi auf der Stelle zu Planetesimalen kollabiert. Das passierte überall in der Akkretionsscheibe und lief in circa 100.000 Jahren ab. Aber es bedeutete auch, dass die in diesen Teilchenfallen gebildeten Planetesimale wegen des radioaktiven Zerfalls des Aluminiumisotops 26 zu heiß wurden, als dass sie Wasser an sich hätten binden können. Später gebildete Planetesimale hatten signifikant weniger ²⁶Al und konnten deshalb nicht mehr so heiß werden.

Mit mehr Zeit entstandene Asteroidenmutterkörper werden für Wasser nicht zu heiß
Wie also konnten sich dann doch Mutterkörper von Meteoriten bilden, die kalt genug waren, das leichtflüchtige Wassermolekül nicht zu verlieren? Den Schlüssel zur Beantwortung dieser Frage fanden Wladimir Neumann und seine Mitautoren vom Institut für Geowissenschaften der Universität Heidelberg, der Universität Bayreuth und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich in der Untersuchung einiger kohlenstoffreicher Meteorite, deren Mutterkörper fern der Sonne entstanden sein mussten.

Darunter befand sich auch der 25 Gramm schwere „Flensburg-Meteorit“, der am 12. September 2019 vom Himmel gefallen war. Er enthält Minerale, die allesamt nur in Verbindung mit Wasser kristallisieren konnten und dessen Mutterkörper 2,7 Millionen Jahre nach der Entstehung der Akkretionsscheibe, also nach dem Zeitpunkt Null entstanden ist. Untersucht wurden auch die Gruppe Tafassite, also Meteorite, die deutlich jünger waren als Funde von Mutterkörpern, die nur besagte hunderttausend Jahre zur Bildung benötigten. Ebenso wurden Meteorite analysiert, deren Mutterkörper ein Alter von 3,7 Millionen Jahren nach Zeitpunkt Null haben.

Diese Untersuchungen lassen den Rückschluss zu, dass die beiden geschilderten Mechanismen gegeneinander gerichtete Effekte hatten – das Einwärtsdriften in der Scheibe, das die Planetesimale nicht entstehen lässt und die Entstehung von Hochdruckgebieten mit Teilchenfallen, in denen die Planetesimale eigentlich früh und schnell entstehen sollten. Und dies sogar in variablen Verhältnissen zu unterschiedlichen Zeiten und in unterschiedlichen Zonen des äußeren Sonnensystems. So verhindern die Hochdruckgebiete den kompletten Verlust von Material. Aber das trotzdem geschehene teilweise Wegdriften verhinderte, dass das gesamte Material durch Kollaps sehr früh in Planetesimale eingebaut wurde, sich erhitzte und dadurch das Wasser ausgetrieben worden wäre. Dadurch war dann später noch bis zu einer Zeit von etwa vier Millionen Jahren nach Entstehung der planetenbildenden Akkretionsscheibe genug Material vorhanden, um Planetesimale zu bilden, die das Wasser nicht ausgasen würden. Dies dürfte für die „Belieferung“ der Erde mit Wasser, wenn auch erst einige hunderte Millionen Jahre später, gesorgt haben. Ein Glücksfall für die Erde beziehungswiese die daraus hervorgehende Entstehung von Leben.

Publikation:
Recurrent planetesimal formation in an outer part of the early solar system
https://www.nature.com/articles/s41598-024-63768-4
pdf: https://www.nature.com/articles/s41598-024-63768-4.pdf

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• Planet Erde

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Quelle: Universität Leipzig 20. Juni 2024.

20. Juni 2024 – Eine Forschergruppe um Prof. Dr. Johannes Quaas von der Universität Leipzig sowie Hao Luo und Prof. Yong Han von der Sun-Yat-sen Universität in China hat herausgefunden, dass die Wolkendecke zunehmend asymmetrische Veränderungen zeigt: Sie nimmt tagsüber stärker ab als nachts. Diese Asymmetrie führt dazu, dass die kühlende Wirkung der Wolken tagsüber abnimmt und die wärmende Wirkung nachts zunimmt, was die globale Erwärmung verstärkt. Ihre neuen Erkenntnisse haben die Forschenden gerade in dem renommierten Fachjournal „Science Advances“ veröffentlicht.

Wolken: Mehr als nur Wettergeschehen
Tagsüber reflektieren Wolken das Sonnenlicht zurück in den Weltraum und kühlen dadurch die Erdoberfläche. Nachts hingegen wirken sie wie eine Decke, die die Wärme zurückhält. Dadurch bleibt die Erdoberfläche warm. „Aus diesem Grund haben Wolken einen entscheidenden Einfluss auf das Klima auf der Erde“, sagt der Meteorologe Quaas.

In ihrer Untersuchung nutzten die Wissenschaftler:innen Satellitenbeobachtungen sowie Daten aus der sechsten Phase des Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6), das umfassende Klimamodelle und Szenarien zur Verfügung stellt. Diese Modelle decken historische Daten von 1970 bis 2014 sowie Projektionen bis zum Jahr 2100 ab.

„Da die Wolkendecke im globalen Maßstab tagsüber stärker abnimmt als nachts, führt das am Tag zu einer Verringerung des kurzwelligen Albedoeffekts und zu einer Verstärkung des langwelligen Treibhauseffekts in der Nacht“, erklärt Hao Luo, der Erstautor der Studie.

Klimamodelle und ihre Bedeutung
Klimamodelle sind unerlässlich, um die komplexen Prozesse und Wechselwirkungen innerhalb des Klimasystems zu verstehen und vorherzusagen. Sie helfen Wissenschaftler:innen, mögliche zukünftige Szenarien zu entwickeln und die Auswirkungen verschiedener Faktoren wie Treibhausgase, Aerosole und Wolken auf das Klima zu analysieren.

Johannes Quaas von der Universität Leipzig betont: „Die Asymmetrie der Änderung der Wolkenbedeckung ist ein wichtiger Faktor, der hier neu entdeckt wurde. Unsere Studie zeigt, dass diese Asymmetrie zu einer positiven Rückkopplung führt, die die globale Erwärmung verstärkt.“ Wolken, so der Forscher, ändern sich demnach durch den Klimawandel. Insgesamt gebe es etwas weniger Wolken, was eine zusätzliche Erwärmung der Erde bedeute.

Die Mechanismen hinter der Asymmetrie
Diese tägliche Asymmetrie der Wolkenbedeckung lässt sich auf verschiedene Faktoren zurückführen. Eine Hauptursache ist die zunehmende Stabilität in der unteren Troposphäre, die durch steigende Treibhausgaskonzentrationen verursacht wird. Diese Stabilität führt dazu, dass sich Wolken tagsüber weniger leicht bilden können, während sie nachts stabil bleiben oder sogar zunehmen.

Yong Han, Co-Autor der Studie, erläutert: „Die Veränderung der Wolkendecke ist nicht gleichmäßig über den Tag verteilt. Tagsüber, wenn die Sonneneinstrahlung am stärksten ist, haben wir eine größere Abnahme der Wolken beobachtet. Nachts, wenn die Erdoberfläche normalerweise abkühlt, hält die Wolkendecke die Wärme zurück und verstärkt dadurch den Treibhauseffekt.“

Ein Blick in die Zukunft
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Reduktion von Treibhausgasen noch dringlicher ist, da die Wolkenbedeckung nicht nur einfach auf die Erwärmung reagiert, sondern diese über den neuen Effekt noch weiter verstärkt“, warnt Johannes Quaas. Weitere Studien sind nach Ansicht der Wissenschaftler:innen notwendig, um Änderungen der Wolkenbedeckung besser zu verstehen. Auch Änderungen beispielsweise von Vegetation und ihrer Biodiversität stehen im Fokus der an der Universität Leipzig laufenden Studien, ebenso wie die Rolle der abnehmenden Luftverschmutzung.

Originalpublikation:
„Diurnally asymmetric cloud cover trends amplify greenhouse warming“, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado5179

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• Klimawandel

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Quelle: GFZ 13. Juni 2024.

13. Juni 2024 – Mittlerweile planen die US-Weltraumbehörde NASA, die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut), und das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ die dritte Generation, weil die Messungen völlig neue Einblicke in das System Erde und vor allem in den globalen Wasserkreislauf ermöglicht haben.

Hochrangige Delegation aus den USA besucht Deutschland
Auf Einladung der Koordinatorin der Bundesregierung für die Luft- und Raumfahrt, Dr. Anna Christmann, war eine hochrangige US-Delegation anlässlich der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung ILA (5.-9. Juni) ins Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) nach Berlin gekommen. Der geschäftsführende Sekretär des Nationalen Weltraumrates der USA, Chirag Parikh, führte die Delegation an. In einem eigenen Panel stellten Forschende des Jet Propulsion Laboratory der NASA und des GFZ den Teilnehmenden des Raumfahrtdialogs das Messprinzip und die wissenschaftlichen Erfolge der Missionen GRACE (2002 bis 2017) und GRACE Follow-On (seit 2018 im All) vor. GRACE-C soll voraussichtlich 2028 starten, das C steht für Continuity.

Wie Wassermassen vom Weltall aus gemessen werden
GRACE misst Massenveränderungen auf und in der Erde, indem es deren Effekt auf ein Satelliten-Duo aufzeichnet, das mit 220 Kilometer Abstand (das entspricht in etwa der Entfernung von Berlin und Jena) hintereinander unseren Planeten in rund 500 Kilometer Höhe umkreist. Wird ein Satellit schneller, weil er als erstes auf ein massereiches Objekt zufliegt, vergrößert sich der Abstand um Bruchteile einer Haaresbreite. Mittels Mikrowellen und seit GRACE Follow-On auch per Laser-Interferometrie können diese Abstandsänderungen gemessen werden. Hinzu kommen GPS-Empfänger an Bord sowie Beschleunigungsmesser, um einerseits die Position der Satelliten zu bestimmen und andererseits Bremseffekte zu erkennen, die etwa durch Reibung an atmosphärischen Teilchen entstehen.

Aus all diesen Daten errechnen die Forschenden monatliche Karten der globalen Änderungen der Erdanziehungskraft und der dazugehörigen Massenveränderungen. Diese beinhalten Variationen im Grundwasser, der Bodenfeuchte, von Oberflächengewässern oder Schnee- und Eisbedeckung. Mit Hilfe von komplementären Beobachtungen oder Modelldaten lassen sich so aus GRACE-Daten einzigartig beispielsweise Grundwasserveränderungen global und auf monatlicher Basis ableiten.

Lange Zeitreihen sind essenziell
Die Messungen seit mehr als 22 Jahren zeigen zum Beispiel für Grönland einen dramatischen Verlust an Eismasse: mehr als 250 Milliarden Tonnen jedes Jahr. Aber auch Deutschland hat in den vergangenen zwei Jahrzehnten Wassermasse verloren. Trotz des nassen Jahres 2023 fehlen nach den schweren Dürrejahren seit 2018 immer noch rund 10 Milliarden Tonnen im Gesamtwasserspeicher.

Für die Raumfahrtkoordinatorin der Bundesregierung ist GRACE-C „ein Schlüsselprojekt“. Anna Christmann sagte: „Wir brauchen Langzeitstudien, um das Klima zu verstehen. Die Datensammlung zum globalen Wasserhaushalt der Erde, die durch die GRACE-Satelliten seit über 20 Jahren erzeugt wird, ist daher von enormer Bedeutung. GRACE-C ist deshalb auch ein wichtiges Schlüsselprojekt der neuen Raumfahrtstrategie der Bundesregierung, da es in den Handlungsfeldern Klimaschutz und internationale Zusammenarbeit große Beiträge zur Umsetzung der Ziele leistet. Die Mission ist ein absolutes Leuchtturmprojekt.“

Auch Susanne Buiter, wissenschaftliche Vorständin des GFZ, betonte die Bedeutung der langen Zeitreihen: Ziel sei es, mit dem Start von GRACE-C voraussichtlich im Jahr 2028 dann eine Klimaperiode von insgesamt 30 Jahren erfassen zu können. Sie lenkte den Blick noch einmal auf das revolutionäre Messprinzip und dessen Geschichte, die auch mit dem ersten Satelliten des GFZ verbunden sei. GFZ-1 war 1995 von der russischen Raumstation „Mir“ aus ins All gebracht worden und kreiste fünf Jahre lang so tief um die Erde, dass die Auswirkungen des Schwerefelds deutlich messbar seine Bahn beeinflussten. „Dass wir aus Schwerefelddaten einmal die Folgen der Erderwärmung und insbesondere Veränderungen im globalen Wasserkreislauf wie Dürren, Grundwasservariationen oder Eismassenverluste so genau würden bestimmen können, war damals kaum zu glauben. Und heute blicken wir auf mehr als zwei Jahrzehnte mit monatlichen Schwerefeldkarten zurück“, sagte Susanne Buiter.

Dr. Jens Brandenburg, Parlamentarischer Staatssekretär im BMBF, hob bei der gemeinsamen Pressekonferenz hervor, dass die Forschung weltweit von den gewonnenen Daten profitiere: „GRACE und GRACE-FO gehören zu den am häufigsten zitierten Missionen in den Berichten des Weltklimarates IPCC. Tausende von wissenschaftlichen Publikationen basieren auf den Daten der beiden Satelliten-Duos. Dies unterstreicht die herausragende internationale Vernetzung der deutschen Erdsystemforschung und die hohe Bedeutung der GRACE-Missionen. So können durch den Klimawandel bedingte Veränderungen dokumentiert und mit mehrjährigem Vorlauf Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung geplant werden.“

Dr. Walther Pelzer, Vorstand der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, lenkte den Blick auf die deutsch-amerikanische Kooperation. Die Partnerschaft zwischen dem Jet Propulsion Laboratory der NASA und den deutschen Partnern „ist ein Zeichen für die Qualität der Raumfahrtindustrie und -wissenschaft in Deutschland“, so Pelzer.

Hintergrund zu GRACE-C
Der deutsche Beitrag wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unter Beteiligung des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ) in Potsdam und des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover umgesetzt. Gebaut werden die beiden Satelliten im Auftrag des NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) bei Airbus in Friedrichshafen.

Herzstück der GRACE-C-Mission ist dabei die präzise Messung von winzigen Abstandsabweichungen zwischen den beiden Satelliten auf ihrem Weg um unsere Erde. Bei GRACE-C wird diese Entfernung mittels Laser-Interferometrie bestimmt. Wichtige Teile des Instruments kommen dabei von der SpaceTech GmbH in Immenstaad (STI), unterstützt vom Albert-Einstein-Institut in Hannover im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR.

Das GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam wird für den Aufbau und die Durchführung der wissenschaftlichen Auswertungen im sogenannten Science Data System (SDS) auf deutscher Seite zuständig sein. In der Betriebsphase nach dem Start der beiden Satelliten wird das GFZ für den operationellen Betrieb, also die permanente Überwachung und Steuerung der Instrumente und der Satelliten von GRACE-C, verantwortlich sein. Wie bereits bei GRACE und GRACE-FO werden auch die beiden GRACE-C Satelliten, im Auftrag des GFZ, nach dem Start durch das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum im DLR (GSOC) in Oberpfaffenhofen gesteuert.

Weitere Informationen zu den GRACE-Satellitenmissionen stellen wir Ihnen über unser neues Informationsportal bereit:
www.globalwaterstorage.info

Insbesondere werden hier die relevanten Informationen zur globalen Wasserverfügbarkeit gebündelt, deren Grundlage die Daten der GFZ/NASA-Satellitenmissionen GRACE und GRACE-FO sind.
In anschaulich dargestellten Artikeln und Blogbeiträgen beschreiben die Wissenschaftler:innen viel Wissenswertes rund um das einzigartige Messprinzip, und stellen wichtige Forschungsergebnisse über ausgewählte Karten, Grafiken oder Animationen dar.

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• GRACE-C

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Quelle: Karlsruher Institut für Technologie 4. Juni 2024.

4. Juni 2024 – Grundwasser bildet das größte ungefrorene Süßwasserreservoir der Welt und ist für das Leben auf der Erde von entscheidender Bedeutung. Wie sich die globale Erwärmung auf dessen Temperatur auswirkt und was das für Mensch und Natur bedeutet, haben Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) jetzt untersucht. Die Studie zeigt, dass bis zum Jahr 2100 voraussichtlich mehr als 75 Millionen Menschen in Gebieten leben werden, in denen das Grundwasser den höchsten von einem Land festgelegten Grenzwert für die Trinkwassertemperatur überschreitet. Ihre Ergebnisse sind in Nature Geoscience veröffentlicht. (DOI: 10.1038/s41561-024-01453-x)

Das Klimasystem erwärmt sich. Grund dafür ist die erhöhte Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre, welche die Wärmeabstrahlung einschränken. Einen großen Teil dieser Wärme nehmen die Ozeane auf, aber auch Böden und das Grundwasser wirken als Wärmesenken. Bisher ist jedoch wenig darüber bekannt, wie sich diese Erwärmung der Erdoberfläche räumlich und zeitlich auf das Grundwasser auswirkt. „Um die Lücke zu schließen, haben wir die prognostizierten Veränderungen der Grundwassertemperatur bis zum Jahr 2100 auf globaler Ebene dargestellt“, sagt Dr. Susanne Benz vom Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (IPF) des KIT, welche die Studie gemeinsam mit Dr. Kathrin Menberg und Professor Philipp Blum vom Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW) des KIT erstellt hat. „Wir stellen globale Temperaturkarten für Grundwasser in verschiedenen Tiefen unter der Erdoberfläche zur Verfügung. Diese zeigen, dass an Orten mit flachem Grundwasserspiegel und/oder hoher atmosphärischer Erwärmung weltweit die höchsten Grundwassererwärmungsraten zu erwarten sind.“

Die Forschenden beziehen sich auf die Klimaszenarien „SSP2-4.5“ und „SSP5-8.5“. Solche Szenarien beschreiben verschiedene sozioökonomische Entwicklungen sowie unterschiedliche Verläufe des atmosphärischen Treibhausgasgehalts in der Zukunft. SSP2-4.5 stellt dabei etwa die Mitte der möglichen zukünftigen Treibhausgasentwicklungen dar, SSP5-8.5 den oberen Rand.

Millionen Menschen von zu warmem Trinkwasser betroffen
Die Studie zeigt, dass die Grundwassertemperaturen bis zum Jahr 2100 um 2,1 Grad Celsius nach SSP2-4.5 und um 3,5 Grad Celsius nach SSP5-8.5 ansteigen werden. „Schon heute leben rund 30 Millionen Menschen in Gebieten, in denen das Grundwasser wärmer ist, als die strengsten Richtlinien für Trinkwasser vorgeben. Das bedeutet, dass das Wasser dort nicht bedenkenlos direkt getrunken werden kann, sondern zum Beispiel abgekocht werden muss. Denn auch das Trinkwasser in den Wasserleitungen wird durch die Wärme im Boden aufgeheizt“, so die Wissenschaftlerin. „Je nach Klimaszenario werden bis zum Jahr 2100 bis zu mehrere Hundert Millionen Menschen betroffen sein.“ Nach SSP2-4.5 steige die Zahl auf 77 bis 188 Millionen Menschen, nach SSP5-8.5 auf 59 bis 588 Millionen an, so die Studie. Die starken Schwankungen hängen mit der räumlichen Variabilität des Klimawandels und der Bevölkerungsentwicklung zusammen. Die geringsten Erwärmungsraten prognostizieren die Forschenden für Gebirgsregionen mit tief liegendem Grundwasserspiegel wie die Anden oder die Rocky Mountains.

Temperaturänderungen beeinflussen Ökosysteme
Die Temperatur des Grundwassers spielt eine entscheidende Rolle für die Wasserqualität. Sie beeinflusst eine Vielzahl chemischer, biologischer und physikalischer Prozesse. „Wenn die Bedingungen stimmen, können steigende Grundwassertemperaturen indirekt dazu führen, dass sich schädliche Stoffe wie Arsen oder Mangan im Grundwasser anreichern. Diese erhöhten Konzentrationen können sich negativ auf die menschliche Gesundheit auswirken, insbesondere wenn das Grundwasser als Trinkwasserquelle genutzt wird“, sagt Benz. Zudem beeinflusse wärmeres Grundwasser den Temperaturhaushalt von Flüssen, grundwasserabhängige Ökosysteme, aquatische biogeochemische Prozesse und das geothermische Potenzial. Dies stelle eine Herausforderung für die biologische Vielfalt dar und berge das Risiko, dass Kohlenstoff- und Nährstoffkreisläufe gestört werden.

Darüber hinaus können die erhöhten Temperaturen im oberflächennahen Boden und im Grundwasser kritische Schwellenwerte in den Wasserverteilungsnetzen überschreiten. Dies könnte gesundheitliche Folgen haben, beispielsweise durch das Wachstum von Krankheitserregern wie Legionella spp. Auch Fischarten, insbesondere der Lachs, sind von den veränderten Bedingungen betroffen. Laichplätze in Flüssen, die auf das Grundwasser angewiesen sind, könnten durch die Erwärmung zu warm werden und so die Fortpflanzung gefährden. „Unsere Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, Maßnahmen zum Schutz der Grundwasserressourcen zu ergreifen und nachhaltige Lösungen zu finden, um den negativen Auswirkungen des Klimawandels auf das Grundwasser entgegenzuwirken“, appelliert Benz.

Details zum KIT-Zentrum Klima und Umwelt
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

Originalpublikation
Susanne A. Benz, Dylan J. Irvine, Gabriel C. Rau, Peter Bayer, Kathrin Menberg,
Philipp Blum, Rob C. Jamieson, Christian Griebler, Barret L. Kurylyk: Global groundwater warming. Nature Geoscience, 2024.
DOI: 10.1038/s41561-024-01453-x
https://www.nature.com/articles/s41561-024-01453-x
pdf: https://www.nature.com/articles/s41561-024-01453-x.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL 4. Juni 2024.

4. Juni 2024 – Francesca Carletti holt mit dem Hammer aus. Immer tiefer treibt sie die Wasserwertsonde in den Schnee, um das Schneewasseräquivalent (SWE, siehe Kasten) zu bestimmen. Dies ist nur ein Teil der vielen Daten, die sie an diesem sonnigen Märztag auf dem Versuchsfeld Weissfluhjoch bei Davos misst. Ihr Ziel: eine Strategie zu entwickeln, die den Beginn und die Menge der Schneeschmelze genauer anzeigt. Angesichts des Klimawandels werde dies immer wichtiger, erklärt die Doktorandin am WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF: «Derzeit wird der Höhepunkt der Schmelze je nach Modell oft für einen zu frühen oder zu späten Zeitpunkt vorhergesagt.»

Genauere Angaben zum Beginn der Schneeschmelze und der zu erwartenden Menge Wasser sind wichtig, um Infrastrukturen zu schützen und menschliche Aktivitäten zu planen. Auch Teile der Wirtschaft profitieren, beispielsweise Stromerzeuger und der Agrarsektor. «Es hilft zudem bei der Hochwasserwarnung und ebenso, die Bedingungen für Nassschneelawinen zu ermitteln», ergänzt die Wissenschafterin.

Um ihr Ziel zu erreichen, graben Carletti und ihre Kollegen Löcher und messen darin die Eigenschaften des Schnees. Ist der Schnee trocken, genügt ein solches Profil pro Woche. Ist er nass, graben und messen sie bis zu dreimal pro Woche. An diesem Tag im März halfen Francesca zwei Mitarbeitende aus anderen Forschungsgruppen des SLF. Zu dritt verbrachten sie zwei Stunden damit, zweieinhalb Meter tief zu graben. Dabei bewegten sie fast zwei Tonnen Schnee – und müssen diese Massen wieder in das Loch werfen, wenn Carletti fertig gemessen hat.

Sie geht einem Phänomen nach zwischen der Feuchtigkeit des Schnees und den Radarwellen, die dieser an den Satelliten Sentinel-1 reflektiert. Der Satellit sendet Radarwellen aus seiner Umlaufbahn zur Erdoberfläche und misst, wie viel davon zurückkommt. Etwa zweimal alle fünf Tage überfliegt er das Versuchsfeld Weissfluhjoch. Schon länger ist ein direkter Zusammenhang bekannt: Wird der Schnee nass, nimmt die Intensität der reflektierten Wellen ab. Noch vergleichsweise neu ist die Theorie, dass sie ihren tiefsten Punkt genau dann erreicht, wenn der Gehalt an flüssigem Wasser im Schnee (Liquid Water Content, LWC, siehe Kasten) am höchsten ist. Das Wasser beginnt dann, in Bäche, Flüsse und Seen abzufliessen. «Wir wollen diesen Zusammenhang nachweisen», erklärt Carletti. Gelingt ihr das, könnten die Satellitendaten in Zukunft dazu dienen, Wasserressourcen einzuschätzen, nicht nur für die Schweiz, sondern weltweit. Beispielsweise können Betreiber von Wasserkraftwerken auf Basis dieser Daten besser planen, wann sie ihre Rückhaltebecken auffüllen.

Noch steht Carletti allerdings regelmässig in einem tiefen Schneeloch, klettert eine Leiter hoch und runter, steckt mehr als ein Dutzend Thermometer in die Schneewand. Mit einer Präzisionswaage bestimmt sie die Dichte des Schnees und wie sich diese vom oberen Rand ihres Lochs bis zum Boden verändert. Für den LWC verwendet sie eine spezielle Sonde, die Techniker am SLF entwickelt haben und die sie in regelmässigen, vertikalen Abständen in die Schneewand einführt.

Der Winter 2023/24 ist bereits die zweite Saison, in der sie misst – und sie ist zuversichtlich, dass sie den Zusammenhang zwischen Satellitendaten und Prozessen bei der Schneeschmelze nachweisen kann: «Bis jetzt habe ich gute Ergebnisse, was die Übereinstimmung angeht.»

Was ist … das Schneewasseräquivalent (SWE)?
Eine Schneedecke besteht aus zahlreichen Schichten mehr oder weniger stark zusammengepressten (dichten) Schnees. Das Schneewasseräquivalent gibt an, wie hoch eine Wasserschicht nach dem Schmelzen der Schneedecke wäre, angegeben in Millimeter. Jeder Millimeter entspricht einem Liter Wasser pro Quadratmeter Schneedecke. Ein Zentimeter Neuschnee mit einer typischen Dichte von hundert Kilogramm pro Kubikmeter kg/m³ ergibt einen Millimeter Wasser. Ein Beispiel: Mitte April 2024 betrug die mittlere Dichte der Schneedecke auf dem Versuchsfeld Weissfluhjoch 416 Kilogramm pro Kubikmeter, was bei einer Schneehöhe von 2,7 Metern einem Wasserwert von rund 1100 Millimetern beziehungsweise 1100 Liter Wasser pro Quadratmeter entspricht.

Was ist … der Wassergehalt (Liquid Water Content, LWC)?
Schnee besteht aus festem Wasser. In einer Schneedecke kann jedoch gleichzeitig sowohl gefrorenes, festes als auch flüssiges Wasser vorkommen. Der Flüssigwassergehalt (Englisch: Liquid Water Content, kurz LWC) gibt den prozentualen Anteil des flüssigen Wassers in einer Schneedecke an. Bei null Prozent ist der Schnee trocken, eine feuchte Schneedecke kommt auf Werte von bis zu vier Prozent, Nassschnee hat einen Wert um die 20 Prozent.

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• Planet Erde

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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: GFZ 29. Mai 2024.

29. Mai 2024 – Als Ursache für zahlreichere und stärkere Erdbeben sehen die Forschenden den mit dem Klimawandel fortschreitenden Anstieg des Meeresspiegels weltweit, der in der Fachwelt unstrittig ist und jährlich vom Weltklimarat IPCC prognostiziert wird, sowie die zunehmende Stärke von extremen Wetterereignissen wie Stürmen. Beides erhöht den mechanischen Druck im Gefüge tektonischer Platten und führt zu Änderungen in den seismischen Zyklen – mit steigender Erdbebengefahr insbesondere in den Küstenregionen der Welt.

Hintergrund: Entstehung von Erdbeben
Erdbeben entstehen durch das plötzliche, ruckartige Verschieben von Gesteinsmassen im Untergrund. Dabei wird Energie in Form seismischer Wellen freigesetzt, die sich vorher durch die großräumige kontinuierliche Verschiebung und gleichzeitigem Verhaken der Erdplatten über lange Zeiträume aufgestaut hat. Dieser Ladeprozess schreitet solange fort, bis die Festigkeit des Gesteins überschritten wird und das Gestein an irgendeiner Stelle nachgibt, bricht und rutscht. Danach startet der Ladeprozess von neuem und bildet so einen wiederkehrenden Kreislauf von laden und entladen auf sogenannten tektonischen Störungen. Man nennt dies einen seismischen Zyklus. Je nach den geologischen Randbedingungen kann er Jahre, Jahrzehnte oder Jahrhunderte lang sein.

Einfluss des menschengemachten Klimawandels
Durch den menschengemachten Klimawandel und die damit verbundene Erwärmung der Atmosphäre schmilzt das Festlandeis, im Wesentlichen in der Antarktis und auf Grönland. In der Folge steigt weltweit der Meeresspiegel und dieser Prozess beschleunigt sich ständig. Betrug die Rate zwischen 1901 und 1990 noch 1,4 Millimeter pro Jahr, waren es zwischen 1970 und 2015 schon 2,1 und zwischen 2006 und 2015 bis zu 3,6. Gegenüber dem Zeitraum 1986 bis 2000 wird der Meeresspiegel dem IPCC-Bericht 2023 zufolge im Jahr 2100 im Mittel zwischen 0,43 und 0,84 Meter steigen. Bei Abschmelzen allen Landeises sagen Expert:innen langfristig sogar einen Anstieg um etwa 70 Meter voraus. Ob es zu diesem Extrem-Szenario kommen wird, hängt wesentlich von der Einhaltung der Klimaziele und damit der weiteren Emission von Treibhausgasen ab. Fest steht: Auch bei strikter Reduktion werden die oben beschriebenen Effekte noch Jahrhunderte andauern. Hinzu kommt eine wachsende Häufigkeit von Extremwetterereignissen, insbesondere von starken Stürmen.

Steigendes Erdbebenrisiko
Diese Entwicklungen haben auch Auswirkungen auf das Erdbebenrisiko. Denn ein höherer Meeresspiegel bedeutet eine größere Last auf dem Untergrund, die dort zu Drucksteigerungen führt. Das beeinflusst die Erdbebenzyklen an allen von Meerwasser bedeckten und küstennahen Orten der Welt und führt dort zu einem höheren Erdbebenrisiko. Ähnliche Druckänderungen werden auch durch zunehmend stärkere Extremwetterereignisse wie Stürme hervorgerufen.

Prof. Marco Bohnhoff, Leiter der GFZ-Sektion 4.2 „Geomechanik und Wissenschaftliches Bohren“ und Hauptautor der Studie, erläutert: „Bereits Meeresspiegelschwankungen von nur wenigen Dezimetern reichen aus, um Erdbeben auszulösen. Das können wir aus einer Vielzahl von Beobachtungen ableiten, zum einen von menschengemachten, meist harmlosen kleineren Erdbeben, die bei Wasserinjektionen zur Öl-, Gas-, oder Erdwärmeförderung auftreten, aber auch durch Seismizitätsschwankungen, die unter Stauseen und durch Ebbe und Flut verursacht werden.“

Problemregionen: die Küsten der Welt
Die stärkere seismische Gefährdung aufgrund des Klimawandels ist besonders in den Küstenbereichen problematisch. Dort liegen viele kritische Bruchzonen sowie auch Subduktionszonen, bei denen eine Erdplatte unter die die andere taucht. Und dort leben bereits heute 40 Prozent der Weltbevölkerung, zumeist in stark wachsenden Mega-Cities. Bekannte gefährdete Regionen sind zum Beispiel San Francisco und Los Angeles, Istanbul und Tokio-Yokohama, insbesondere aber auch viele wachsende Millionenstädte in Entwicklungsländern. Nicht überall ist die Gefährdungslage gut bekannt, weil die seismischen Zyklen teils länger sind als die Siedlungsgeschichte.

Bohnhoff: „Problematisch ist, dass es weltweit eine große Anzahl von Störungen gibt, die kurz vor dem Ende ihres seismischen Zyklus‘ stehen. Bei diesen reichen dann kleine zusätzliche Spannungen, um quasi die natürliche seismische Uhr vorzustellen und das Gestein bereits früher zum Versagen zu bringen. Dies geschieht durch steigende Meeresspiegel oder auch stärkere Stürme. Nach unseren Berechnungen wird das dann insbesondere küstennahe Bereiche und damit auch Städte und Infrastruktur treffen.“ Allerdings ist heute noch nicht vollständig bekannt, wo überall kritische Störungen liegen.

Dr. Patricia Martínez-Garzón, Arbeitsgruppenleiterin am GFZ und Mitautorin der Studie ergänzt: „Zudem können dann diese Erdbeben auch Sekundäreffekte wie etwa Hangrutschungen und Bodeninstabilitäten durch sogenannte Verflüssigung weicher Böden bewirken und damit die menschengemachten Georisiken zusätzlich verstärken. Diese Thematik klimawandelbedingt auftretender Erdbeben sollte in der nächsten Generation seismischer Gefährdungskarten Berücksichtigung finden.“

Weiterer Forschungsbedarf
Wie sich diese Effekte in den unterschiedlichen Erdbebenzonen der Welt konkret auswirken werden, ist allerdings vielfach noch unzureichend erforscht und von vielfältigen Faktoren abhängig. Dazu gehören die Geometrie der Verwerfungen, die lokalen tektonischen und Druck-Bedingungen sowie die Eigenschaften des Gesteins wie Permeabilität, Festigkeit und Rissausbreitung.

Die Studie macht daher auch Vorschläge zu einer besseren quantitativen Erfassung der zu erwartenden seismischen Auswirkungen des Meeresspiegelanstiegs oder durch Extremwetterereignisse.

Prof. Yehuda Ben-Zion von der University of Southern California in Los Angeles und Ko-Autor der Studie sagt dazu: „Wir planen, gezielt Bereiche starker Abschmelzung etwa auf Grönland oder einzelne Gletscher mikroseismisch zu überwachen, um dann Analogien zur skandinavischen Landmasse ziehen zu können, um die Prognosen zu verbessern.“

In Skandinavien hat der Prozess des Abschmelzens von Landeismassen seit der letzten Eiszeit schon stattgefunden. Dies hat dort auch zu – teils sehr starken – Erdbeben geführt. Allerdings ohne, dass es dort Millionenstädte oder kritische Infrastruktur gab, im Gegensatz zu den in der Zukunft betroffenen, besiedelten Küstenbereichen weltweit.

Ausblick: Menschengemachten Temperaturanstieg mindern und Erdbebenüberwachung und -vorsorge verbessern
Nach Ansicht der Forschenden verstärkt das aus dem menschengemachten Klimawandel resultierende wachsende seismische Risiko, das zu den bereits bekannten direkteren Gefahren und Risiken der globalen Erwärmung hinzukommt, die Notwendigkeit, den anthropogenen globalen Temperaturanstieg zu mindern und in eine verbesserte Erdbebenüberwachung und eine widerstandsfähigere Infrastruktur zu investieren.

Bohnhoff: „Die Klimaauswirkungen auf kaskadierende Erdbebengefahren, einschließlich ausgelöster Erdrutsche, Tsunamis und Verflüssigung, sollten bei der Entwicklung von Plänen zur Minderung des Erdbebenrisikos berücksichtigt werden.“ Dies sei besonders wichtig für Küstenregionen, einschließlich Megastädte und kritischer Infrastrukturen.

Originalpublikation:
Marco Bohnhoff, Patricia Martínez‐Garzón, Yehuda Ben‐Zion; Global Warming Will Increase Earthquake Hazards through Rising Sea Levels and Cascading Effects. Seismological Research Letters2024; doi: 10.1785/0220240100
hhttps://pubs.geoscienceworld.org/ssa/srl/article-abstract/doi/10.1785/0220240100/644474/Global-Warming-Will-Increase-Earthquake-Hazards

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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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