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: IHO via EOMAP GmbH & Co. KG 5. Juni 2024.

5. Juni 2024 – Die Tiefe und Form des Meeresbodens in flachen Gewässern genau zu kennen, ist für Küstenstaaten von entscheidender Bedeutung. Damit lassen sich Gefahren für die Schifffahrt oder Naturrisiken erkennen, aber auch küstennahe Maßnahmen in den Bereichen Natur- und Küstenschutz, Tourismus, Siedlungs- und Wirtschaftsentwicklung besser planen. Um diese sensible Meereszone besser zu verstehen, erweitern die Akteure laufend ihr Kartierungs- und Vermessungsinstrumentarium und greifen verstärkt auf satellitengestützte Bathymetrie (SDB) zurück. Für Anwendung dieser neuen Technologie hat die IHO unter der Bezeichnung „Best Practice Guide Satellite-Derived Bathymetry (SDB) B-13“ erstmals einen Leitfaden erarbeitet und nun herausgegeben. Sie enthält technische Beispiele aus der Praxis, Anleitungen und Hintergrundinformationen zu SDB-Techniken sowie eine technikneutrale Beschreibung der Erfassung, Verarbeitung, Analyse, Interpretation und Weitergabe der resultierenden Daten.

Mit satellitengestützter Bathymetrie (SDB) lässt sich die Wassertiefe anhand aktiver oder passiver Satellitensensoren berechnen. SDB ermöglicht es, diese Vermessungsdaten fernab vom Vermessungsort aus Satellitenaufnahmen zu generieren. Dies ist besonders hilfreich für völlig unzugängliche Gebiete und solche, die nur unter Gefahren oder schwer mit den klassischen Methoden zu vermessen sind. Auch für die Erfassung küstennaher Daten, die häufig aktualisiert werden müssen, ist SDB äußerst nützlich. Zudem kann SDB in Vorbereitung schiffsgestützter hydroaakustischer Vermessungen in unbekannten Gewässern die eigentliche Datenaufnahme vor Ort sicherer gestalten.

„SDB wird zwar hochgenaue hydroakustische oder Lidar-Vermessungen nicht vollkommen ersetzen, kann aber sehr effektiv sein, wenn die Möglichkeiten dieser Technologie voll ausgereizt werden. Somit stellt SDB eine wertvolle Ergänzung des klassischen hydroakustischen Instrumentariums der Seevermessung dar,“ erklärt Dr. Mathias Jonas, IHO-Generalsekretär.

Dass die Kartierung unserer Meere, Ozeane und Wasserstraßen notwendig und sehr nützlich ist, ist weitgehend bekannt. Doch die in vielen Seegebieten noch immer defizitäre Datenlage bleibt eine Herausforderung. Dies gilt vor allem für flache Küstengebiete, in denen der Meeresboden sehr dynamisch sein kann, was laufend aktualisierte Vermessungen erfordert. In diesen Gebieten kann es auch für etablierte schiffsgestützte Techniken schwierig sein, effizient und sicher zu arbeiten. Daher ist es sinnvoll, alle verfügbaren Technologien und Ansätze für die erforderliche Datenerhebung in Betracht zu ziehen und dabei die Aspekte räumliche Auflösung, Messunsicherheit und entstehenden Kosten gegeneinander abzuwägen. So kann die deutlich preiswertere satellitengestützte Bathymetrie (SDB) eine wichtige Rolle bei der Kartierung und Überwachung von Küstengebieten spielen.

„Die Gemeinschaft der nationalen hydrographischen Dienste steht weiterhin vor einer großen Herausforderung, was die verfügbaren Mittel und Ressourcen angeht, um eine detaillierte Karte unseres Meeresbodens zu erhalten und zu verbessern. SDB kann hier zur kosteneffizienten Vermessung schwieriger flacher Küstengebiete beitragen“, bestätigt David Parker, Vorsitzender der IHO-Arbeitsgruppe Hydrographische Vermessungen.

Der neue IHO-Leitfaden „B-13“ gibt einen Überblick über Methoden und Faktoren, die für optimale Ergebnisse satellitengestützter Bathymetrie zu berücksichtigen sind. Erstellt wurde der Leitfaden vom IHO-Projektteam für SDB, das Knut Hartman von EOMAP leitet. Diesem Team innerhalb der IHO-Arbeitsgruppe“ Hydrographische Vermessungen“ gehören Experten für Hydrographie und Meeresbodenkartierung aus vielen hydrographischen Diensten der Mitgliedstaaten sowie aus Industrie und Hochschuleinrichtungen an. Zusammen erarbeiten sie weltweit einheitlichen Leitlinien für alle, die gemeinsam die Kartierung der Ozeane, insbesondere sehr flacher Gewässer, verbessern wollen.

„Satellitengestützte Bathymetrie erfordert multidisziplinäres Wissen in den Bereichen Hydrographie, Erdbeobachtung, IT und Kompetenzentwicklung. Für diese Herausforderung wurde das SDB Best Practice Team gegründet, das sich zu einem internationalen Expertenteam aus dem privaten und öffentlichen Sektor entwickelt hat. Die B-13-Veröffentlichung ist nicht nur das sichtbare Ergebnis einer großartigen internationalen Zusammenarbeit. Sie ist auch ein wichtiger Meilenstein für die SDB-Technologie insgesamt“, erklärt Knut Hartmann, Vorsitzender des IHO-Projektteams für satellitengestützte Bathymetrie.

Satellite-Derived Bathymetry Best Practice Guide” (B-13):
https://iho.int/uploads/user/pubs/bathy/B_13_Ed100_032024.pdf

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Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) 22. März 2024.

22. März 2024 – Obwohl die beiden riesigen Eisfelder in den Anden Südamerikas mit rund 16.000 Quadratkilometern eine Fläche von der Größe Thüringens bedecken, ist über diese Patagonische Eiskappe recht wenig bekannt. Das versucht ein Team um Dr. Johannes Fürst vom Geographischen Institut der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) gerade zu ändern. Mit den vorhandenen, eher spärlichen Daten und neuesten Methoden hat die Gruppe das Volumen der beiden Eisfelder auf 5351 Kubikkilometer im Jahr 2000 neu eingeschätzt. In diesen beiden Eiskappen steckt demnach vierzigmal mehr Eis als in allen Gletschern der europäischen Alpen zusammen. Ihre Erkenntnisse haben die Forscher im Fachmagazin Communications Earth & Environment veröffentlicht.

Die Patagonischen Eisfelder stellen die Gletscher Europas also weit in den Schatten. Das zeigen bereits ihre riesigen Ausdehnungen: Schon das Nördliche Patagonische Eisfeld ist ungefähr 120 Kilometer lang und an manchen Stellen 50 bis 70 Kilometer breit. Das Südliche Patagonische Eisfeld hat mehr als die dreifache Fläche und erstreckt sich bei einer durchschnittlichen Breite von 30 bis 40 Kilometern rund 350 Kilometer von Nord nach Süd. Im Durchschnitt sind die Eismassen dort mehr als 250 Meter dick und damit rund fünfmal mächtiger als die Gletscher der europäischen Alpen.

Dazu kommt ein außergewöhnliches und zum Teil extremes Klima. Ähnlich wie in Mitteleuropa wehen die Winde auch in diesen Regionen Südamerikas oft von West nach Ost und tragen so feuchte Luft von den Ozeanen ins Land hinein. Der entscheidende Unterschied liegt in den Anden, die sich in Südamerika von Norden nach Süden erstrecken und so mit Höhen von oft weniger als 3000 Metern im Süden und teilweise 6000 Metern in den subtropischen und tropischen Regionen die feuchten, vom Pazifik hereinströmenden Luftmassen zum Aufsteigen zwingen. Dabei kühlen sie ab, können weniger Feuchtigkeit halten, und es beginnt je nach Höhenlage und Jahreszeit zu regnen oder zu schneien.

In den Regionen zwischen der Pazifikküste und den Anden fallen daher jährlich oft mehr als 3000 Millimeter Niederschlag. Jeder Quadratmeter Boden bekommt daher im Jahr 3000 Liter Regen, Schnee und Hagel ab. Im Vergleich erhalten Städte wie Nürnberg mit etwa 550 und München mit rund 930 Litern recht wenig Niederschlag. Westlich der Anden im Süden Chiles wächst daher in einem meist kühlen Klima ein dichter Regenwald, in dem nur sehr wenige Menschen leben. In den Hochlagen der Berge regnen sich die Wolken dann ab, und die Winde bringen dann in die Gebiete östlich der Anden relativ trockene Luft. Dort erstreckt sich daher über viele hundert Kilometer eine karge Steppenlandschaft, die ebenfalls nur dünn besiedelt ist.

Die beiden Patagonischen Eisfelder liegen also in einer recht abgelegenen Weltregion, in der deutlich weniger Klima- und Geodaten gemessen werden als zum Beispiel in Mitteleuropa. Obendrein streiten Argentinien und Chile seit langem über den Verlauf der Grenze, und ausgerechnet im Bereich der Südlichen Patagonischen Eiskappe haben sie diesen Konflikt auf Eis gelegt und damit große Teile der Gletscherflächen praktisch zu einem nur sehr schwer zugänglichen Niemandsland erklärt. Was geographische Messungen dort fast unmöglich macht.

Dazu kommt noch ein weiteres Problem: Die Niederschläge nehmen mit jedem Meter zu, den die Luftmassen an der Westflanke der Anden in die Höhe steigen. In den Gipfellagen und auf den beiden Patagonischen Eisfeldern schneit es daher sehr große Mengen. „Wir wissen allerdings nicht, wieviel Niederschlag dort tatsächlich fällt“, erklärt FAU-Forscher Johannes Fürst. Dort oben kommen nämlich so große Mengen, dass eine Wetterstation kaum dauerhaft betrieben werden könnte, weil in dieser abgelegenen Weltregion Störungen zumindest nicht rasch behoben werden können. Und weil die riesigen Schneemassen dort immer wieder Teile oder gar die gesamte Mess-Station zerstören könnten.

Ob dort also 10.000 oder vielleicht sogar 30.000 Liter Niederschlag im Jahr auf jeden Quadratmeter fallen, ist weitgehend unbekannt. „Spekulationen über den maximalen Schneefall reichen von weit über 30 Metern bis hin zu 100 Metern pro Jahr“, sagt Johannes Fürst. „Das sind unvorstellbare Mengen.“ Weil sich dort oben aus diesen Schneemassen mit der Zeit das Eis der Gletscher bildet, wären solche Zahlen wichtig, um die Vorgänge besser zu verstehen. Sicher ist jedenfalls eines: Die riesigen Niederschlagsmengen versorgen die Eiskappe laufend mit sehr viel Nachschub, der bald wieder talwärts fließt.

Das wiederum lässt die Gletscher, die aus den Patagonischen Eiskappen kommen, sehr rasch strömen. Während sich das Eis in den europäischen Alpen nur selten hundert Meter im Jahr nach unten schiebt, überschreiten die meisten Gletscher der Patagonischen Eisfelder dieses Tempo. Etliche von ihnen fließen sogar mit mehr als einem Kilometer im Jahr talwärts, einige erreichen sogar ein Tempo von mehreren Kilometern im Jahr. So hohe Geschwindigkeiten sind sonst nur von den Gletschern bekannt, die aus den mit Abstand größten Eiskappen der Erde über Grönland und über der Antarktis strömen.

Obendrein verlieren die Gletscher der Patagonischen Eisfelder nach Studien von Matthias Braun vom Institut für Geographie der FAU im Klimawandel jedes Jahr auch noch durchschnittlich einen Meter Eisdicke. Auch das ist ein rekordverdächtiger Wert und ein guter Grund dafür, die Patagonischen Eiskappen möglichst gut im Auge zu behalten und mit den Methoden der modernen Wissenschaft zu vermessen. Genau das hat Johannes Fürst jetzt in enger Zusammenarbeit vor allem auch mit chilenischen Forschungsorganisationen getan. Dabei hat die Gruppe die vorhandenen, oft nur spärlichen Messungen vor Ort mit den deutlich gröberen Satelliten-Daten verglichen. Damit wiederum lassen sich die Ergebnisse aus dem Weltraum kalibrieren und so auch die Eisdicken in abgelegenen Regionen ohne Vor-Ort-Daten besser abschätzen.

So gewinnt man auch Daten vom Boden unter dem Eis. Damit aber kann man viel besser einschätzen, wie schnell ein Gletscher in Zukunft schwinden dürfte. So kann sich unter dem Eis zum Beispiel eine Mulde im Gelände verbergen. Zieht der Gletscher sich zurück, kann sein Schmelzwasser diese Vertiefung zu einem See auffüllen. Endet dort die Eisfront, kann das relativ warme Wasser den Gletscher von unten angreifen. Dadurch kann oben mehr Eis abbrechen und so den Rückgang des Gletschers weiter beschleunigen.

Der FAU-Glaziologe und sein Team haben daher gute Gründe, die Patagonische Eiskappe auch vor Ort zu vermessen. Dabei fliegen sie mit einem Helikopter über den Gletscher und messen mit Radar-Strahlen die Tiefe des Eises bis auf wenige Meter genau. Und verbessern so die Daten dieses sehr dynamischen Eises kräftig. Solche Daten aber sind für die Klimaforschung sehr wichtig, weil die Patagonischen Eisfelder mit steigenden Temperaturen sehr rasch Eis verlieren. Da mit jedem Meter Fahrt mit einem Benzin- oder Diesel-Auto langfristig ein Zuckerwürfel Gletschereis schmilzt, will Johannes Fürst diese Eisfelder gut im Auge behalten, um gefährliche Entwicklungen besser als bisher einschätzen zu können.

Publikation:
https://www.nature.com/articles/s43247-023-01193-7
pdf: https://www.nature.com/articles/s43247-023-01193-7.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Technische Universität Wien 5. März 2024.

5. März 2024 – Der Klimawandel verändert den Wasserkreislauf – aber wie? Leider lässt sich das nicht in eine einfache, global gültige Formel pressen. Der Wasserkreislauf ist ein komplexes System, regional können sich ganz unterschiedliche Veränderungen zeigen: In manchen Regionen wird es trockener, in anderen steigt die Regenmenge, Extremwetterereignisse ändern und verschieben sich.

Um dieses komplexe System besser vorhersagbar zu machen, entwickelte ein internationales Pilotprojekt, finanziert von der Europäischen Weltraumbehörde ESA und geleitet vom italienischen National Research Council, nun einen „digitalen Zwilling“ der Hydrosphäre: Der Wasserkreislauf und die relevanten mit ihm verbundenen Phänomene werden physikalisch korrekt am Computer nachgebildet. So lässt sich simulieren, wie eine ganz bestimmte Region auf hydrologische Veränderungen reagiert. Damit sollen nicht nur Katastrophen wie Überschwemmungen sondern auch schleichende Veränderungen im Wasserhaushalt, die z.B. durch höhere Temperaturen verursacht werden, räumlich detaillierter vorhergesagt werden als bisher.

Entscheidend dafür sind Satellitendaten. Ein Team der TU Wien sorgte dafür, dass speziell Radarsatellitendaten über den Wasserkreislauf nun in hervorragender räumlicher Auflösung zur Verfügung stehen – ein wesentliches Schlüsselelement für die Zuverlässigkeit des Vorhersagesystems.

Ein „digitaler Zwilling“ der Erde
Das Konzept des „digitalen Zwillings“ spielt in der Industrie schon lange eine wichtige Rolle: Ein kompliziertes System, zum Beispiel eine Produktionsanlage, wird physikalisch exakt am Computer nachgebildet. Man kann diesem System dann am Computer beliebige Bedingungen vorgeben, und es wird sich genauso verhalten wie auch in der Wirklichkeit. Ähnlich wie beim Flugsimulator, in dem man neuartige Flugmanöver am Computer ausprobieren kann, lässt sich so gefahrlos vorhersagen, was in einer speziellen Situation geschehen wird.

„Genau so ein digitaler Zwilling entsteht nun für das globale Wassersystem“, erklärt Dr. Mariette Vreugdenhil vom Department für Geodäsie und Geoinformation der TU Wien, die den Anteil der TU Wien an dem ESA Projekt geleitet hat. Wenn für große Gebiete, im Idealfall den ganzen Globus, räumlich hochaufgelöste Daten für die Validierung und laufende Verbesserung von Computersimulationen zur Verfügung stehen, dann lässt sich mit höherer Treffsicherheit sagen, welche Effekte sich unter bestimmten Bedingungen zeigen werden – bis hin zu Überflutungen oder Hangrutschungen an einem ganz bestimmten Ort.

Auf die Auflösung kommt es an
Von besonders großer Bedeutung sind dabei Daten über die Bodenfeuchte. Daran forscht man an der TU Wien schon seit Jahren: Man nutzt Messergebnisse von Radarsatelliten, die den Erdboden rund um die Uhr untersuchen. Daraus kann man wichtige Informationen über die Eigenschaften des Bodens herausrechnen und letztlich vorhersagen, ob der Boden in einer bestimmten Gegend angesichts kommender Regenfälle noch weiteres Wasser aufnehmen kann oder nicht.

Entscheidend dafür ist allerdings, dass man die räumlichen Gegebenheiten mit sehr hoher Auflösung kennt. „Hohe Auflösung heißt bei uns etwa: Ein Pixel pro Kilometer“, sagt Prof. Wolfgang Wagner, der Leiter des Forschungsbereichs Fernerkundung der TU Wien. „Man verwendet dafür heute oft künstliche Intelligenz. Die trainiert man mit unterschiedlichen Datensätzen und hofft dann, auf diese Weise die Auflösung zu verbessern. Das ergibt zwar schöne Bilder, aber ob die etwas mit der Wirklichkeit zu tun haben, ist oft eine andere Frage.“ Um die Interpretation der Satellitendaten auf ihre Richtigkeit hin besser überprüfen zu können, hat man sich an der TU Wien für eine andere Strategie entschieden: „Wir verfolgen einen rigorosen Ansatz. Unser Modell arbeitet mit physikalischen Formeln, von denen wir wissen, dass sie stimmen.“ Machine Learning kommt unterstützend zum Einsatz, etwa für die Kalibrierung der Parameter, aber die Berechnung der Daten lässt sich klar nachvollziehen und erklären. So kann man sicherstellen, dass die Berechnung eines hochauflösenden Datensatzes auf bekannten Naturgesetzen beruht und es nicht etwa zu einer AI-Halluzination ohne faktische Basis kommt, wie das bei künstlicher Intelligenz auch manchmal zu beobachten ist.

Von der Po-Region in die ganze Welt
Begonnen hat man damit, die Po-Ebene in Italien abzubilden – eine besonders komplexe Region, wie Projektleiter Luca Brocca erklärt: „Wir haben die Alpen, wir haben Schnee, der schwer zu simulieren ist, besonders in unregelmäßigem und komplexem Gelände wie den Bergen. Dann gibt es das Tal mit all den menschlichen Aktivitäten – Industrie, Bewässerung.“ Aufbauend darauf bildete man den gesamten Mittelmeerraum ab.

Das Modell soll letztendlich auf den ganzen Erdball ausgedehnt werden. Außerdem soll es noch weiter verbessert und verfeinert werden. Wünschenswert wäre am Ende eine multidimensionale Abbildung der Hydrosphäre, in der ausgewählte Prozesse mit einer räumlichen Auflösung in der Größenordnung von zehn Metern erfasst werden können. Das Ziel des Projekts ist ein Computermodell, das rechtzeitig auf Gefahren hinweisen kann und auch dazu dient, die Auswirkungen verschiedener menschlicher Eingriffe auf lokaler Ebene zu erklären, sodass man nachhaltige Entscheidungen treffen kann.

„Diese gemeinsamen Bemühungen von Wissenschaft, Raumfahrtbehörden und Entscheidungsträgern versprechen eine Zukunft, in der ein digitaler Zwilling der Erde für die Hydrologie unschätzbare Erkenntnisse für ein nachhaltiges Wassermanagement und die Widerstandsfähigkeit gegen Katastrophen liefern“, sagt Luca Brocca.

Originalpublikation
L. Brocca et al., A Digital Twin of the terresrial water cycle: a glimpse into the future through high-resolution Earth observations; Front Sci. 5. March 2024.
https://www.frontiersin.org/journals/science/articles/10.3389/fsci.2023.1190191/full
pdf: https://www.frontiersin.org/journals/science/articles/10.3389/fsci.2023.1190191/pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Universität Hamburg 13. Februar 2024.

13. Februar 2024 – Seit 2007 haben sich die Bedingungen in der Arktis verschoben. Dies zeigen Daten, die jetzt im Fachjournal Nature Communications Earth & Environment veröffentlich wurden. Zwischen 2007 und 2021 ereigneten sich in den Randgebieten des Arktischen Ozeans elf Hitzewellen, bei denen die Wassertemperatur an der Oberfläche durchschnittlich 2,2 Grad Celsius wärmer war als das langjährige Mittel. Die Hitzewellen hatten eine mittlere Dauer von 37 Tagen. Ab 2015 traten sie jährlich auf.

Die bislang stärkste Hitzewelle ereignete sich 2020. Sie dauerte 103 Tage mit Spitzentemperaturen von vier Grad Celsius über dem langjährigen Mittel. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine solche Hitzewelle ohne den Einfluss von menschengemachten Treibhausgasen aufgetreten wäre, liegt unter einem Prozent, errechnete das Team um Barkhordarian vom Exzellenzcluster CLICCS. Es grenzte dadurch die Bandbreite ein, welche Entwicklungen in der Arktis künftig plausibel sind. So werden jährliche Hitzewellen in Zukunft die Regel sein.

Die Arktis tritt in eine neue Phase ein
Barkhordarian weist außerdem erstmals nach, dass arktische Hitzewellen entstehen, wenn das Meereis nach dem Winter früh und schnell schmilzt. Dadurch kann sich bis zum Zeitpunkt der maximalen Sonneneinstrahlung im Juli viel Wärme im Wasser anreichern. „2007 hat in der Arktis eine neue Phase begonnen“, sagt die Expertin für Klimastatistik an der Universität Hamburg. „Es gibt immer weniger dickes Eis, das mehrere Jahre alt ist. Stattdessen nimmt der Anteil von einjährigem, dünnen Eis beständig zu.“ Das dünne Eis ist jedoch weniger haltbar und schmilzt schneller, sodass die Sonneneinstrahlung ungehindert die Wasseroberfläche erwärmen kann.

Offiziell spricht man von einer marinen Hitzewelle, wenn die Temperaturen an der Wasseroberfläche an mindesten fünf aufeinanderfolgenden Tagen höher sind als 95 Prozent der Werte aus den letzten 30 Jahren.

„Nicht nur der anhaltende Verlust des Meereises, auch das wärmere Wasser kann das Ökosystem Arktis dramatisch beeinträchtigen“, sagt Barkhordarian. Nahrungsketten können abreißen, Fischbestände geschädigt werden und insgesamt kann die biologische Vielfalt abnehmen.

Hintergrund:
Ist der Mensch verantwortlich? Mit Hilfe der Attributionsforschung lässt sich vergleichen, wie sich die Welt mit und ohne den Einfluss des Menschen entwickelt hätte. Für die vorliegende Studie wurde berechnet, wie wahrscheinlich das Auftreten der einzelnen Hitzewellen in einer Welt ohne menschengemachte Treibhausgase wäre. Weiter werteten Barkhordarian und ihr Team Satellitendaten aus und nutzten gekoppelte Klimamodelle für ihre Analysen.

Fachartikel:
Barkhordarian A, Nielsen DM, Olonscheck D, Baehr J (2024): Arctic marine heatwaves forced by greenhouse gases and triggered by abrupt sea-ice melt; Nature Communications Earth & Environment.
https://www.nature.com/articles/s43247-024-01215-y
pdf: https://www.nature.com/articles/s43247-024-01215-y.pdf

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• Klimawandel

Der Beitrag UHH: Hitzewellen im Arktischen Ozean in Zukunft regelmäßig erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Forschungszentrums Jülich 5. Juli 2023.

Wasserdampf ist das wichtigste natürliche Treibhausgas in der Erdatmosphäre, wobei der Anstieg von Wasserdampf in einem zukünftigen Klima über einen positiven Rückkopplungseffekt, das sogenannte Wasserdampffeedback, den Effekt der anthropogenen Treibhausgase ungefähr verdoppelt. Darüber hinaus beeinflusst der atmosphärische Wasserdampf die Zirkulation, das heißt die Windsysteme der Atmosphäre.

Durch die von den Wissenschaftler:innen simulierten Änderungen der Wasserdampfkonzentration in dieser empfindlichen Atmosphärenregion ergeben sich erhebliche Änderungen der modellierten atmosphärischen Zirkulation bis in den Bereich der bodennahen Atmosphäre. Diese dynamischen Rückkopplungen auf die Windsysteme bewirken eine Verschiebung der Subtropenjets und troposphärischen Jets aufgrund erhöhter Wasserdampfkonzentrationen in der unteren Stratosphäre. Die verbesserte Simulation des stratosphärischen Wasserdampfs kann über diese Effekte auf die atmosphärische Zirkulation also auch eine Verbesserung der Simulation von Wetter-Regimes bewirken.

Über das Institut Stratosphäre (IEK-7)
Das IEK-7 untersucht Chemie, Dynamik und Mikrophysik in der Stratosphäre und Tropopausenregion und deren Rolle im Klimasystem. Hierzu werden flugzeug- und ballongestützte Experimente durchgeführt, um Prozesse auf vorwiegend lokalen und regionalen Skalen aufzuklären. Die Auswertung und Nutzung von Satellitendaten erweitert diese Studien bis zu globalen und klimatologischen Skalen. Die Auswertung der Messdaten erfolgt in enger Verzahnung mit Modellrechnungen.

Originalveröffentlichung:
Charlesworth, E., Plöger, F., Birner, T. et al. Stratospheric water vapor affecting atmospheric circulation. Nat Commun 14, 3925 (2023). doi.org/10.1038/s41467-023-39559-2
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39559-2
pdf: https://www.nature.com/articles/s41467-023-39559-2.pdf

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• Planet Erde

Der Beitrag Wie Wasserdampf die Windsysteme in der Atmosphäre beeinflusst erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Würzburg 8. Mai 2023.

8. Mai 2023 – „Alarmierende Daten: Fünf Prozent der Waldfläche sind weg.“ Diese Nachricht ging im Februar 2022 durch die Medienlandschaft.

Grundlage der Meldung war eine satellitengestützte Auswertung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR): Demnach wurden von Januar 2018 bis April 2021 in Deutschland 501.000 Hektar Baumbestand zerstört – erheblich mehr als bislang gedacht. Als Hauptursache nannte das DLR die jüngsten Hitze- und Dürreperioden, die wiederum den Befall durch Schadinsekten begünstigten.

Fachleute sind sich einig: Der Klimawandel sorgt in vielen Wäldern für einen besorgniserregend schnellen Wandel. Diese ungute Dynamik macht das gesamte Ökosystem Wald labil. Sie ist eine Herausforderung für die Forst- und Holzwirtschaft, aber auch für die Wissenschaft.

Worauf das Projekt abzielt
Was für ein klimawandelgerechtes Waldmanagement und eine nachhaltige Waldbewirtschaftung nötig wäre: eine satellitengestützte Beobachtung der Wälder in noch kürzeren Zeitabständen und mit hoher räumlicher Auflösung. Auf dieses Ziel arbeitet das neue Forschungsprojekt ROOT („Real-time earth Observation of fOrest dynamics and biodiversiTy“) an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg hin.

Das interdisziplinäre Projektteam will in den kommenden drei Jahren ein Geoinformationsportal entwickeln, das von Satellitendaten gespeist wird. Es möchte für ganz Bayern aktuelle Informationen zum Waldzustand visuell aufbereiten und per App für die Forstwirtschaft zugänglich machen. Unter anderem soll das Portal Kahlflächen und stehendes Totholz identifizieren, Bestandsverluste aufzeigen und deren Folgen für Biodiversität, Klimaschutz und Forstwirtschaft ableiten.

ROOT will Politik, Behörden und Forstwirtschaft in die Lage versetzen, auf der Grundlage wissenschaftlicher Daten Entscheidungen zu treffen und schnell zu handeln. Mit der neuen App könnte es zum Beispiel möglich werden, auch einen kleinräumigen Borkenkäferbefall automatisch und exakt zu lokalisieren. Die betroffenen Bäume könnten dann so schnell wie möglich aus dem Wald geholt werden.

Wer das Projekt vorantreibt
Sprecher des Projekts ist Professor Samuel Kounev, Leiter des Lehrstuhls für Software Engineering. Mit im Team sind Claudia Künzer, Professorin für Erdbeobachtung und Direktorin am DLR, sowie Jörg Müller, Waldökologe am Biozentrum und stellvertretender Leiter des Nationalparks Bayerischer Wald. Koordiniert wird das Projekt von Dr. Nikolas Herbst, Leiter der Forschungsgruppe „Data Analytics Clouds“ an Kounevs Lehrstuhl.

Offiziell gestartet ist das Projekt am 1. April 2023. Es wird vom Bayerischen Forschungsinstitut für Digitale Transformation (bidt) gefördert, einem Institut der Bayerischen Akademie der Wissenschaften. Das bidt unterstützt das Projekt mit 1,2 Millionen Euro. Das Geld fließt unter anderem in die Finanzierung von Stellen für Promovierende und Postdocs.

Das ROOT-Projektteam der JMU

• Prof. Dr. Samuel Kounev, Leiter des Lehrstuhls für Informatik II (Software Engineering), samuel.kounev(at)uni-wuerzburg.de
• Dr. Nikolas Herbst, Leiter der Forschungsgruppe „Data Analytics Clouds“ am Lehrstuhl für Informatik II (Software Engineering), nikolas.herbst(at)uni-wuerzburg.de
• Prof. Dr. Claudia Künzer, Professur für Fernerkundung der Landoberflächendynamik, claudia.kuenzer(at)uni-wuerzburg.de
• Prof. Dr. Jörg Müller, Professur für Tierökologie mit Schwerpunkt ökologische Freilandforschung in unseren Breiten, joerg.mueller(at)uni-wuerzburg.de

Weblink
Projektdarstellung beim bidt

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• Klimawandel

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Quelle: Universität Hamburg 20. April 2023.

20. April 2023 – Wenn sich die Atmosphäre mit dem Klimawandel erwärmt, entsteht zusätzlicher Wasserdampf. Dieser wiederum ist selbst ein Treibhausgas, hält die Wärmestrahlung nahe der Erdoberfläche fest und lässt die Temperatur auf der Erde weiter steigen – eine sich selbst verstärkende Rückkopplung. Der Wert der Klimasensitivität zeigt in Grad Celsius an, wie empfindlich die Erde auf Treibhausgase reagiert, wenn sich das CO₂ in der Atmosphäre verdoppelt. Um ihn zu berechnen, muss bekannt sein, wie Rückkopplungsprozesse auf der Erde genau ablaufen.

Solche Prozesse lassen sich mit dem sogenannten langwelligen Rückkopplungsparameter berechnen. Das Forschungsteam um Florian Römer hat diesen Wert nun erstmals mit Satellitendaten spektral berechnet. Spektral bedeutet: Die neue Methode zeichnet erstmals ein detailliertes Bild der Rückkopplung bei verschiedenen Strahlungsfrequenzen.

„Durch die spektrale Auflösung sehen wir genau, welche Strahlungsfrequenzen wie viel zur Rückkopplung beitragen“, so Florian Römer über die neue Methode. „Dadurch können wir die physikalischen Prozesse des Erdklimas sehr viel besser verstehen.“ Frühere Studien haben nur die gesamte Energie – das sogenannte Integral – zur Berechnung des Parameters herangezogen. Dadurch gingen jedoch wertvolle Informationen verloren. Auch die Berechnung des Werts mithilfe von Klimamodellen beruhte oft auf stark vereinfachten Annahmen. Durch die neue Methode verstehen die Forschenden besser, welche Prozesse die Klimasensitivität beeinflussen. Sie bestimmt, wie die Klimazukunft der Erde aussehen wird.

Römer hat auch überraschende Erkenntnisse gewonnen: Bisher gaben Klimamodelle an, dass bei Strahlungsfrequenzen, die besonders effektiv von Wasserdampf zurückgehalten werden, die Rückstrahlung ins Weltall bei einer Temperaturerhöhung konstant bleibt. Der Rückkopplungsparameter beträgt somit ungefähr Null. „Die Daten des analysierten Zeitraums zeigen: Die Strahlung nimmt leicht zu, wenn es wärmer wird“, so Römer. Klimamodelle können mit diesen Daten Schritt für Schritt immer genauer werden. „Unsere Studie zeigt, dass Satellitendaten auch auf diesem Gebiet ein sehr leistungsfähiges Instrument sind. Das ist ein großer Schritt nach vorne“, sagt Römer.

Originalpublikation:
Roemer F, Buehler S, Brath M, Kluft L, and John V (2023): Direct observation of Earth’s spectral longwave feedback parameter; Nature Geoscience, DOI: 10.1038/s41561-023-01175-6,
https://www.nature.com/articles/s41561-023-01175-6,
pdf: https://www.nature.com/articles/s41561-023-01175-6.pdf.

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• Planet Erde

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Quelle: ESA 15. November 2022.

15. November 2022 – Fast neun von zehn der befragten Personen gaben an, dass das Sammeln von Erkenntnissen über den Klimawandel und das Verständnis der Vorgänge auf der Erde die wichtigste Bestimmung der Weltraumforschung sein sollte.

„Diese Umfrage zeigt, dass die Bürger*innen Europas Investitionen in den Weltraum zur Verbesserung des Lebens auf der Erde nachdrücklich befürworten – und den Wunsch nach mehr Ehrgeiz für die Raumfahrt in Europa äußern. Während sich die Staats- und Regierungschef*innen der Welt zur 27. UN-Klimakonferenz (COP27) treffen, fordern die Bürger*innen Europas, dass der Weltraum noch stärker zur Überwachung und Eindämmung des Klimawandels genutzt wird. Wir müssen jetzt handeln, um die Autonomie, Führung und Verantwortung Europas im Weltraum zu stärken“, sagt Josef Aschbacher, ESA-Generaldirektor.

Mehr als 21.000 Menschen aus den 22 Mitgliedsstaaten der ESA haben an der kürzlich veröffentlichten Umfrage teilgenommen, die zwischen dem 25. September und dem 6. Oktober von den Meinungsforschungsinstituten Toluna und Harris Interactive durchgeführt wurde.

Mehr als die Hälfte der vom Globalen Klimabeobachtungssystem der Vereinten Nationen ermittelten wichtigen Klimavariablen werden durch Satellitendaten untermauert. Wissenschaftler*innen, Entscheidungsträger*innen und Politiker*innen können mithilfe des Weltraums nicht nur den Klimawandel überwachen, verstehen, modellieren und vorhersagen, sondern auch auf klimabedingte und andere Krisen reagieren.

Die große Mehrheit der befragten Personen gab an, dass der Weltraum wichtig ist, um das menschliche Wissen über das Universum zu vertiefen – und um das Leben auf der Erde durch immer und überall verfügbare Kommunikationsverbindungen und Navigationssignale zu verbessern.

Allerdings wünschen sich die meisten Europäer*innen, dass in Zukunft mehr Gewicht auf die Überwachung und Eindämmung des Klimawandels gelegt wird, während wir gleichzeitig das Universum besser verstehen und von satellitengestützter Konnektivität und Navigation profitieren.

Mehr als 80 % der befragten Personen sagten auch, dass Europa seine Weltraumaktivitäten zusammenführen sollte, um mit anderen Raumfahrtnationen konkurrieren zu können. Außerdem sollten die europäischen Weltraumaktivitäten unabhängig von den Entscheidungen anderer großer Weltraummächte erfolgen.

Der Wunsch nach einer Zusammenführung und Unabhängigkeit der europäischen Weltraumforschung ist seit der letzten Umfrage im Jahr 2019 sogar noch deutlich gestiegen.

Unter den befragten Personen in Frankreich, Deutschland, Italien, Spanien und dem Vereinigten Königreich sprachen sich 84 % der Personen für einen Zusammenschluss aus, um mit den Vereinigten Staaten, Russland, China, Indien und Brasilien zu konkurrieren (ein Anstieg um 14 %), und 81 % waren der Meinung, dass europäische Raumfahrtaktivitäten unabhängig sein sollten (ein Anstieg um 17 %).

Wenn es um die Erkundung des Weltraums geht, denken die meisten Menschen, dass die Beseitigung von Weltraummüll oberste Priorität hat. Rund 86 % sagten, dass dies noch vor der Organisation einer robotergestützten Erkundungsmission zum Mars (77 %), der Landung von Astronaut*innen auf dem Mond (71 %) und der Entsendung von Astronaut*innen zum Mars (70 %) wichtig sei.
Die Bedeutung der Weltraumforschung hat in den Köpfen der Menschen seit der Umfrage 2019 jedoch stark zugenommen. Die Unterstützung für eine robotergestützte Erkundung des Mars stieg bei den befragten Personen in Frankreich, Deutschland, Italien, Spanien und dem Vereinigten Königreich um 18 %, während die Unterstützung für Astronaut*innen auf dem Mond und auf dem Mars um 18 % bzw. 16 % zunahm.

Die Umfrage wurde im Vorfeld der ESA-Ratstagung auf Ministerebene durchgeführt, die am 22. und 23. November 2022 in Paris stattfinden wird. Bei diesem Treffen werden die ESA-Mitgliedsstaaten, die assoziierten Staaten und die kooperierenden Staaten eingeladen, gemeinsam die europäischen Raumfahrtambitionen zu bekräftigen und sicherzustellen, dass die Raumfahrt auch weiterhin den europäischen Bürger*innen zugutekommt.

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• ESA Ministerratskonferenz 2022 Paris
• Klimawandel

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Quelle: DLR 11. August 2022.

11. August 2022 – China, die Europäische Union (EU) und Großbritannien betreiben weltweit die meisten Offshore-Windkraftanlagen. Das hat eine Auswertung von Satellitendaten durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ergeben. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben mit einer Künstlichen Intelligenz (KI) nicht nur die Anzahl und die Standorte der Anlagen ermittelt, sondern auch die Entwicklung der vergangenen Jahre, die Leistung und die Entstehung neuer Anlagen.

Im Juni 2021 waren in China 3.267 Offshore-Windkraftanlagen in Betrieb, in der Europäischen Union (EU) 3.096 und in Großbritannien 2.378. Weltweit wurden 8.885 Anlagen gezählt. Bei der Leistung lag die EU vorne: Die Offshore-Windkraftanlagen in der Nord- und Ostsee, der Irischen See sowie im Atlantik vor Portugal kamen auf 15,2 Gigawatt (GW). Die chinesischen Anlagen kamen zu dem Zeitpunkt auf 14,1 GW, die britischen auf 10,7 GW. „Zusammen sind das rund 98,5 Prozent der weltweit vorhandenen, installierten Offshore-Windkraftleistung von 40,6 GW im Juni 2021“, erklärt Thorsten Höser vom Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) in Oberpfaffenhofen. Zum Vergleich: Die drei aktuell noch laufenden Atomkraftwerke in Deutschland haben eine installierte Leistung von insgesamt 4,3 GW.

Ausbau der Offshore-Windenergie
„Ein Blick auf die zeitliche Dynamik verrät, dass vor allem der Eintritt Chinas in den Offshore-Windenergiesektor und der Bau von Offshore-Windparks in Chinesischen Gewässern die Expansionsdynamik beeinflusst hat“, sagt Thorsten Höser. Laut den ermittelten Daten waren dort Mitte des vergangenen Jahres 627 neue Anlagen im Bau. Vor den EU-Küsten waren 63 Anlagen im Bau. Vor den Küsten der USA wurden sieben bestehende Offshore-Windkraftanlagen gezählt. Die Auswertung bezog sich nicht auf landgestützte Windkraftanlagen.

„Offshore-Windkraftanlagen sind ein wichtiger Baustein für eine treibhausgasneutrale Energieerzeugung und unterstützen gleichzeitig nationale Bestrebungen einer autarken Energieproduktion unabhängig von Kohle und Erdgas. Dabei haben sie den Vorteil, an Standorten errichtet zu werden, wo hohe und stetige Windgeschwindigkeiten herrschen“, sagt Prof. Claudia Künzer, Leiterin der Abteilung Dynamik der Landoberfläche im DFD. „1991 wurde der erste Windpark der Welt an der Dänischen Küste errichtet. Seitdem nimmt die Anzahl der Offshore-Windkraftanlagen in Deutschland, Europa und weltweit stetig zu.“ Sowohl die Bundesregierung, als auch die EU und Großbritannien streben aktuell einen Ausbau der Offshore-Windenergie an.

Künstliche Intelligenz zur Auswertung globaler Satellitendaten
Die Analyse von Satellitenbildern ermöglicht erstmals, einen globalen Überblick über den Offshore-Windenergiesektor zu erhalten. Für die Auswertung wurden Zeitreihen des Radarsatelliten Sentinel-1 der Europäischen Weltraumorganisation ESA seit dem Jahr 2016 genutzt. Charakteristisch für die Sentinel-1 Mission ist eine kontinuierliche Wiederholung der Aufnahmen innerhalb weniger Tage.

Die Forschenden am DFD haben Algorithmen entwickelt, die Verfahren der KI – und hier speziell des Maschinellen Lernens – einsetzen, um Offshore-Windkraftanlagen automatisch aus dem riesigen Sentinel-1-Archiv auszulesen. Das Archiv stellte im Jahr 2021 mehr als elf Petabyte Daten bereit. Ein neuronales Netz wurde mit Beispielen darauf trainiert, Windturbinen zu erkennen. „Die Trainingsbeispiele sollten vielfältig sein, um dem neuronalen Netz eine große Möglichkeit an Szenerien während des Lernens zu präsentieren“, erklärt Thorsten Höser, der die Auswertung der Daten geleitet hat. Ein Teil der Forschungsarbeit befasste sich mit der Erstellung der Beispiele. Sie beschreiben charakteristische Eigenschaften eines Satellitenbildes. Anschließend werden die Bildeigenschaften neu zusammengesetzt, um zehntausende völlig neue virtuelle Trainingsbilder zu erzeugen. Dieser Ansatz ist auf andere Objekte übertragbar. So können in Zukunft neben Offshore-Windturbinen weitere Objekte aus globalen Satellitendaten-Archiven extrahiert werden.

Weitere Zahlen und Informationen zu diesem Thema stellt die DLR-Veröffentlichungsreihe „Daten und Fakten“ bereit: Offshore-Windenergie: Anlagenzahl, Kapazität, Ausblick.

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• Planet Erde

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Quelle: Universität Potsdam.

29. April 2022 – Der Klimawandel beeinflusst den Charakter und die Stabilität von Ökosystemen weltweit. In der Theorie kann die Resilienz von Ökosystemen – also die Fähigkeit, äußerem Stress wie Dürren oder Waldbränden zu widerstehen und sich davon zu erholen – aus deren natürlicher Variabilität abgeleitet werden. In ihrer Pilotstudie zur Überwachung von Satellitenbildern aus der Zeit von 1992 bis 2017 zeigen die Forschenden, dass dies tatsächlich möglich ist – und zwar unabhängig vom Vegetationstyp und von der Klimazone.

„Neue Herangehensweisen zur Verarbeitung großer Datensätze ermöglichen es, verbreitete Theorien und Annahmen zur Funktionsweise von Ökosystemen zu prüfen“, sagt der leitende Autor der Studie, Taylor Smith. „Unsere Arbeit bestätigt empirisch eine dieser Theorien. Wir können mit einem einfachen mathematischen Modell messen, wie widerstandsfähig die Vegetation auf äußeren Druck reagiert.“ Co-Autor Prof. Dr. Niklas Boers (TUM/PIK) ergänzt: „Unsere Methode ermöglicht es uns, Veränderungen der Vegetationsresilienz an jedem beliebigen Ort der Erdoberfläche kontinuierlich zu messen. Wir bieten damit einen soliden, empirisch bestätigten Rahmen für die Überwachung der Vegetationsresilienz aus dem Weltraum.“

Die Arbeit zeigt weiterhin, dass die globale Vegetation seit den frühen 2000er Jahren an Resilienz verloren hat. Die Vegetation benötigt nach Störungen eine längere Zeit, um ihr natürliches Gleichgewicht wiederherzustellen. „Je nach Klimazone und Vegetationstyp stellen wir sehr unterschiedliche langfristige Trends bei der Widerstandsfähigkeit fest, aber insgesamt ist die Resilienz in den letzten zwei Jahrzehnten häufiger zurückgegangen“, sagt Taylor Smith. Insbesondere tropische Regenwälder und die borealen Wälder Sibiriens sind anfälliger für Ereignisse wie Waldbrände, Schädlingsbefall und Naturkatastrophen geworden. Zu den möglichen Faktoren, die zu dieser Verschiebung beitragen könnten, gehören natürliche langfristige Schwankungen, der vom Menschen verursachte Klimawandel, die zunehmende Landnutzung und die Entwaldung sowie eine größere Häufigkeit von Dürren und Waldbränden.

„Wir müssen dringend unsere Bemühungen verstärken, mögliche Veränderungen in der Widerstandsfähigkeit der Vegetation zu erkennen und die zugrundeliegenden Faktoren zu verstehen. Wir gehen davon aus, dass die vom Menschen verursachte globale Erwärmung und die veränderte Landnutzung eine wichtige Rolle spielen werden, aber viele Prozesse sind noch nicht gut verstanden, sodass es schwierig ist, das Schicksal der natürlichen Vegetation in den kommenden Jahrzehnten vorherzusagen“, warnt Niklas Boers. „Satellitendaten können hier eine entscheidende Rolle bei der kontinuierlichen Überwachung des Zustands der Vegetation und von Ökosystemen spielen“, fasst Taylor Smith zusammen.

Publikation:
Smith, T., Traxl, D. & Boers, N.: Empirical evidence for recent global shifts in vegetation resilience, Nat. Clim. Chang. (2022): https://www.nature.com/articles/s41558-022-01352-2
pdf: https://www.nature.com/articles/s41558-022-01352-2.pdf

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• Planet Erde

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Quelle: Technische Universität München.

8. März 2022 – Bei etwa drei Vierteln des Waldes hat die Fähigkeit, sich von Störungen zu erholen, laut der Studie seit Anfang der 2000er Jahre abgenommen. Dies sehen die Wissenschaftler als Warnsignal. Die neuen Erkenntnisse beruhen auf einer neuartigen statistischen Analyse von Satellitendaten zu Veränderungen der Biomasse und Produktivität im Amazonaswald.

„Eine verringerte Resilienz – die Fähigkeit, sich von Störungen wie Dürren oder Bränden zu erholen – kann ein erhöhtes Risiko für das Absterben des Amazonas-Regenwaldes bedeuten. Dass wir in den Beobachtungen einen solchen Resilienzverlust feststellen, ist besorgniserregend“, sagt Niklas Boers, Professor für Earth System Modelling an der Technischen Universität München und Forscher am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, der die Studie gemeinsam mit Wissenschaftlern der britischen Universität Exeter durchgeführt hat. „Der Amazonas-Regenwald beherbergt eine einzigartige Artenvielfalt, er beeinflusst durch seine enorme Evapotranspiration stark die Niederschläge in ganz Südamerika; und er speichert riesige Mengen an Kohlenstoff, die bei einem auch nur teilweisen Absterben als Treibhausgase freigesetzt würden, was wiederum zur weiteren Erderwärmung beitragen würde. Deshalb ist der Regenwald von globaler Bedeutung.“

„Wenn das Kippen selbst zu beobachten sein wird, wäre es zu spät“
Der Amazonas gilt als potenzielles Kippelement im Erdsystem und eine Reihe von Studien hat seine Verwundbarkeit aufgezeigt. „Computersimulationen zu seiner Zukunft liefern jedoch eine gewisse Bandbreite von Ergebnissen“, sagt Boers. „Darum haben wir spezifische Beobachtungsdaten auf Anzeichen für Veränderungen der Widerstandsfähigkeit während der letzten Jahrzehnte untersucht. Wir stellen fest, dass die Widerstandsfähigkeit des Regenwalds seit Anfang der 2000er Jahre kontinuierlich abnimmt, aber wir können nicht sagen, wann ein möglicher Übergang vom Regenwald zur Savanne stattfinden könnte. Wenn er dann zu beobachten ist, wäre es wahrscheinlich zu spät, ihn aufzuhalten“. Die Forschung ist Teil des Projekts „Tipping Points in the Earth System“ (TiPES), das durch das Horizon 2020-Programm der Europäischen Union finanziert wird.

Das Team verwendete Stabilitätsindikatoren, die zuvor bereits auf den grönländischen Eisschild und die atlantische Umwälzbewegung angewandt wurden. Diese statistischen Indikatoren zielen darauf ab, die Annäherung eines Systems an eine abrupte Veränderung vorherzusagen, indem sie eine kritische Verlangsamung der Systemdynamik identifizieren, zum Beispiel seine Reaktion auf Wetterschwankungen. Die Analyse von zwei Satellitendatensätzen, die die Biomasse und den Grünanteil des Waldes darstellen, hat diese kritische Verlangsamung aufgezeigt. Diese kritische Verlangsamung kann als eine Schwächung der Rückstellkräfte angesehen werden, die das System normalerweise nach Störungen wieder ins Gleichgewicht bringen.

„Ein System mag stabil erscheinen, wenn man nur seinen mittleren Zustand betrachtet“
„Ein System mag zwar stabil erscheinen, wenn man nur seinen Mittelwert betrachtet, doch wenn man sich die Daten mit innovativen statistischen Methoden genauer ansieht, kann man einen Verlust an Resilienz feststellen“, sagt Chris Boulton vom Global Systems Institute der Universität Exeter. „Frühere Studien, die sich auf Computersimulationen stützten, deuteten darauf hin, dass große Teile des Amazonasgebiets bereits zum Absterben verdammt sein könnten, bevor eine starke Veränderung des mittleren Zustands sichtbar wird. Unsere Beobachtungsanalyse zeigt nun, dass die Destabilisierung in vielen Gebieten tatsächlich bereits im Gange zu sein scheint.“

Um die Ursachen für den Verlust der Widerstandsfähigkeit zu ermitteln, den die Wissenschaftler in den Daten finden, untersuchten sie die Beziehung zu den Niederschlägen im Amazonasgebiet, die in drei „einmal in einem Jahrhundert“ auftretenden, verheerenden Dürreereignissen in der Region gipfelten. Es stellte sich heraus, dass trockenere Gebiete stärker gefährdet sind als feuchtere. „Dies ist alarmierend, da die IPCC-Modelle eine allgemeine Austrocknung des Amazonasgebiets als Reaktion auf die vom Menschen verursachte globale Erwärmung vorhersagen“, so Boers. Ein weiterer Faktor ist die Entfernung eines Gebiets zu Straßen und Siedlungen, von denen aus Menschen den Wald erreichen können. Die Daten bestätigen, dass Gebiete in der Nähe von menschlicher Landnutzung stärker bedroht sind.

„Unsere neuartige Analyse empirischer Daten liefert zusätzliche Beweise für die Besorgnis über die Widerstandsfähigkeit des Waldes, insbesondere in naher Zukunft“, sagt Tim Lenton, Direktor des Global Systems Institute. „Sie bestätigt, dass eine starke Begrenzung der Abholzung, aber auch eine Begrenzung der globalen Treibhausgasemissionen notwendig ist, um den Amazonas zu schützen.“

Publikation:
Chris A. Boulton, Timothy M. Lenton, Niklas Boers (2022): Pronounced loss of Amazon rainforest resilience since the early 2000s. Nature Climate Change
https://www.nature.com/articles/s41558-022-01287-8

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