Die Erde enthält große Mengen an Kohlenstoff. Dieser Kohlenstoff stammt zum einen aus früheren Ablagerungen wie zum Beispiel Kreide und andere Carbonate, die aus den Schalen kleiner Meereslebewesen zu ganzen Gebirgen aufgeschichtet werden können. Bei der Verwitterung wird dieses Carbonat wieder freigesetzt und kann so auch wieder als CO2 in die Atmosphäre abgegeben werden. Während also die Meere CO2 aufnehmen, welches in Meereslebewesen gebunden wird und auf dem Meeresgrund Sedimente bildet, geben Erde und Gesteine CO2 ab.
Es gibt weitere wichtige CO2-Quellen und –Senken im Boden. Pflanzen und Tiere, die sterben, werden verwertet oder verrotten am Boden. Ein Teil dieses organischen Materials geht in den Boden und bildet dort zum Beispiel Humus. Die organischen Bestandteile in diesem Mutterboden werden von Kleinstorganismen zersetzt und geben dabei wieder CO2 ab. In Sumpfgebieten und Mooren kann diese Zersetzung unter Luftabschluß erfolgen und es wird statt CO2 eher Methan (CH4) freigesetzt. Methan hat je nach betrachteter Zeitskala einen ca. 21mal stärkeren Treibhauseffekt als CO2 (bei einer Zeitskala von 100 Jahren).
Eine weitere Kohlenstoffquelle sind Waldbrände. Sie hinterlassen vor allem Holzkohle. Das ist im wesentlichen Ruß, gering verunreinigter Kohlenstoff, im englischen black carbon genannt. Dieser Kohlenstoff ist für Kleinstlebewesen schwerer zu verwerten. Statt innerhalb von wenigen Jahren wird hier der Kohlenstoff innerhalb von ein oder zwei Jahrtausenden wieder als CO2 freigesetzt bzw. in den biologischen Zyklus eingebracht. Man kann sich vorstellen, daß es einen großen Unterschied für die Kohlenstoffbilanz macht, wie viel organisches Material zu humusartigen Bestandteilen umgesetzt wird und wie viel zu schwarzem Kohlenstoff. Leider weiß man es nicht.
Steigende Temperaturen führen zu einer positiven Rückkopplung, weil der mikrobiologische Abbau von organischen Substanzen deutlich beschleunigt wird. Außerdem tauen Permafrostböden in der Tundra Sibiriens und Kanadas auf, die zu sumpfigem Gelände werden, das in starkem Maße Methan freisetzt. Die Prozesse, die jeweils dahinter stehen, sind stark abhängig von der sehr unterschiedlichen Zusammensetzung der Böden und hochgradig nicht-linear. Eine Horrorvision für Modellierer, die die Rückkopplung der globalen Temperaturänderungen mit ihren Bodenmodellen berücksichtigen wollen. In der Vergangenheit erzeugten voll gekoppelte Modelle, bei denen Kohlenstoffemissionen aus sich erwärmenden Böden berücksichtigt wurden und selbst zu weiterer Erwärmung beitragen konnten, für CO2-Mischungsverhältnisse um 2100 von gut 600 ppm oder weit über 1000 ppm im Standardlauf je nach Modell und Annahmen. Der potentielle Effekt ist gewaltig, aber der tatsächliche Effekt unbekannt. Seitdem wurden nach Meinung der Forscher die Unsicherheiten eingegrenzt. In den IPCC-Modellen wird diese Rückkopplung erst in der neuesten Generation voll berücksichtigt und ist damit in dem neuesten IPCC-Berichten von 2007 integriert.
In einer neuen Publikation haben Johannes Lehmann und seine Mitarbeiter dargelegt, daß sie den Anteil von schwarzem Kohlenstoff in den Böden für unterschätzt halten. Nach ihren Modellrechnungen müssten die Projektionen von CO2-Abgaben aus den Böden bei einer Temperatursteigerung um 3 Grad um ca. 20 Prozent gesenkt werden, wenn Messungen aus Australien zum Gehalt an schwarzem Kohlenstoff global übertragen werden könnten. Nun ist gerade in Australien aufgrund der dort vorkommenden Busch- und Waldbrände ein relativ hoher Gehalt an schwarzem Kohlenstoff zu erwarten. Deshalb verdeutlicht die Arbeit Lehmanns eigentlich nur den hohen Forschungsbedarf. Er selbst weist darauf hin, daß der Vergleich von Messungen und Modellrechnungen derzeit eher andeutet, daß wir nach Quellen für weitere Kohlenstoffemissionen suchen müssten und seine Rechnungen, die die Kohlenstoffquellen in die Atmosphäre verringern, den vorhandenen Fehler noch vergrößern.
Interessanterweise ist schwarzer Kohlenstoff auch eine der Möglichkeiten, Kohlenstoff im Boden zu binden und eine Möglichkeit des Geoengineerings. Man würde hier Pflanzen unter verminderter Luftzufuhr teilweise verbrennen und verkohlen und als Biochar in die Böden geben. In einigen Jahren könnte dies eine ökonomisch sinnvolle Maßnahme sein, CO2-Bilanzen zu verbessern. Lehmann gehört zu den Forschern, die an solchen Lösungen arbeiten.
Freitag, 21. November 2008
Sonntag, 16. November 2008
Klimasensitivität - die Wasser-Temperatur-Rückkopplung
Die Verdopplung der CO2-Konzentration allein führt über den Treibhauseffekt nur zu einer moderaten Temperaturerhöhung von ca. 1,2 Grad Celsius. Erst Rückkopplungseffekte verstärken die Auswirkungen der Erhöhung der Treibhausgaskonzentrationen auf die derzeit anerkannte Spanne im Bereich von ca. 1,5 bis 4,5 Grad Celsius mit dem wahrscheinlichsten Wert von 3 Grad. Daß diese Rückkopplungen bestehen, zeigen Auswertungen von Klimaveränderungen in der Vergangenheit. Hier war der Antrieb meist eine Veränderung der Aufnahme der Sonnenstrahlung durch Bahnveränderungen der Erde, aber auch Häufungen von Vulkanausbrüchen, die über ausgestoßenes Aerosol die Reflektion von Sonnenlicht erhöhten. Betrachtet wurden Eiszeiten, aber auch z.B. globale Temperaturschwankungen in den letzten Jahrhunderten und Jahrzehnten. Übereinstimmend ergeben Auswertungen vergangener Klimaänderungen und die Modellrechnungen einen positiven Beitrag der Rückkopplungen, die globale Temperaturänderungen um einen Faktor ca. 2,5 verstärken (mit der Spanne ca. 1,5 bis über 3).
Von ganz besonderer Bedeutung ist dabei die Temperatur-Wasser-Rückkopplung. Ihre Größe und ihr Vorzeichen macht letztlich den Unterschied aus zwischen Szenarien, bei denen der der Anstieg der Treibhausgasemissionen zu einer deutlichen globalen Erwärmung mit allen diskutierten Folgen führt und solchen, bei denen die Klimaänderung sich in kontrollierbaren Grenzen hält. Die Möglichkeit, daß eine steigende Temperatur auf geheimnisvolle Weise dazu führt, daß letztlich weniger Wasser in der Atmosphäre ist oder die Wolken sich so ändern, daß sie mehr Sonnenlicht reflektieren war seit langem die einzige wissenschaftlich begründbare Position, den Grundaussagen des IPCC skeptisch gegenüber zu stehen.
Diese Position hatte ich bereits als die Iris-Hypothese von Lindzen erwähnt. Kurz zusammengefaßt behaupten Lindzen und einige wenige andere Wissenschaftler dabei, daß über warmen Meeresflächen die hohen Cirruswolken ausgedünnt werden und dadurch mehr Wärme in das Weltall abgestrahlt werden kann, wodurch die Erde gekühlt wird. Das wäre eine negative Rückkopplung.
Diese Behauptung wurde bereits wiederlegt – sie stimmt mit Messungen nicht überein. Darüber hinaus wurde bereits in anderen Arbeiten und Modellrechnung wiederholt bestätigt, daß eine Erwärmung der Erde dazu führt, daß die Luft eher mehr Wasser halten kann und dadurch Wasser als zusätzliches Treibhausgas den Treibhauseffekt anderer Treibhausgase verstärkt – entsprechende Literaturstellen findet man in den IPCC-Berichten an gegebener Stelle.
Wem alle diese Nachweise und Diskussionen noch zu abstrakt waren, für den sollte eine Veröffentlichung alles klar machen, die letzten Monat herauskam. Hier wurde eine starke Temperatur-Wasser-Rückkopplung auf der Basis einer Auswertung von Satellitenmessungen nachgewiesen, die im Einklang mit Untersuchungen vergangener Klimaänderungen und mit den Modellergebnissen steht. Dessler, Zhang und Yang haben in einer sehr knapp und präzise formulierten Arbeit, die kürzlich in den Geophysical Research Letters publiziert wurde, aus Satellitendaten abgeleitet, wie stark die Temperatur-Wasser-Rückkopplung ist (über den Link ist leider nur die Zusammenfassung des Artikels frei verfügbar - den Artikel selbst erhält man hier). Gemessen wurden dabei verschiedene Größen, wie Temperatur und Feuchtegehalt der Atmosphäre. Sie fanden einen relativ hohen Wert von 2,04 W/m2/K heraus. Das heißt, je 1 Grad Klimaerwärmung steigt der Wassergehalt der Atmosphäre derart, daß der Treibhauseffekt einen zusätzlichen Antrieb von 2,04 W/m2 erhält, entsprechend einer weiteren Verdopplung der CO2-Konzentration. Damit ist aufgrund von Messungen bestätigt, daß zusammen mit anderen bereits bekannten positiven Rückkopplungen dafür eine Verdopplung von CO2 zu einer Temperaturerhöhung von nunmehr mindestens 3 Grad führt, möglicherweise auch mehr. Zusammen mit der höher als erwarteten Emissionsentwicklung heißt das, daß von den IPCC-Szenarien derzeit eher die pessimistischen zutreffen werden oder diese sogar noch übertroffen werden. Es gibt derzeit in der Fachliteratur einen Trend, und der deutet darauf hin, daß die Aussagen des IPCC eine wirkliche konservative Abschätzung der anstehenden Probleme darstellen - konservativ in dem Sinne, daß eher eine untere Grenze der Klimaänderungen und Klimafolgen dargestellt wird. Eine weitere Diskussion zu diesem Thema findet man auch hier.
Von ganz besonderer Bedeutung ist dabei die Temperatur-Wasser-Rückkopplung. Ihre Größe und ihr Vorzeichen macht letztlich den Unterschied aus zwischen Szenarien, bei denen der der Anstieg der Treibhausgasemissionen zu einer deutlichen globalen Erwärmung mit allen diskutierten Folgen führt und solchen, bei denen die Klimaänderung sich in kontrollierbaren Grenzen hält. Die Möglichkeit, daß eine steigende Temperatur auf geheimnisvolle Weise dazu führt, daß letztlich weniger Wasser in der Atmosphäre ist oder die Wolken sich so ändern, daß sie mehr Sonnenlicht reflektieren war seit langem die einzige wissenschaftlich begründbare Position, den Grundaussagen des IPCC skeptisch gegenüber zu stehen.
Diese Position hatte ich bereits als die Iris-Hypothese von Lindzen erwähnt. Kurz zusammengefaßt behaupten Lindzen und einige wenige andere Wissenschaftler dabei, daß über warmen Meeresflächen die hohen Cirruswolken ausgedünnt werden und dadurch mehr Wärme in das Weltall abgestrahlt werden kann, wodurch die Erde gekühlt wird. Das wäre eine negative Rückkopplung.
Diese Behauptung wurde bereits wiederlegt – sie stimmt mit Messungen nicht überein. Darüber hinaus wurde bereits in anderen Arbeiten und Modellrechnung wiederholt bestätigt, daß eine Erwärmung der Erde dazu führt, daß die Luft eher mehr Wasser halten kann und dadurch Wasser als zusätzliches Treibhausgas den Treibhauseffekt anderer Treibhausgase verstärkt – entsprechende Literaturstellen findet man in den IPCC-Berichten an gegebener Stelle.
Wem alle diese Nachweise und Diskussionen noch zu abstrakt waren, für den sollte eine Veröffentlichung alles klar machen, die letzten Monat herauskam. Hier wurde eine starke Temperatur-Wasser-Rückkopplung auf der Basis einer Auswertung von Satellitenmessungen nachgewiesen, die im Einklang mit Untersuchungen vergangener Klimaänderungen und mit den Modellergebnissen steht. Dessler, Zhang und Yang haben in einer sehr knapp und präzise formulierten Arbeit, die kürzlich in den Geophysical Research Letters publiziert wurde, aus Satellitendaten abgeleitet, wie stark die Temperatur-Wasser-Rückkopplung ist (über den Link ist leider nur die Zusammenfassung des Artikels frei verfügbar - den Artikel selbst erhält man hier). Gemessen wurden dabei verschiedene Größen, wie Temperatur und Feuchtegehalt der Atmosphäre. Sie fanden einen relativ hohen Wert von 2,04 W/m2/K heraus. Das heißt, je 1 Grad Klimaerwärmung steigt der Wassergehalt der Atmosphäre derart, daß der Treibhauseffekt einen zusätzlichen Antrieb von 2,04 W/m2 erhält, entsprechend einer weiteren Verdopplung der CO2-Konzentration. Damit ist aufgrund von Messungen bestätigt, daß zusammen mit anderen bereits bekannten positiven Rückkopplungen dafür eine Verdopplung von CO2 zu einer Temperaturerhöhung von nunmehr mindestens 3 Grad führt, möglicherweise auch mehr. Zusammen mit der höher als erwarteten Emissionsentwicklung heißt das, daß von den IPCC-Szenarien derzeit eher die pessimistischen zutreffen werden oder diese sogar noch übertroffen werden. Es gibt derzeit in der Fachliteratur einen Trend, und der deutet darauf hin, daß die Aussagen des IPCC eine wirkliche konservative Abschätzung der anstehenden Probleme darstellen - konservativ in dem Sinne, daß eher eine untere Grenze der Klimaänderungen und Klimafolgen dargestellt wird. Eine weitere Diskussion zu diesem Thema findet man auch hier.
Todeszonen in den Ozeanen als Folge des Klimawandels
Für Meeresbiologen und Ozeanographen sind sie ein bekanntes Phänomen, die sogenannten Todeszonen in den Ozeanen. Erst kürzlich war es in der internationalen Presse eine Schlagzeile, daß eine starke Ausbreitung einer Todeszone im Golf von Mexiko beobachtet wurde. Bei den Todeszonen handelt es sich um Gebiete in den Meeren, in denen der sonst vorhandene Sauerstoff im Wasser vollständig verbraucht wurde. Leben, daß von diesem Sauerstoff abhängig ist, ist in den Todeszonen nicht möglich. Also gibt es dort weder Fische noch wirbellose Tiere noch Pflanzen, allenfalls besonders bedürfnisloses Kleinstleben, insbesodnere anaerobe Bakterien, die zum Beispiel von Schwefelverbindungen leben und dabei giftiges Schwefelwasserstoff freisetzen können. Da diese Todeszonen auch Meerespflanzen abtöten, haben sie auch eine starke Erhaltungsneigung. Erst ein intensiver Austausch mit suerstoffreichem Wasser kann die Todeszone auflösen. Das ist natürlich bei sehr großen Zonen schwierig. Diese Zone können bei warmem Wetter und in Zeiten der Algenblüte weiter wachsen. Besonders bedeutsam wird es, wenn diese Todeszonen Gebiete einschließen, in denen eigentlich in großem Umfang Jungfische heranwachsen müßten. Die Nahrungskette in den Ozeanen kann beeinträchtigt werden, sich zu einem ausgedehnten Artensterben auswachsen und uns dabei einen Einbruch bei unseren wichtigsten Nahrungsfischen bescheren.
Es lag bisher schon der Verdacht nahe, daß der Klimawandel zu einer Ausdehnung der Todeszonen führen könnte - warmes Wasser neigt dazu, weniger Sauerstoff zu enthalten und das wird verstärkt durch eine höhere biologische Aktivität, die den Sauerstoff aufzehrt. Die Versauerung der Meere durch immer mehr gelöstes Kohlendioxid kann dazu führen, daß manche Arten, etwa Schalentiere, absterben und dadurch die Belastung der Ozeane mit totem, Sauerstoff verbrauchendem Material erhöhen. CO2 hat aber auch einen Düngeeffekt. Düngeeffekte sind anders als landläufig angenommen, nicht per se günstig. Überdüngung ist genau eine der Ursachen für ein Umkippen von Gewässern, in denen nach einer Blüte von Algen und anderen Lebewesen absterbendes Material den vorhandenen Sauerstoff aufbraucht. Genau eine solche Überdüngung durch das verfrachtete organische Material und mitgeschleppte Waschmittel und Dünger aus den einmündenden Flüssen, wie dem Mississippi, ist zum Beispiel die Ursache für die Todeszone im Golf von Mexiko. Hier kommen aber auch besondere Strömungsverhältnisse dazu. Würde diese Todeszone sich soweit ausdehnen, daß sie den Golfstrom beeinflussen könnte, hätte das sicher gravierende Folgen.
CO2 hat selbst aber auch einen Düngeeffekt, denn auch ein Zunahem des CO2-Gehalts im Wasser kann das Algenwachstum anregen. Absterbende Algen verbrauchen dann in den tieferen Meeresschichten (einige 100 Meter Tiefe) den Sauerstoff. Eine neue Studie unter der Federführung von Kieler Forschern des Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) belegt mit Hilfe eines Modells, das atmosphärische, marine und biologische Abläufe verknüpft, wie zum Beispiel Nahrungsangebot, Algenblüte und Sauerstoffverbrauch, daß durch die erhöhte CO2-Menge in den Ozeanen die Todeszonen sich in den nächsten Jahrzehnten erheblich ausdehnen werden. Eine Gruppe um Prof. Andreas Oschlies bezifferte die Ausbreitung tropischer Todeszonen bis zum Ende des Jahrhunderts um 50%. Angesichts vieler Unsicherheiten ist eine solche Zahl eher als eine Hausnummer zu verstehen, die uns die Größenordnung angibt. Die Entwicklung solcher Todeszonen kann sich durch Rückkopplungseffekte verstärken und vielleicht schwächer, vielleicht auch stärker ausfallen, und letzteres in Kombination mit Veränderungen an Land könnte zu einer massiven Nahrungsmittelknappheit im Lauf des Jahrhunderts beitragen.
ERGÄNZUNG: Diese Sicht auf sich ausdehnende Todeszonen wirkt allerdings noch konservativ gegenüber Ansichten, die der Ozeanograph Jeremy Jackson vom SCRIPPS Institut für Ozeanographie vertritt. In einer eigenen Veröffentlichung sieht er die Möglichkeit eines durch solche Todeszonen in naher Zukunft verursachten Massenaussterbens von Arten in den Ozeanen.
Eine weitere Gefahr liegt darin, daß die Düngung von Meeresgebieten mit Eisen als eine der Maßnahmen gehandelt wird, die vielleicht zur Verringerung der CO2-Menge in der Atmosphäre beitragen könnte. Die Düngung nährstoffarmer Meeresgebiete und die dadurch verursachte Algenblüte trägt auch nach Versuchen zunächst dazu bei, daß CO2 in den Algen gebunden wird. Sinken die abgestorbenen Algen in die Tiefsee ab, ist damit der Luft erst mal CO2 entzogen. Gleichzeitig ist aber die Gefahr gegeben, daß auch das zur Ausbreitung von Todeszonen in den Meeren beiträgt. Wie alle Maßnahmen des Geoengineerings kann auch diese dazu führt, daß es am Ende heißt: "Operation gelungen, Patient tot."
Es lag bisher schon der Verdacht nahe, daß der Klimawandel zu einer Ausdehnung der Todeszonen führen könnte - warmes Wasser neigt dazu, weniger Sauerstoff zu enthalten und das wird verstärkt durch eine höhere biologische Aktivität, die den Sauerstoff aufzehrt. Die Versauerung der Meere durch immer mehr gelöstes Kohlendioxid kann dazu führen, daß manche Arten, etwa Schalentiere, absterben und dadurch die Belastung der Ozeane mit totem, Sauerstoff verbrauchendem Material erhöhen. CO2 hat aber auch einen Düngeeffekt. Düngeeffekte sind anders als landläufig angenommen, nicht per se günstig. Überdüngung ist genau eine der Ursachen für ein Umkippen von Gewässern, in denen nach einer Blüte von Algen und anderen Lebewesen absterbendes Material den vorhandenen Sauerstoff aufbraucht. Genau eine solche Überdüngung durch das verfrachtete organische Material und mitgeschleppte Waschmittel und Dünger aus den einmündenden Flüssen, wie dem Mississippi, ist zum Beispiel die Ursache für die Todeszone im Golf von Mexiko. Hier kommen aber auch besondere Strömungsverhältnisse dazu. Würde diese Todeszone sich soweit ausdehnen, daß sie den Golfstrom beeinflussen könnte, hätte das sicher gravierende Folgen.
CO2 hat selbst aber auch einen Düngeeffekt, denn auch ein Zunahem des CO2-Gehalts im Wasser kann das Algenwachstum anregen. Absterbende Algen verbrauchen dann in den tieferen Meeresschichten (einige 100 Meter Tiefe) den Sauerstoff. Eine neue Studie unter der Federführung von Kieler Forschern des Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) belegt mit Hilfe eines Modells, das atmosphärische, marine und biologische Abläufe verknüpft, wie zum Beispiel Nahrungsangebot, Algenblüte und Sauerstoffverbrauch, daß durch die erhöhte CO2-Menge in den Ozeanen die Todeszonen sich in den nächsten Jahrzehnten erheblich ausdehnen werden. Eine Gruppe um Prof. Andreas Oschlies bezifferte die Ausbreitung tropischer Todeszonen bis zum Ende des Jahrhunderts um 50%. Angesichts vieler Unsicherheiten ist eine solche Zahl eher als eine Hausnummer zu verstehen, die uns die Größenordnung angibt. Die Entwicklung solcher Todeszonen kann sich durch Rückkopplungseffekte verstärken und vielleicht schwächer, vielleicht auch stärker ausfallen, und letzteres in Kombination mit Veränderungen an Land könnte zu einer massiven Nahrungsmittelknappheit im Lauf des Jahrhunderts beitragen.
ERGÄNZUNG: Diese Sicht auf sich ausdehnende Todeszonen wirkt allerdings noch konservativ gegenüber Ansichten, die der Ozeanograph Jeremy Jackson vom SCRIPPS Institut für Ozeanographie vertritt. In einer eigenen Veröffentlichung sieht er die Möglichkeit eines durch solche Todeszonen in naher Zukunft verursachten Massenaussterbens von Arten in den Ozeanen.
Eine weitere Gefahr liegt darin, daß die Düngung von Meeresgebieten mit Eisen als eine der Maßnahmen gehandelt wird, die vielleicht zur Verringerung der CO2-Menge in der Atmosphäre beitragen könnte. Die Düngung nährstoffarmer Meeresgebiete und die dadurch verursachte Algenblüte trägt auch nach Versuchen zunächst dazu bei, daß CO2 in den Algen gebunden wird. Sinken die abgestorbenen Algen in die Tiefsee ab, ist damit der Luft erst mal CO2 entzogen. Gleichzeitig ist aber die Gefahr gegeben, daß auch das zur Ausbreitung von Todeszonen in den Meeren beiträgt. Wie alle Maßnahmen des Geoengineerings kann auch diese dazu führt, daß es am Ende heißt: "Operation gelungen, Patient tot."
Abonnieren
Posts (Atom)