Wie die Erde atmet

Mit einem über die ganze Welt verteilten Netzwerk aus solchen Messtürmen (hier ein Exemplar im Nationalpark Hainich in Thüringen) analysierten die Forscher den Gasaustausch zwischen Biosphäre und Atmosphäre (Foto: Max-Planck-Institut für Biogeochemie)

Zwei Studien liefern neue Erkenntnisse darüber, wie sich Klimaänderungen auf den Kohlendioxid-Kreislauf unseres Planeten auswirken

Im öffentlichen Bewusstsein spielt bei der Diskussion um den Klimaschutz meist vor allem der vom Menschen generierte Beitrag eine Rolle. Welche Mengen an klimawirksamen Gasen blasen wir zusätzlich in die Atmosphäre - und wie können wir diesen unseligen Einfluss verringern? Dabei vergisst man allerdings schnell, dass sich der Kohlendioxid-Kreislauf auf diesem Planeten auch ohne den weitestentwickelten Primaten fortsetzen würde. Tatsächlich geht es hier um Beträge, die die technischen Möglichkeiten des Menschen bei weitem überschreiten.

Pflanzen nehmen Kohlenstoff aus der Luft auf und verwandeln ihn in Biomasse. Pflanzen und Tiere verbrennen diese, um Energie zu erzeugen – und geben das Kohlendioxid wieder in die Luft ab. Dabei handelt es sich chemisch um sehr unterschiedliche Prozesse: Photosynthese auf der einen Seite, katalytisch beeinflusste Oxidation auf der anderen. Es ist klar, dass beide Vorgänge unterschiedlich auf geänderte Bedingungen reagieren sollten. Wer künftige Klimaänderungen mit Hilfe der Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre vorhersagen will, muss die grundlegenden Prozesse und deren Abhängigkeit von den Umweltbedingungen also zunächst verstanden haben.

Genau hier setzen zwei aktuelle Paper an, die das renommierte Wissenschaftsmagazin Science auf seiner Website veröffentlicht hat. Beide Arbeiten basieren auf Daten des Forschungsnetzwerks Fluxnet: Dabei handelt es sich um über 500 auf der ganzen Welt verteilte Sensortürme, die Daten über den Gasaustausch zwischen Bio- und Atmosphäre messen. Die Ergebnisse haben internationale Forscherteams nun ausgewertet - und zwar getrennt für die beiden Richtungen des Zyklus.

Pflanzen nehmen jährlich 123 Milliarden Tonnen CO2 auf

Das erste Paper untersucht dabei den Kohlendioxid-Eintrag aus der Atmosphäre in die Biosphäre. Es erfasst also mit statistischen Methoden, was die Pflanzenwelt für uns leistet. Demnach nimmt die Pflanzenwelt des blauen Planeten jährlich 123 Milliarden Tonnen CO2 aus der Luft auf – das ist die so genannte Gross Primary Production. Zum Vergleich: Man schätzt, dass pro Jahr durch die Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen etwa 7 Milliarden Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre geblasen werden.

Dabei arbeiten die verschiedenen Ökosysteme jedoch unterschiedlich effizient. Die tropischen Regenwälder etwa sind für rund 34 Prozent der CO2-Aufnahme verantwortlich, die Savannen dieser Welt jedoch nur für 26 Prozent, obwohl sie eine doppelt so große Fläche wie die Tropenwälder umfassen. Die Angaben liefern damit wichtige Hinweise, wie Klimaschutz am effizientesten gestaltet werden kann.

Weltweite Verteilung der Messtürme (Grafik: Ulrich Weber, Max-Planck-Institut für Biogeochemie)

Regenmenge und Effizienz der Photosynthese

Für die Prognose noch wichtiger zu wissen ist, welche Skaleneffekte sich ergeben. Wenn sich durch den Klimawandel Temperaturen und Niederschlagsmengen ändert, wie wirkt sich das auf die CO2-Aufnahme in die Biosphäre aus? Offenbar ist es so, dass die Regenmenge für etwa 40 Prozent der Landmasse bestimmend für die Effizienz der Photosynthese und damit für den Kohlendioxid-Fluss in die Biosphäre ist. Bei vielen gängigen Klimamodellen, stellen die Forscher fest, wird der Einfluss der Niederschlagsmengen anscheinend überschätzt.

Überrascht hat die Forscher auch, wie sich der Wassereinfluss bei den verschiedenen Ökosystemen ändert. In gemäßigten Gras- und Buschlandschaften etwa hängt die Fähigkeit der Pflanzen, CO2 chemisch zu binden, zu 69 Prozent von der Verfügbarkeit von Wasser ab – in den Tropenwäldern nur zu 29 Prozent. „Hier müssen wir also die Vorhersagen mancher Klimamodelle kritisch überprüfen, denen zufolge zum Beispiel der Amazonas wegen zunehmender Trockenheit absterben soll“, kommentiert der Biochemiker Markus Reichstein vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie.

Tropischer Regenwald in Ghana – gesehen von der Spitze eines Messturms (Foto: Science / AAAS)

Allzu ungünstige Feedback-Effekte unrealistisch

In einem zweiten Artikel befasst sich ein internationales Forscherteam mit dem umgekehrten Prozess – der CO2-Atmung von Flora und Fauna. Hier gab es bisher widersprüchliche Ergebnisse empirischer und modellhafter Forschung, insbesondere, was den Einfluss der Temperaturen betrifft. Mit den aus über 60 Messstationen gewonnen Werten konnten die Wissenschaftler nun eigene Modelle füttern - und es zeigt sich, dass die Temperatur-Sensitivität der globalen Ökosysteme, der so genannte Q10-Wert, offenbar sehr konstant 1,6 beträgt, sich also nicht mit der Temperatur ändert. Das heißt, dass Pflanzen und Mikroorganismen Zucker nicht einmal mit doppelter Geschwindigkeit in Kohlendioxid umwandeln, wenn die Temperatur um zehn Grad steigt.

Das hat die praktische Schlussfolgerung, dass sich Feedback-Effekte nicht so schnell aufsummieren können, wie man das in bisherigen Modellen vermutet und befürchtet hatte, die von einer Beschleunigung der CO2-Atmung um das Drei- oder Vierfache ausgingen. Nebenbei widerlegten die Forscher auch die bisher verbreitete Annahme, dass sich Temperaturänderungen bei Ökosysteme in niedrigen Breiten anders auswirken als in höheren Breiten – der Q10-Wert gilt für jedes Land-Ökosystem. (Matthias Gräbner)