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Klimasimulationen für Wissenschaft und Gesellschaft
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Hintergrundwissen zum Thema Landbiosphäre
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Seit der Erfindung von Ackerbau und Viehzucht wandelt der Mensch natürliche Vegetationsflächen in Acker- und Weideland um. Da die weltweite Vegetationunser Klima auf vielfältige Weise mitbestimmt, hat der Mensch dadurch möglicherweise schon Klimaveränderungen verursacht, lange bevor er begann, massiv Öl und Kohle zu verbrennen.
Gegenwärtig sind 30-50 % der Landoberfläche der Erde durch die menschliche Nutzung umgewandelt, davon 15 Mio. km2 durch Ackerbau und 34 Mio. km2 durch Weideland. Dieser Prozess hat in den alten Kulturregionen Naher Osten, Indien, China und dem Mittelmeerraum bereits mehrere Jahrtausende vor Chr. eingesetzt.
Kontinente wirken als Kohlenstoffspeicher
Vernichtung von Vegetation führt zur Abgabe von Kohlendioxid. Gleichzeitig macht die Pflanzenwelt der Erde einen Teil des in die Atmosphäre entlassenen Kohlendioxids wieder unschädlich. Denn Pflanzen nehmen Kohlendioxid mithilfe der Fotosynthese aus der Atmosphäre auf und binden den darin enthaltenen Kohlenstoff unter Abgabe von Sauerstoff in organischen Verbindungen. So nahmen die Kontinente in den 1990er-Jahren von den jährlich etwa 6,4 Gigatonnen (Milliarden Tonnen) Kohlenstoff aus der Verbrennung von Kohle, Öl und Erdgas etwa eine Gigatonne wieder auf.
Die Kontinente speichern also immerhin 15 Prozent der fossilen Emissionen jedes Jahr. Die Vegetation der Kontinente kann auf diese Weise dem globalen Temperaturanstieg entgegenwirken. Denn die weltweite Erwärmung hängt direkt mit dem Anstieg der Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre zusammen: Kohlendioxid verringert die Durchlässigkeit der Atmosphäre für die Wärmerückstrahlung der Erde, wodurch sich die unteren Luftschichten aufheizen. Die Land-Aufnahme von Kohlendioxid vermindert also den Temperaturanstieg, den wir ansonsten als Folge der Verbrennung fossiler Energieträger und der Ausdehnung landwirtschaftlicher Flächen zu erwarten hätten.
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Mit unserem Millenniums-Experiment haben wir zum ersten Mal mit einem sehr komplexen Klimamodell gemeinsam den Kohlenstoffkreislauf in Wechselwirkung mit dem Klima simuliert. Mit diesen Simulationen konnten wir zeigen, dass der Mensch spätestens ab etwa 1750 die CO2 Konzentration der Atmosphäre geändert hat. Wir führen das auf die sich seit mehreren tausend Jahren ausdehnendeLandwirtschaft zurück.
Durch die Umwandlung von Wäldern in Ackerfläche wird der dort gebundene Kohlenstoff in die Atmosphäre freigegeben und das atmosphärische CO2 erhöht. Die ersten Spuren dieses menschlichen Fussabdrucks im Kohlenstoffkreislauf, speziell im atmosphärischen CO2, sehen wir spätestens ab etwa 1750. Das ist lange bevor die eigentliche industrielle Revolution eingesetzt hat, d.h. bevor der Mensch fossile Energieträger wie Öl und Kohle für seinen Energiebedarf verwendet hat. |
| Dr. Christian Reick, Max-Planck-Institut Hamburg |
Albedo
Die biogeophysikalischen Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Atmosphäre bestehen vor allem im Austausch von Energie und Wasser. Die beiden physikalischen Schlüsselgrössen, die diesen Austausch steuern, sind zum einen das Reflexionsvermögen (Albedo), und zum anderen die Evapotranspiration (Verdunstung und Transpiration), die den Wasserkreislauf und die Temperatur beeinflusst.
Wälder haben mit 10 % eine sehr viel geringere Albedo als z.B. Schnee- (bis zu 90 %), Wüstenoberflächen (ca. 30 %) oder Ackerflächen. Dies ist kenntlich an der vergleichsweise dunklen Farbe von Wäldern wenn man sie aus der Vogelperspektive betrachtet. Der konkrete Wert der Albedo hängt von verschiedenen Faktoren ab, etwa der Blattfläche, der Blattorientierung im Verhältnis zum Lichteinfall, sowie der Lichtdurchlässigkeit und dem Reflexionsvermögen der Blätter.
Bei Schneeflächen spielen Struktur und Alter des Schnees sowie der Verschmutzungsgrad, z.B. durch Russablagerungen eine Rolle. Auch Ackerflächen und Weiden können je nach Bewuchs eine unterschiedliche Albedo aufweisen, die jedoch geringer als die von Schnee oder Wüstenböden ist.
Bei einer geringen Albedo wird die einfallende Strahlung in hohem Masse absorbiert und die Oberfläche erwärmt sich stark. Dadurch wird langwellige Wärmestrahlung an die Atmosphäre abgegeben. Der Energieüberschuss der erwärmten Erdoberfläche wird aber auch durch sensible und latente Wärme abtransportiert. Ein sensibler (fühlbarer) Wärmefluss bedeutet, dass Bodenwärme in die Atmosphäre übertragen wird.
Ein latenter Wärmefluss entsteht dadurch, dass dem Boden und der erwärmten Luft unmittelbar darüber durch Verdunstung Energie entzogen wird, die dann in höheren Luftschichten bei der Kondensation von Wasserdampf zu flüssigem Wasser (Tröpfchen) wieder freigesetzt wird. Betrachtet man nur den Albedo-Effekt alleine, so bedeutet eine Erhöhung der Albedo, z.B. durch Abholzung von Wald, typischerweise eine Abkühlung, eine Verringerung der Albedo, z.B. durch Aufforstung, eine Erwärmung.
Evapotranspiration Die Bodenbedeckung beeinflusst das Klima aber auch über den Wasserkreislauf. Dabei sind die direkte Verdunstung (Evaporation) von der Oberfläche der Blätter und des Bodens zu unterscheiden vom Verdampfen von Wasser aus den Stomata (Spaltöffnungen) der Pflanzen (Transpiration), das über die Wurzeln dem Bodenreservoir entnommen wird. Daher ist die Pflanzenbedeckung ein wichtiges Regulationselement für den Wasseraustausch zwischen Land und Atmosphäre.
Die Evapotranspiration (Evaporation + Transpiration) trägt gleichzeitig zum Energieaustausch zwischen Boden und Atmosphäre bei. Eine hohe Verdunstungs- und Transpirationsrate führt durch den Transport latenter Wärme zur Abkühlung der bodennahen und zur Erwärmung der höheren Luftschichten. Das geschieht dadurch, dass bei Verdunstung bzw. der Umwandlung von Wasser in Wasserdampf Energie gespeichert wird, die bei der Kondensation von Wasserdampf zu Wassertropfen in grösserer Höhe wieder frei gesetzt wird. Hinzu kommt, dass durch starke Verdunstung sich die Feuchtigkeit in höheren Luftschichten erhöht und es eher zur Wolkenbildung kommt als bei vegetationsarmen oder -losen Oberflächen.
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Wolken aber reflektieren Sonnenstrahlen und wirken abkühlend auf die untere Luftschicht. Andererseits hindern sie langwellige Wärmestrahlen daran, in den Weltraum zu entweichen, was vor allem nachts einen Erwärmungseffekt hat. Die Beseitigung von Wald hat also durch die Änderung der Evapotranspiration einen sehr differenzierten Einfluss auf das Klima, der grösstenteils dem Albedo-Effekt entgegen wirkt.
Die genannten Effekte kombinieren sich in ihren Wirkungen. Welche Effekte etwa bei einer Waldzerstörung oder einer Aufforstung überwiegen, hängt nicht zuletzt von regionalen Bedingungen ab. Die Folgen für das regionale und globale Klima können daher von Region zu Region sehr unterschiedlich sein. Die Abholzung von Wäldern führt zunächst zu einer Emission von Kohlendioxid und damit zu einer Erwärmung. Gleichzeitig erhöht sich aber auch die Albedo, was einen Abkühlungseffekt zur Folge hat. Aber auch die Evapotranspiration verändert sich.
Die Summe dieser Effekte ist in den Tropen eine andere als in den schneereichen hohen nördlichen Breiten. In den Tropen kommt es durch Waldvernichtung typischerweise zu einer deutlichen Erwärmung, da sich die Emission von Kohlendioxid und die Verminderung der Verdunstung stärker auswirken als die Änderung der Albedo.
In den schneereichen hohen Breiten hat die Abholzung dagegen typischerweise eine abkühlende Wirkung, weil hier durch die Beseitigung der Bäume aus einer Weltraumperspektive die Sicht auf die monatelang schneebedeckten Böden freigegeben wird, was zu einer drastischen Erhöhung der Albedo führt. Daher überwiegt hier der Albedo-Effekt gegenüber den anderen klimarelevanten Wirkungen, sodass Aufforstungsmassnahmen in diesen schneereichen hohen Breiten den gegenwärtigen Erwärmungstrend verstärken, in den Tropen aber verringern würden. Eine umgekehrte Wirkung hat die Beseitigung von Wald: Sie wirkt in den Tropen erwärmend, in schneereichen hohen Breiten abkühlend.4
Allerdings zeigt eine von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts kürzlich durchgeführte Studie6, dass Aufforstungsmassnahmen speziell in den Agrarregionen der hohen Breiten wie in den Tropen durchaus kühlend wirken könnten: diese Agrarregionen sind typischerweise schneearm, sodass dort der Albedo-Effekt wesentlich kleiner ist, und gleichzeitig ist dort die Produktivität der Pflanzen hoch, sodass die kohlenstoffbindende Wirkung der aufgeforsteten Wälder der Studie zufolge überwiegt.
Quellen:
1. Pongratz et al. (2008): A reconstruction of global agricultural areas and land cover for the last millennium, Global Biogeochemical Cycles 22, 1-16
2. Eigene Darstellung nach Pongratz et al. (2008): A reconstruction of global agricultural areas and land cover for the last millennium, Global Biogeochemical Cycles 22, 1-16
3. Vgl. auch IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Box 7.1
4. Claussen, M., V. Brovkin and A. Ganopolski (2001): Biogeophysical versus biogeochemical feedbacks of large-scale land cover change, Geophysical Research Letters 28, 1011-1014
5. Pongratz, J., and C. Reick, 2009: Landwirtschaft pflügt das Klima um. Max Planck Forschung, 2009, 77 - 82.
6. Pongratz et al. (2011): Past landuse decisions have increased mitigation potential of reforestation, Geophysical Research Letters, 38, L15701
Nach Dr. Dieter Kasang, http://bildungsserver.hamburg.de/das-klimasystem/2064130/kryosphaere-artikel.html
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| Quelle: Text Deutsches Klimarechenzentrum (DKRZ)und
Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), Hamburg, Februar 2012 |
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