Kleiner Anstoß schaukelt sich auf

CO2 aus dem Boden – “positive” Rückkopplungen

Das vom Weltklimarat IPCC 2018 in seinem Sonderbericht zum 1,5-Grad-Ziel (solarify.eu/ipcc-sonderbericht) errechnete CO2-Budget der Menschheit ist nicht sehr groß: Nur noch 420 Milliarden Tonnen CO2, wenn wir mit Zwei-Dritteln Wahrscheinlichkeit 1,5 Grad einhalten wollen – bei zwei Grad erlaubter Erwärmung sind es 1170 Milliarden Tonnen. Derzeit stoßen wir 42 Milliarden Tonnen im Jahr aus. Doch das ist nicht alles.

Denn die durch auftauende Permafrostböden trocknende Moore freigesetzten Klimagase sind in diese Berechnung gar nicht mit eingeflossen: “Die mögliche zusätzliche Freisetzung von Kohlendioxid aus Permafrost und Methan aus Feuchtgebieten”, so der IPCC, ” würde das Budget um bis zu 100 Milliarden Tonnen CO2 in diesem Jahrhundert reduzieren und anschließend um noch mehr.” Also müssen bei den Berechnungen des noch verbleibenden CO2-Budgets nicht nur die Emissionen, die der Mensch direkt verursacht, berücksichtigt werden, sondern auch die Rückkopplungseffekte im Erdsystem. Auch sie verringern die Menge, die noch emittiert werden darf.

Und die vom IPCC beschriebenen 100 Milliarden Tonnen CO2, die dazugerechnet werden müssten, könnten sich gar als zu knapp herausstellen, wie eine Untersuchung unter Leitung der britischen Universität Exeter (“Global warming of 2°C would lead to about 230 billion tonnes of carbon being released from the world’s soil”) zeigt:  Die Forschenden haben die Auswirkung steigender Temperaturen auf den Kohlenstoffumsatz im Boden untersucht. Ihre in Nature Communications erschienenen Studie kommt zu beunruhigenden Ergebnissen.

Positive Rückkopplungen sorgen in manchen Fällen für eine Verstärkung von ursprünglich sehr schwachen und für sich kaum wirksamen Variationen äußerer Klimaantriebe. Ein wichtiges Beispiel für eine positive Rückkopplung im Klimasystem ist die Eis-Albedo-Rückkopplung. Sie beruht auf der wechselhaften Reflexion eingestrahlter Sonnenenergie durch verschiedene Oberflächen. Eine geringe Abkühlung bewirkt einen erhöhten Energieverlust durch Reflexion am weißen Schnee (bis 80 % und mehr) gegenüber der durch apere Oberflächen (20 % und weniger). Die Albedo-Rückkopplung ist allerdings komplizierter, da zu ihr auch die Wolken stark beitragen, diese sind aber in den Klimamodellen noch nicht befriedigend simuliert.

Die österreichische Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik des Forschungsministeriums geht in einem Text weit zurück: Wesentliche klassische Messungen der Albedo über Schnee und Eis führten Franz Sauberer und Inge Dirmhirn in den späten 1940er- und frühen 1950er-Jahren in der vergletscherten Umgebung des Sonnblick-Observatoriums durch.

Links: Albedo-Werte verschiedener Oberflächenzustände eines Gletschers (Böhm u.a. 2011, nach Sauberer und Dirmhirn 1952). Rechts: Die Werte wurden durch mehrere Messkampagnen in den 50er-Jahren von Inge Dirmhirn und Franz Sauberer am Sonnblick gewonnen (Tollner H., ZAMG) – Grafik und Foto © zamg.ac.at/positive-rueckkopplungen.

Manche positive Rückkopplungen verursachen eine weitere Selbstverstärkung, etwa, wenn im nördlichen Eismeer die Eisdecke zurückgeht. In diesem Fall besteht die grundlegende Rückkopplung in einem besonders starken Albedoeffekt, da Wasser noch weniger Strahlung reflektiert als Land. Dazu kommt eine zweite Rückkopplung, da die Packeisdecke zuvor auch den Wärmefluss aus dem Ozean in die Atmosphäre abgeschirmt hat, was nach dem Abtauen nicht mehr der Fall ist.

Löslichkeit von Gasen, Wasserdampfrückkopplung, Methan

Eine andere wesentliche Rückkopplung im Klimawandel beruht auf der temperaturabhängigen Löslichkeit von Gasen – auch von Treibhausgasen – im Ozean: Wärmeres Wasser löst weniger Gase  – und atmosphärische Treibhausgase verursachen Erwärmung. Vor allem dieser selbstverstärkende Prozess führte zusätzlich zu einer Albedo-Rückkopplung.

Etwa zu einer Verdopplung der durch die anthropogenen Treibhausgase angenommenen Erwärmung führt die Wasserdampfrückkopplung in der Atmosphäre. Sie wird durch das physikalische Gesetz verursacht, dass der maximal mögliche Wasserdampfgehalt der Atmosphäre progressiv mit deren Temperatur steigt (Magnus-Formel). Da für zwei Drittel der Erdoberfläche mit den Ozeanen eine unerschöpfliche Wasserdampfquelle vorhanden ist, steigt dieser auch tatsächlich, wenn es wärmer wird. Da Wasserdampf ein sehr wirksames Treibhausgas ist, ergibt sich eine klare Selbstverstärkung, für die sich die Bezeichnung „indirekter Treibhauseffekt“ eingebürgert hat.

Über Methan (CH4) läuft eine weitere, allerdings quantitativ noch wenig erforschte positive Rückkopplung. Lediglich das Vorzeichen ist unbestritten. Beim unvermeidlichen Auftauen von Permafrostböden infolge der in den arktischen Landmassen besonders starken Erwärmung könnten relevante Mengen des bisher im gefrorenen Untergrund der Tundra fest gebundenen „Sumpfgases“ frei werden. Messprojekte und Modellrechnungen bemühen sich zurzeit verstärkt um eine genaue Darstellung dieses Prozesses.

Abstract und Einführung aus Nature Communications

Rückkopplungen des Kohlenstoffkreislaufs stellen große Unsicherheiten bei Prognosen zum Klimawandel dar, und die Reaktion des Bodenkohlenstoffs auf den Klimawandel trägt dazu die größte Unsicherheit bei. Zukünftige Veränderungen des Bodenkohlenstoffs hängen von Veränderungen der Streu- und Wurzeleinträge von Pflanzen und insbesondere von der Verringerung der Umsatzzeit des Bodenkohlenstoffs (?s) mit der Erwärmung ab. Eine Annäherung an den letztgenannten Begriff für den obersten Meter Boden (?Cs,?) kann anhand von Projektionen diagnostiziert werden, die mit den Erdsystemmodellen (Earth System Models, ESMs) CMIP6 und CMIP5 erstellt wurden, und es hat sich herausgestellt, dass sie selbst bei 2 °C globaler Erwärmung (-196 ± 117 PgC) einen großen Bereich abdecken. Hier präsentieren wir eine Einschränkung auf ?Cs,?, die sich die derzeitige heterotrophe Atmung und die aus Beobachtungen abgeleitete räumliche Variabilität von ?s zunutze macht. Diese räumliche Emergenzbeschränkung erlaubt es uns, die Unsicherheit in ?Cs,? bei 2 °C auf -232 ± 52 PgC zu halbieren.

Rückkopplungen des Klima-Kohlenstoffkreislaufs müssen verstanden und quantifiziert werden, wenn die Ziele des Pariser Abkommens erreicht werden sollen. Veränderungen des Bodenkohlenstoffs stellen eine besonders große Unsicherheit dar, die das Potenzial hat, den Kohlenstoffhaushalt für die Klimastabilisierung bei 2 °C Erderwärmung erheblich zu reduzieren. In früheren Studien wurde die Reaktion des Bodenkohlenstoffs auf den Klimawandel sowohl auf der Grundlage von Beobachtungsstudien9 als auch von Erdsystemmodellen (Earth System Models, ESMs) untersucht. ESMs sind gekoppelte Modelle, die sowohl Klima- als auch Kohlenstoffkreislaufprozesse simulieren. Projekte wie das Coupled Model Inter-comparison Project (CMIP) haben einen konsistenten Vergleich der Reaktion des Bodenkohlenstoffs auf den Klimawandel mit bestehenden hochmodernen ESMs ermöglicht. Die Unsicherheit aufgrund der Rückkopplung des Bodenkohlenstoffs verringerte sich jedoch weder zwischen den Modellgenerationen CMIP3 und CMIP56 noch mit den neuesten CMIP6-Modellen signifikant, so dass die prognostizierte Veränderung des globalen Bodenkohlenstoffs zwischen den Modellen immer noch erheblich variiert.

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