Aktuell

Weniger Regen im Amazonasbecken

Dramatische Entwicklung am Amazonas: Rodungen reduzieren Niederschlag im Regenwald

(dpa) - 5. September, 2012

http://www.focus.de/wissen/natur/tiere-und-pflanzen/britische-forscher-stellen-fest-weniger-regen-wegen-regenwaldabholzung_aid_813621.html

Weniger Wolken durch mehr CO2

Ein bislang unbekannter Rückkopplungsmechanismus zwischen Vegetation und Wolkenbildung könnte den Klimawandel verstärken

Max-Planck-Institut für Chemie Pressemitteilung, 3.9.12

Je wärmer die Luft ist, desto mehr Wasser kann verdunsten: Ein einfacher Zusammenhang, den wir aus unserem Alltag kennen. Das ist aber nicht immer so, wie Forscher aus Deutschland und den Niederlanden jetzt herausgefunden haben: Die Erhöhung des Treibhausgases CO2 erzeugt zwar ein wärmeres Klima, lässt aber weniger Wasser verdunsten. Ursache für diesen scheinbaren Widerspruch sind Pflanzen, die mit ihren Milliarden winziger Blattporen den Gas- und Feuchtigkeitsgehalt ihrer Umgebungsluft beeinflussen. Dies wiederum stößt eine Kaskade von Folgeprozessen an, so dass sich das globale Klima letztlich weiter erwärmt, wie die Forscher anhand neuer Rechnungen mit Hilfe eines Atmosphärenmodells herausgefunden haben.

„Wir wollten wissen, wie der absehbare CO2-Anstieg auf die Wolkenbildung in gemäßigten Klimazonen wirkt und welche Rolle die Vegetation dabei spielt“, sagte Jordi Vilà-Guerau de Arellano von der Universität Wageningen in den Niederlanden. Zusammen mit seinen Kollegen von den Max-Planck-Instituten für Chemie und für Meteorologie nutzte der Geophysiker erstmals ein Computermodell, das sowohl den Boden, den Wasserkreislauf, die Atmosphäre als auch die Wachstumsprozesse der Pflanzen berücksichtigt. Die Modellergebnisse unterstreichen, dass lokale und täglich variable Prozesse die Atmosphäre durch Turbulenzen in großem Maßstab beeinflussen können.

Für ihre Analyse simulierten die Wissenschaftler drei Szenarien: die Verdopplung des atmosphärischen CO2-Gehalts von heute 0,038 Prozent auf 0,075 Prozent, die Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur um zwei Grad Celsius und die Kombination aus beidem. Alle drei Szenarien basieren auf den Prognosen des Weltklimarats IPCC und wurden für Bedingungen ermittelt, wie sie im Jahr 2100 zu erwarten sind, und mit den Werten von 2003 verglichen.

Die Forschergruppe stellte dabei fest, dass einige Austauschprozesse zwischen Vegetation, Boden und Atmosphäre stärker mit dem CO2-Anstieg und dem Klimawandel wechselwirken als erwartet. Die Verdopplung des atmosphärischen CO2-Gehalts startet eine Kaskade von Prozessen, an deren Anfang eine Reaktion des pflanzlichen Stoffwechsels auf die höhere CO2-Konzentration steht. Die Ursache der Kettenreaktion liegt darin, dass Pflanzen durch das Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen regeln, wie viel Wasserdampf und Kohlendioxid sie mit der Atmosphäre austauschen.

Bei größerem CO2-Angebot schließen Pflanzen früher ihre Poren

Die Kaskade beginnt harmlos: Im Szenario eines verdoppelten CO2-Gehalts schließen sich früher die winzigen Poren, die sich milliardenfach an der Unterseite der Pflanzenblätter befinden, da die Pflanzen schneller ausreichend Kohlendioxid für die Fotosynthese aufgenommen haben. Das hat jedoch zur Folge, dass die Pflanzen auch weniger Feuchtigkeit nach außen abgeben und insgesamt weniger Wasserdampf in die Atmosphäre gelangt.

Dadurch wiederum entstehen weniger Cumulus-Wolken, so dass sich die Erdoberfläche stärker erwärmt, weil mehr Sonnenlicht direkt auf die Oberfläche trifft und nicht durch Wolken gestreut wird. Die wärmere Luft erzeugt nun mehr Turbulenzen in der bodennahen Atmosphäre, wodurch mehr Wärme aber weniger Feuchtigkeit transportiert wird. Erde und Atmosphäre erwärmen sich durch die Reaktion der Pflanzen auf den erhöhten CO2-Gehalt zusätzlich.

Damit haben die Forscher eine weitere Rückkopplung im Klimasystem, einen sich selbst verstärkenden Prozess, ausfindig gemacht. Beim zweiten Szenario, in dem sich die Atmosphäre um zwei Grad Celsius erwärmt, ohne dass sich die CO2-Konzentration erhöht, entsteht diese Rückkopplung nicht.

Die Verdunstung wird um 15 Prozent abnehmen

Als Nächstes simulierten die Forscher ein drittes Szenario, in dem sie sowohl den CO2-Gehalt als auch die Temperatur erhöhten. „Die Effekte, die sich dabei positiv auf die Wolkenbildung auswirken, etwa die Fähigkeit der wärmeren Atmosphäre, mehr Wasser aufzunehmen oder der Zuwachs an Biomasse, können die Abnahme der Wolkenbildung nur teilweise kompensieren“, sagte Jordi Vilà-Guerau de Arellano. „Die Verdunstung wird um 15 Prozent abnehmen. Die atmosphärische Grenzschicht trocknet aus, dadurch können sich weniger Wolken bilden“, ergänzt Jos Lelieveld, Direktor am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz.

Die Studie zeigt, dass die verminderte Verdunstung von Pflanzen direkte Auswirkungen auf die turbulenten Austauschprozesse zwischen der bodennahen atmosphärischen Grenzschicht und der höhergelegenen Schicht der freien Atmosphäre hat, und damit die Wolkenbildung verändert.

Chiel van Heerwaarden vom Max-Planck-Institut für Meteorologie sagt: „Die Berechnungen belegen eine wichtige Rückkopplung der Vegetation mit physikalischen Klimaprozessen.“ Zukünftig wollen die Forscher ihre Analyse auf das Amazonasgebiet ausdehnen, um zu prüfen, wie sich steigende CO2-Werte in tropischen Regionen auswirken.

Wie Salz im Regenwald zu Wolken wird

Kaliumsalze aus Pilzen und Pflanzen starten die Bildung von Aerosolpartikeln, an denen Luftfeuchtigkeit kondensiert

Max-Planck-Instituts für Chemie Pressemitteilung, 30.8.12

Im Ökosystem Regenwald sind Pilze und Pflanzen wichtige Partner bei der Entstehung von Nebel und Wolken: Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie haben jetzt herausgefunden, dass sie Salzpartikel freisetzen, an denen sich organische Moleküle anlagern. So bilden sich Kondensationskerne, an denen die Luftfeuchte des Regenwalds zu Wassertropfen kondensiert. Die Entdeckung gelang mit Hilfe einer neuen Methode, in der einzelne Partikel mit Röntgenstrahlen durchleuchtet und mikroskopisch sowie spektroskopisch analysiert werden.

Nebel und Wolken entstehen, wenn die Luft feine Partikel enthält, an denen Feuchtigkeit kondensiert. Auch im natürlichen Regenwald bilden sich Nebel, Wolken und Niederschlag an solchen Aerosolpartikeln.

Bisher nahm man an, dass die meisten Aerosolpartikel über dem Amazonas-Regenwald aus rein organischem Material bestehen und durch chemische Reaktionen von Gasmolekülen in der Atmosphäre gebildet werden. Dabei werden leichtflüchtige Kohlenwasserstoffe wie Isopren von Pflanzen freigesetzt und anschließend durch photochemische Oxidantien in schwerflüchtige organische Moleküle umgewandelt, die sich aneinander anlagern und so Aerosolpartikel bilden.

An Kaliumsalze lagern sich organische Moleküle an

Forscher um Meinrat O. Andreae und Ulrich Pöschl am Max-Planck-Institut für Chemie haben nun herausgefunden, dass an der Aerosolbildung nicht nur organische Moleküle, sondern auch feinste Kaliumsalzpartikel beteiligt sind. Sie werden hauptsächlich von Pilzen, aber auch von Pflanzen im Regenwald freigesetzt und dienen als Kondensationskerne, an die sich die organischen Moleküle anlagern können. Pilze und Pflanzen nehmen also direkten Einfluss auf die Anzahl und die Eigenschaften von Aerosolpartikeln in der Luft und somit auch auf die Bildung und Zusammensetzung von Nebel, Wolken und Niederschlag im Regenwald.

Die Entdeckung gelang Christopher Pöhlker im Rahmen seiner Doktorarbeit am Max-Planck-Graduate Center mit Hilfe einer neuen Aerosol-Analysenmethode: die sogenannte Raster-Transmissionsröntgenmikroskopie mit Nahkanten-Feinstruktur-Röntgenabsorptionsspektroskopie (STXM-NEXAFS). In Zusammenarbeit mit Kollegen aus Deutschland, Brasilien, Indien und USA nutzte er Röntgenmikroskope an den Synchrotron-Lichtquellen des Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien und des Helmholtz-Zentrums in Berlin (BESSY II) und konnte damit kleinste Mengen von Kalium in organischen Aerosolpartikeln feststellen, die im brasilianischen Regenwald nördlich von Manaus auf Luftfiltern und hauchdünnen Plättchen gesammelt worden waren.

Woher kommen organische Aerosolpartikel in welchen Mengen

„Wir haben drei Arten organischer Aerosolpartikel gefunden, und in allen waren Kaliumsalze enthalten“, berichtet Christopher Pöhlker. „Anfänglich hatten wir uns auf den Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffgehalt des organischen Materials konzentriert. Aber dann fanden wir zu unserer Überraschung auch sehr hohe Kaliumgehalte von bis zu 20 Prozent“, fügt der Chemiker hinzu. Innere Strukturen in den nanometer- bis mikrometergroßen Partikeln weisen darauf hin, dass bei der Oxidation und Kondensation der organischen Gasmoleküle auch sogenannte Multiphasen-Prozesse eine wichtige Rolle spielen, bei denen unterschiedliche chemische Phasen wie Nebel- bzw. Wolkenwasser und gelartige organische Substanzen beteiligt sind.

Die Ergebnisse helfen, die Quellen organischer Aerosolpartikel zu identifizieren und zu quantifizieren. Das wiederum ist wichtig, um ihre Wechselwirkungen mit Wolken und Niederschlag im natürlichen Klimasystem zu verstehen. Die Forscher hoffen, dadurch zukünftig auch den Einfluss menschlicher Aktivitäten auf den globalen Klimawandel besser abschätzen zu können.

Methanquelle im Unterholz entdeckt

Max-Planck-Institut für Chemie: Treibhausgas wird auch von Pilzen freigesetzt

Max-Planck-Institut für Chemie Pressemitteilung, 5.9.12

Bereits vor sechs Jahren mussten ihretwegen naturwissenschaftliche Lehrbücher neu geschrieben werden: Damals überraschte die Forschergruppe um Dr. Frank Keppler mit dem Ergebnis, dass Pflanzen in sauerstoffreicher Umgebung Methan produzieren. Bis zu jenem Zeitpunkt undenkbar. Bis dahin galt es als sicher, dass biogenes Methan ausschließlich unter Sauerstoffausschluss bei der Zersetzung organischen Materials entsteht. Nun verblüfft seine Wissenschaftsgruppe mit neuen Fakten: Auch Pilze produzieren Methan.

Methan ist ein Treibhausgas, das rund 25-mal wirkungsvoller ist als Kohlendioxid. Ein Großteil des Methans entsteht durch Bakterien beispielsweise auf Reisfeldern, Mülldeponien oder bei der Rinderhaltung. Dass auch Pflanzen Methan produzieren, ist seit der Studie von Dr. Frank Keppler und seinen Kollegen im Jahr 2006 bekannt. Seitdem forscht er weiter auf dem Gebiet der Methan-Emittenten. Nun sorgte Dr. Katharina Lenhart, die dem Arbeitskreis Frank Kepplers am Max-Planck-Institut für Chemie angehört, für eine weitere interessante Entdeckung. Sie fand heraus, dass Pilze, die totes organisches Material zersetzen, ebenfalls Methan abgeben.

In ihrer Studie untersuchte die Biologin acht unterschiedliche Ständerpilzsorten (Basidiomycetes), deren Methanabgabe sie unter Laborbedingungen genauestens beobachtete und mithilfe von aufwändigen Messmethoden – sogenannten Isotopenanalysen – nachweisen konnte. Während ihrer Versuchsreihe variierte sie die Nährböden, auf denen die Pilze wuchsen. Dabei zeigte sich, dass das zugrunde liegende Substrat scheinbar Einfluss auf die gebildete Methanmenge hat. Verschiedene molekularbiologische Analyseverfahren, die in Zusammenarbeit mit der Universität Gießen und dem Helmholtz Zentrum für Umweltforschung in Magdeburg durchgeführt wurden, ergaben, dass keine methanbildenden Mikroorganismen, sogenannte Archaeen, bei deren Energiestoffwechsel Methan entsteht, eingebunden waren. „Somit müssen Prozesse innerhalb der Pilze für die Methanbildung verantwortlich sein“, erläutert Katharina Lenhart. Welche das sind, gilt es noch herauszufinden.

„Die von den Pilzen freigesetzte Methanmenge, die wir bisher bei unseren Studien messen konnten, ist im Vergleich mit anderen Quellen eher gering. Ihr Beitrag zur globalen Erwärmung ist daher als vernachlässigbar einzustufen“, so Frank Keppler. Interessant ist jedoch die ökologische Relevanz dieser Ergebnisse, da Pilze insbesondere in Böden und beim Abbau von organischem Material eng mit Bakterien zusammenleben. Viele Bakterien verwerten das energiereiche Methan in ihrem Stoffwechsel. Sie nehmen Methan auf und oxidieren es zu Wasser und Kohlendioxid. In wieweit das durch Pilze freigesetzte Methan von diesen assoziierten Bakterien aufgenommen wird und ob sie direkt davon profitieren, sei derzeit noch unbekannt, so die Biologin Katharina Lenhart.

Auch die Frage, warum die Pilze Methan an ihre Umwelt abgeben, ist noch ungeklärt. Klar scheint jedoch, dass diese Studie Ausgangspunkt für zahlreiche weitere, interdisziplinäre Arbeiten sein wird.

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