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Biogeochemiker als Klimadetektive

Strahlungsmessgeräte an einem mikrometeorologischen Messturm. Bild vergrößern
Strahlungsmessgeräte an einem mikrometeorologischen Messturm.

Zusammen mit Forschergruppen aus der ganzen Welt nehmen die Max-Planck-Wissenschaftler bestimmte Aspekte des Kohlenstoffkreislaufs genauer unter die Lupe. Dabei geht es immer um die Frage: Wo “verschwindet” wie viel Kohlenstoff – in Form molekularer Verbindungen – in der Natur? Ein wichtiges Forschungsgelände für die Jenaer ist ein ausgedehnter Buchenwald in Thüringen nördlich von Eisenach. Das Besondere daran: Der Wald, der heute zum Nationalpark Hainich gehört, liegt unmittelbar an der ehemals deutsch-deutschen Grenze und wurde deshalb in den letzten 60 Jahren kaum bewirtschaftet. Die Forscher treffen also auf einen von Menschen nahezu unbeeinträchtigten „Urwald“ wie er vor ein paar hundert Jahren noch in weiten Teilen Europas verbreitet war.

Zwei Messstationen haben die Jenaer Forscher im Nationalpark aufgebaut: einen gut 40 Meter hohen Messturm für Gasanalysen und eine Bodenstation, an der vor allem Humusproben gesammelt werden. Mit dem Messturm können die Wissenschaftler das Verhältnis messen zwischen dem vom Wald aufgenommenen und dem abgegebenen Kohlendioxid, um dann die seit langem diskutierte Frage zu beantworten, ob ein Wald mit altem Baumbestand eine natürliche Kohlenstoff-Senke darstellt. Um den Netto-CO2-Fluss zu bestimmen, haben die Jenaer Forscher mehrere Geräte auf ihrem Messturm montiert. 20 Mal pro Sekunde lassen sich damit Schwankungen der momentanen Kohlendioxid -Konzentration in der Luft messen, die an der Spitze des Turms vorbei streicht. Außerdem werden weitere Parameter wie Temperatur, Windstärke und Luftfeuchtigkeit erfasst.

Mit ihrer Bodenmessstation wollen die Jenaer Wissenschaftler herausfinden, in welchem Umfang Waldböden eine Kohlenstoff-Senke darstellen. Die im Nationalpark Hainich gesammelten Humus- und Pflanzenproben werden im Institut mit modernen Analysegeräten untersucht. Pflanzenteile wie Blätter, Wurzeln oder Holz müssen zuvor allerdings gereinigt, zerkleinert und getrocknet werden. Danach wandert das Material zur Isotopenanalyse, die Hinweise liefert, wie schnell eine Pflanze Kohlendioxid aus der Luft per Photosynthese verarbeitet.

Die Forscher nutzen dazu die Tatsache, dass Kohlenstoff in der Natur nicht nur mit der Masse 12 vorkommt, sondern ein winziger aber bekannter Anteil auch mit den Massen 13 und 14. Chemisch verhalten sich die verschieden schweren Kohlendioxid- Moleküle der unterschiedlichen Isotope gleich; ihre physikalischen Eigenschaften und ihre Reaktionsgeschwindigkeiten sind jedoch unterschiedlich. Das führt dazu, dass Pflanzen 12CO2 aus der Luft schneller verarbeiten als 13CO2 oder 14CO2. Indem die Forscher das Verhältnis von C-12 zu C-13 und C-14 beispielsweise in einem Blatt bestimmen, können sie die Photosynthese-Geschwindigkeiten berechnen und damit die Kapazität, mit der die Pflanze der Atmosphäre Kohlendioxid entzieht.

Wissenschaftler des MPI für Biogeochemie bei der Probenentnahme im Buchenwald. Bild vergrößern
Wissenschaftler des MPI für Biogeochemie bei der Probenentnahme im Buchenwald.

Erste Resultate der Kohlenstoff-Fahnder

Die Untersuchungen werden von der EU finanziert, die dazu den Forschungsverbund CarboEurope ins Leben gerufen hat. Mehr als 100 kontinentale Messstationen, verteilt über alle Klimaregionen und Ökosysteme Europas, liefern dabei Daten über den Beitrag zum Kohlenstoffhaushalt.

In der Projektphase zwischen 1998 und 2000 hat CarboEurope zu einer ersten europäischen Kohlenstoffbilanz geführt: Danach gibt es in der terrestrischen Biosphäre von Kontinentaleuropa (bis zum Ural) eine geschätzte Netto-Kohlenstoffsenke zwischen 135 und 205 Millionen Tonnen pro Jahr. Das entspricht 7-12 Prozent der vom Menschen verursachten Kohlenstoff-Emissionen im Jahr 1995. Zum Vergleich: Weltweit nimmt die Biosphäre bis zu einem Drittel der vom Menschen verursachten Kohlenstoff-Emissionen auf. Europas Biosphäre ist somit nur eine kleine Kohlenstoffsenke, verglichen mit den überdurchschnittlich hohen europäischen Emissionen aus fossilen Brennstoffen.

Die Hochrechnungen der Wissenschaftler haben ergeben, dass Wälder und möglicherweise auch Grünland Kohlendioxid aufnehmen, während Äcker und Moorflächen Kohlendioxid in ähnlicher Größenordnung wieder abgeben. Land- und Forstwirtschaft haben somit einen entscheidenden Einfluss auf die Kohlenstoffbilanz Europas. Eine gezielte Bewirtschaftung könnte deshalb die Kohlenstoffaufnahme für die nächsten Jahrzehnte erhöhen. Doch Aufforstung und Kohlenstoff-Management in Wäldern erlaubt nur vorübergehend zusätzlichen Kohlenstoff zu speichern.

„Es ist bislang ungeklärt, ob die Speicherkapazität der Biosphäre gesättigt wird“, erklärt Ernst-Detlef Schulze. „Inwieweit die Biospäre durch Klimawandel oder durch Nutzung der neu aufgebauten Biomasse und veränderte Landnutzung wieder zu einer Kohlenstoff-Quelle wird, können wir nicht sagen. Die Studie zeigt klar die Grenzen unseres heutigen Wissens.“ Ziel muss es sein, langfristig die Kohlendioxid-Emissionen einzudämmen – auch deshalb hat die EU unlängst ein Nachfolgeprojekt bewilligt.

GEOMAX Ausgabe 1, aktualisierte Neuauflage Herbst 2004

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