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Was Südafrika mit dem Golfstrom verbindet – neue Studie der GEOMAR Ozeanforscher

Donnerstag 2. Mai 2013 von birdfish

Wenn schmelzende Polkappen und Gletscher das Wasser des Nordatlantiks versüßen, könnte das den Golfstrom schwächen – so ein mittlerweile beinahe populäres Zukunftsszenario zu den Folgen des Klimawandels.

Strömungen um AfrikaSimulierte Temperaturen und Strömungen um Afrika – Simulation und Darstellung: GEOMAR

Für eine belastbare Abschätzung zukünftiger Klimaentwicklungen sollte der Nordatlantik allerdings nicht isoliert betrachtet werden. Dass vor allem auch die Entwicklung vor der Küste Südafrikas berücksichtigt werden muss, zeigt eine neue Studie des GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel, die jetzt in der internationalen Fachzeitschrift „Geophysical Research Letters“ erschienen ist.

Bei dem Wort Meeresströmung denken die meisten Europäer wohl zunächst an den Golfstrom. Immerhin transportiert er so viel Wärme aus dem Golf von Mexiko in den Nordostatlantik, dass die Durchschnittstemperaturen in der Bretagne, in Irland und sogar in Südnorwegen deutlich milder sind als beispielsweise in Neufundland, dessen Hauptstadt St. John’s auf einer ähnlichen geographischen Breite liegt wie Paris. Veränderungen des Golfstromsystems infolge des globalen Klimawandels könnten also gravierende Konsequenzen für Europa haben.

Um derartige Veränderungen abschätzen zu können, reicht es aber nicht, den Golfstrom isoliert zu betrachten. Professor Arne Biastoch und Professor Claus Böning, Experten für Ozeanmodellierung am GEOMAR Helmholtz Zentrum für Ozeanforschung Kiel, zeigen in einer neuen Studie, dass sich Wind- und Strömungssysteme vor der Küste Südafrikas in den kommenden Jahrzehnten verändern werden. „Diese Ergebnisse sind wichtig für zukünftige Klimamodelle – auch für Europa“, erklärt Professor Biastoch. Die Studie ist in der internationalen Fachzeitschrift Geophysical Research Letters erschienen.

In ihrer Studie haben sich die Wissenschaftler mit dem Agulhasstrom beschäftigt. Dieser bewegt Wassermassen im Indischen Ozean entlang der ostafrikanischen Küste nach Süden und gehört ähnlich wie der Golfstrom zu den stärksten Strömungen im Weltozean. Südwestlich von Kapstadt vollzieht er eine abrupte Kehrtwende zurück in den Indischen Ozean. Dabei schnüren sich regelmäßig mächtige Wirbel von mehreren 100 Kilometern Durchmesser, die Agulhasringe, vom Hauptstrom ab. Diese bringen warmes und salzreiches Wasser aus dem Indischen Ozean in den Südatlantik.

„Es ist bekannt, dass diese Agulhasringe eine Schlüsselrolle für den Nachschub salzreichen Wassers in den Atlantik darstellen“, erklärt Professor Biastoch. Allerdings begrenzen starke westliche Winde im südlichen Ozean den Wasseraustausch zwischen dem Indischen und dem Atlantischen Ozean. Globale Klimamodelle, unterstützt von Messungen der vergangenen Jahre, sagen eine Verlagerung dieser Westwindzone nach Süden voraus. Dadurch würde ein breiterer Korridor entstehen, durch den Wassermassen aus dem Indik in den Atlantik strömen können. „Wir konnten in früherer Studien tatsächlich nachweisen, dass sich die Strömungsmuster in den vergangenen Jahrzehnten bereits verändert haben“, sagt Professor Böning.

Jetzt haben die beiden Kieler Forscher die Prognosen der globalen Klimamodelle auf ein hoch auflösendes Ozeanmodell übertragen, um detailliertere Erkenntnisse über die Entwicklung des Agulhasstroms in der Zukunft zu erlangen. „Danach könnte der Zustrom von warmem, salzhaltigem Wasser aus dem Indischen in den Atlantischen Ozean in diesem Jahrhundert um bis zu einem Drittel zunehmen“, erklärt Biastoch. Das würde zu einem Anstieg des Salzgehaltes im Südatlantik führen.

„Diese Entwicklungen scheinen weit weg zu sein, können aber Einfluss auf Europa haben“, betont Professor Böning. Denn der Antrieb für das globale Förderband der Meeresströmungen – auch für den Golfstrom – sind außer dem Wind auch unterschiedliche Wassertemperaturen und Salzkonzentrationen in bestimmten Wassermassen. Einige Klimamodelle sagen eine Abschwächung dieses System voraus, wenn rund um den Nordatlantik die Gletscher schmelzen, das arktische Meereis abnimmt und gleichzeitig Niederschläge zunehmen. Denn dabei gelangt Süßwasser in den Ozean, verändert so die Salzkonzentrationen, und schwächt dabei das Absinken von nordatlantischem Tiefenwasser, den Motor für das globale Förderband.

Der in der aktuellen Studie prognostizierte, zusätzliche Salznachschub von Süden könnte im nördlichen Nordatlantik den sich verstärkenden Niederschlägen und der Eisschmelze entgegen wirken. Ob die Änderungen im Agulhasstrom das Potenzial haben, die befürchtete starke „Aussüßung“ im Nordatlantik komplett zu neutralisieren, ist allerdings noch offen. „Die aktuelle Rechnung zeigt aber wieder deutlich, dass bei der Modellierung von zukünftigen Entwicklungen die Entwicklung im Südatlantik deutlich detaillierter als bisher berücksichtigt werden muss“, betont Professor Biastoch.

Arbeiten wie diese führen dazu, dass auch Veränderungen im Agulhasstrom und im Südatlantik stärker in den Fokus rücken. Das GEOMAR ist mit seiner hochauflösenden Ozeanmodellierung unter anderem über das EU-Projekt GATEWAYS und das geplante, vom Bundesforschungsministerium geförderte Projekt SPACES beteiligt und wird in den kommenden Jahren verstärkt den Einfluss von Zirkulationsänderungen südlich von Afrika auf das Golfstromsystem untersuchen.

Originalpublikation
Biastoch, A. and C. W. Böning, 2013: Anthropogenic Impact on Agulhas Leakage, Geophys. Res. Lett., 40, 1138-1143, http://dx.doi.org/10.1029/2012GL055037

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Fossilien erlauben Einblick in Entstehung einzigartiger antarktischer Ökosysteme

Mittwoch 24. April 2013 von birdfish

Der Südozean rund um die Antarktis ist ein „Global Player“: Sein eng an die Bildung von Meereis gekoppeltes Plankton-Ökosystem steht an der Basis der marinen Nahrungsnetze und beeinflusst den globalen Kohlenstoff-Kreislauf.

DinoflagellatFossile Reste eines Dinoflagellaten (Alge) Foto: Alexander Houben

Seine Entstehung fällt mit der Vereisung der Antarktis vor 33,6 Millionen Jahren zusammen. Dies hat jetzt ein internationales Team mit Wissenschaftlern der Goethe-Universität Frankfurt und des Biodiversität und Klima Forschungszentrums (BiK-F) ermittelt. Eine in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlichte Studie zeigt, dass wohl erst die Entstehung dieses Meereis-Ökosystems die Evolution der heutigen Bartenwale und Pinguine ermöglichte.

Die Wissenschaftler analysierten Sedimentproben aus Bohrkernen vom Meeresgrund, die 2010 im Rahmen des Integrated Ocean Drilling Program (IODP) vor der Küste der Antarktis gewonnen wurden. Diese reichen bis zu einen Kilometer unter den Meeresboden und erlauben völlig neue Einblicke in längst vergangene Zeiten. Eine im Sommer 2012 veröffentlichte, auf Ergebnissen dieser Bohrungen basierende Studie zeigte, dass vor 53 Millionen Jahren subtropische Verhältnisse in der Antarktis geherrscht haben, die das Wachstum von Palmen ermöglichten. In den folgenden 20 Millionen Jahren kühlte das Klima kontinuierlich ab. Die jetzt erschienene Studie fokussiert auf den Zeitpunkt vor ca. 33,6 Millionen Jahren, als sich infolge der globalen Abkühlung innerhalb kurzer Zeit ein gewaltiger Eisschild über die Antarktis ausbreitete. Durch ihn änderten sich die Lebensbedingungen und damit die Ökosysteme auf dem antarktischen Kontinent und im angrenzenden Südozean radikal.

Winzige Zeitzeugen: Dinoflagellaten

Während die meisten Algen, aus denen das Plankton der Ozeane hauptsächlich besteht, keinerlei Rückstände in den Sedimenten der Bohrkerne hinterlassen, überdauern die Überreste von Dinoflagellaten, einer Algengruppe aus fossil erhaltungsfähiger organischer Substanz, Jahrmillionen. Die Wissenschaftler konnten so anhand fossiler Spuren dieser einzelligen Organismen in den antarktischen Sedimentkernen die Umwälzung der Plankton-Ökosysteme vor ca. 33,6 Millionen Jahren eindeutig rekonstruieren. Für die Zeit, als die Antarktis komplett eisfrei war, fanden die Forscher eine Vielzahl von Dinoflagellatenarten, die für warme Klimate typisch sind. Zeitgleich mit dem Entstehen des antarktischen Eisschilds brach diese Vielfalt plötzlich zusammen; von nun an kamen nur noch Arten vor, die an die zeitweilige Eisbedeckung des Ozeans angepasst und auch heute für antarktische Gewässer typisch sind. Sie stehen nur saisonal, nämlich kurz nach der Eisschmelze im Frühjahr und Sommer, als Nahrungsquelle für die Lebewesen zur Verfügung, die weiter oben in der Nahrungskette stehen.

Neue Arten dank Nahrungsknappheit

Die Gewässer rund um die Antarktis spielen eine Schlüsselrolle im globalen Nahrungsnetz der Ozeane. Wenn im antarktischen Sommer das Meereis schmilzt, treten starke Algenblüten auf. Diese sind die Nahrungsgrundlage für kleine Einzeller, aber auch für größere Organismen. „Der plötzliche, klimabedingte Umbruch der Dinoflagellaten-Vergesellschaftungen steht eindeutig für eine Umbildung des gesamten Plankton-Ökosystems rund um die Antarktis“, so Prof. Jörg Pross, Paläoklimatologe an der Goethe-Universität Frankfurt und Mitglied des Biodiversität und Klima-Forschungszentrums (BiK-F). Er erläutert weiter: „Die Häufigkeits-Explosion derjenigen Dinoflagellaten, die an eine zumindest zeitweise Eisbedeckung adaptiert sind, hatte zur Folge, dass sich das gesamte Nahrungsnetz im Südozean neu organisieren musste.“ Organismen, die in der Nahrungspyramide des Ozeans weiter oben angesiedelt sind, mussten sich dahingehend umstellen, dass sie nur noch für wenige Monate im Jahr ein üppiges Nahrungsangebot vorfanden. Jörg Pross resümiert: „Unsere Daten deuten darauf hin, dass diese Umstellung einen Entwicklungsschub für die Bartenwale und Pinguine bewirkte, wie wir sie heute kennen“. Damit unterstreichen die Ergebnisse der neuen Studie, dass Zeiten starken Klimawandels oft mit besonders rascher biologischer Evolution einhergehen.

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Neues Meereisportal liefert tagesaktuelle Eiskarten von der Arktis und Antarktis

Mittwoch 17. April 2013 von birdfish

Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Institutes, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung haben die neue Internetplattform meereisportal.de vorgestellt, die sie gemeinsam mit Kollegen von der Universität Bremen entwickelt haben.

Meereisbedeckung
Meereisbedeckung in deutschen Portal tagesaktuell dokumentiert – Foto: AWI

Die Internetseite bietet als deutschsprachige Webplattform neben jeder Menge Hintergrundinformationen zum Thema Meereis tagesaktuelle Meereiskarten von Arktis und Antarktis. Zudem eröffnet sie Nutzern die Möglichkeit, die unterschiedlichen Basisdaten für die eigene Weiterverarbeitung herunterzuladen. In naher Zukunft wollen die Initiatoren in diesem Portal auch die weltweit ersten Karten zur Meereisdicke als Datenprodukte des ESA-Satelliten CryoSat-2 veröffentlichen.

Bei der Frage „Wie groß ist die Eisdecke der Arktis?“ mussten sich interessierte Laien und Wissenschaftler aus dem deutschsprachigen Raum in der Vergangenheit oft auf englisch-sprachige Informationen deutscher oder amerikanischer Forschungseinrichtungen verlassen. Das Meereisportal ist das erste umfassende, deutschsprachige Internetportal rund um das Thema Meereis in der Arktis und Antarktis. Entwickelt wurde es im Rahmen des Helmholtz-Verbundes Regionale Klimaveränderungen (REKLIM) als Gemeinschaftsprojekt der Universität Bremen und des Alfred-Wegener-Institutes, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung – einem der weltweit führenden Zentren im Bereich Meereisforschung.

„Unsere Seite bietet den Internetnutzern drei Informationsquellen: Erstens ein umfangreiches Kartenarchiv, in dem jeder Interessierte momentan bereits mehr als 7000 grafisch aufbereitete Meereiskarten der Arktis und Antarktis herunterladen kann – die tagesaktuellen ebenso wie jene aus den zurückliegenden zehn Jahren. Zweitens ein Datenportal, in dem Messdaten zum Meereis zu finden sind, sowie drittens einen großen Bereich, in dem wir durch unser Klimabüro verständlich aufbereitete Informationen rund um das Thema Meereis bereitstellen. Sie geben Antwort auf Fragen wie ‚Wie entsteht Meereis?’, ‚Wie wird es erforscht?’ oder ‚Welche Rolle spielt es für das Klima unserer Erde?’“, sagt REKLIM-Geschäftsführer Dr. Klaus Grosfeld.

Die tagesaktuellen Karten zur Meereisausbreitung basieren auf Messdaten des japanischen Satelliten SHIZUKU, der in einer Höhe von 700 Kilometern um die Erde kreist. Sein Mikrowellen-Radiometer AMSR2 erfasst seit dem 4. Juli 2012, wo auf der Erde sich wie viel Eis auf dem Meer befindet. Diese Satellitendaten werden vom Institut für Umweltphysik der Universität Bremen (IUP) abgerufen, dort entsprechend ausgewertet und aufbereitet. Sie fließen anschließend direkt in die vom AWI-Rechenzentrum betriebene digitale Infrastruktur des Meereisportals, wo sie automatisch als Meereiskarten ausgegeben werden. „Die Kooperation mit dem AWI ermöglicht uns, die an der Universität Bremen entwickelten Datenprodukte einer breiten Öffentlichkeit zur Verfügung zu stellen und so die in Bremen und Bremerhaven vorhandene Expertise zu diesem Thema zu bündeln“, sagt Dr. Georg Heygster, Leiter der Meereisabteilung am IUP-Bremen.

In naher Zukunft wollen die AWI-Experten das Portal dann noch um aktuelle Meereisdicken-Karten erweitern. Diese werden auf Daten des im Jahr 2010 gestarteten ESA-Satelliten CryoSat-2 beruhen und das aktuelle Volumen des arktischen und antarktischen Meereises zeigen. „Wir freuen uns sehr, dass unser Meereisportal unseres Wissens nach das erste Internetportal weltweit sein wird, auf dem diese Eisdickenkarten frei und unkompliziert heruntergeladen werden können“, sagt AWI-Meereisphysiker Dr. Stefan Hendricks, der sich mit der Auswertung der CryoSat-2-Daten beschäftigt.

In Sachen Aktualität aber wollen die AWI-Klimaforscher und ihre Kollegen von der Universität Bremen noch einen Schritt weitergehen. Sie planen, auf der neuen Internetplattform in regelmäßigen Abständen Verlaufsanimationen, wissenschaftliche Analysen der aktuellen Meereis-Situation sowie Berichte über spezielle Forschungsaktivitäten für eine deutschsprachige Leserschaft zu veröffentlichen. Von Meereisphysikern über Ozeanografen bis hin zu den AWI-Modellierern – sie alle werden auf dem Meereisportal zu Wort kommen und verdeutlichen, auf welch vielfältige Art und Weise Wissenschaftler das Meereis untersuchen und zu welchen Themen sie Auskunft geben können.

Im nächsten Schritt soll meereisportal.de auch auf saisonale Vorhersagen zur Meereisausdehnung erweitert werden. Dafür wollen die Initiatoren den sogenannten „Sea Ice outlook“ in das Portal integrieren. Dieses wissenschaftliche Werkzeug verknüpft aktuelle Beobachtungsdaten mit Modelldaten, um im Anschluss daran die Entwicklung der Meereisausdehnung vorherzusagen. Bisher wurden diese Vorhersagen nur für das jährliche Meereisminimum in der Arktis gemacht. In Zukunft sollen sie jedoch auf monatlicher Basis erfolgen. „Auf diese Weise wollen wir eine Grundlage dafür schaffen, die zukünftige Meereisentwicklung in der Arktis genauer vorhersagen und unsere Erkenntnisse einem erweiterten Nutzerkreis zur Verfügung stellen zu können“, sagt Klaus Grosfeld. Bevor die Forscher jedoch wirklich verlässliche Aussagen ableiten können, müssen noch spezielle Vorkehrungen zur Qualitätssicherung getroffen werden.

Website www.meereisportal.de

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Das Abschmelzen der Gebirgsgletscher beeinflusst die mikrobielle Biodiversität

Dienstag 19. März 2013 von birdfish

Ein Team um den Limnologen (Binnengewässerforscher) Tom J. Battin von der Universität Wien untersuchte den Einfluss von Gletscherrückgang auf die Mikroorganismen in Gletscherbächen.

Sonnblick-Kees: Gletscherzunge und See des Sonnblick-GletschersSonnblick-Kees: Gletscherzunge und See des Sonnblick-Gletschers. Foto: Department für Limnologie

Dabei konnten die Wissenschafterinnen Linda Wilhelm und Katharina Besemer erstmals zeigen, wie Gletscherrückgang die Gemeinschaften mikrobieller Biofilme in Gletscherbächen beeinflusst. Erstaunlich ist, dass Mikroorganismen ähnlich wie höhere Organismen auf Gletscherrückgang reagieren: Ein Verlust der Biodiversität ist die Folge. Die Ergebnisse wurden aktuell in der Fachzeitschrift “The ISME Journal – Multidisciplinary Journal of Microbial Ecology” veröffentlicht.

Gebirgsgletscher schmelzen weltweit beträchtlich mit der Folge, dass sich die Umweltbedingungen vor allem in Gletscherbächen rasch und stark verändern. Die Post-docs Katharina Besemer und Gabriel Singer sowie die PhD-Studentinnen Linda Wilhelm und Christina Fasching untersuchten die Gemeinschaften von Mikroben im Eis und in den Bächen von 26 Gletschern in den österreichischen Alpen. Das Team um Tom J. Battin, Professor für Limnologie an der Universität Wien, konnte nun erstmals zeigen, dass auch Mikroben auf das Schmelzen der Gletscher reagieren. Bislang war nur bekannt, dass höhere Organismen auf diese Änderungen reagieren.

Mit Hilfe hochauflösender Sequenziermethoden konnten Linda Wilhelm und Katharina Besemer die Diversität und Identität der Mikroben bestimmen. Erstaunlich war die außerordentlich große Vielfalt an Mikroben, die trotz unwirtlicher Bedingungen in Gletscherökosystemen vorkommen. Die WissenschafterInnen konnten zeigen, dass die Vielfalt der Mikroben in Gletscherbächen mit der Seehöhe der Gletscher abnimmt. Außerdem fanden sie, dass Gletscherrückgang verstärkt zu einem Verlust von mikrobieller Biodiversität auf regionaler Ebene führen kann.

In einem neuen Ansatz verknüpften die ForscherInnen ökologische Theorie mit mikrobieller Ökologie, um diese Biodiversitätsmuster, wie sie auch von höheren Organismen bekannt sind, zu verstehen.
So zeigten die WissenschafterInnen erstmals, dass mikrobielle Biodiversität und Artenzusammensetzung auch in Gletscherökosystemen von Bedeutung sind und zunehmend durch das Abschmelzen der Gebirgsgletscher bedroht sind.

Originalpublikation

“The ISME Journal – Multidisciplinary Journal of Microbial Ecology”:
L. Wilhelm, G. A. Singer, C. Fasching, T. J. Battin and K. Besemer. Microbial biodiversity in glacier-fed streams. The ISME Journal DOI: 10.1038/ismej.2013.44

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Auftauen von Permafrost-Böden beschleunigt Klimawandel – trotz mehr Pflanzenwachstum

Montag 18. März 2013 von birdfish

Die globale Erwärmung hat zwei gegenteilige Effekte auf Permafrost-Böden wie die in Sibirien.

Permafrost-Böden in Tibet
Gefrorener Fluss und Permafrost-Böden in Tibet. – Foto: Claus Bünnagel / Pixelio

Das Auftauen der normalerweise dauerhaft gefrorenen Erdschichten verstärkt einerseits Zersetzungsprozesse im Boden, was zu höheren CO2-Emissionen führt. Anderseits nimmt wegen der höheren Temperaturen das Pflanzenwachstum zu, und das dabei aufgenommene CO2 wird letztlich im Boden gespeichert. Dieser – oft vernachlässigte – zweite Effekt kann den ersten aber auf Dauer nicht ausgleichen, wie eine jetzt veröffentlichte Studie von Wissenschaftlern des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung zeigt. Unter dem Strich steigen die Treibhausgas-Emissionen.

„Unsere Studie ist die erste, die bei der Computersimulation von Veränderungen in Permafrost-Böden auch die Rückkopplung mit der Pflanzenwelt einbezieht“, sagt Leit-Autorin Sibyll Schaphoff. „Wenn das große Tauen beginnt, wird entgegen anderen Studien zunächst zusätzlich CO2 aus der Luft aufgenommen, wie unsere Projektionen zeigen.“ Grund ist das rasch zunehmende Pflanzenwachstum. Der Vegetation nützen steigende Temperaturen im hohen Norden, und auch die Zunahme von CO2 in der Atmosphäre stimuliert die Pflanzen, ähnlich einem Dünger.

Doch nach einer Zeitverzögerung von einigen Jahrzehnten entlässt der langsam auftauende Permafrost-Boden den in ihm über Jahrtausende gespeicherten Kohlenstoff in die Atmosphäre. Dies kann durch das Planzenwachstum nicht ausgeglichen werden – CO2 wird freigesetzt, und als Treibhausgas trägt es zum weiteren Klimawandel bei. „Die Pflanzen werden uns also nicht davor bewahren, in diesen Teufelskreis einzusteigen“, sagt Schaphoff. „Aber immerhin verringern sie wahrscheinlich etwas die durch das Tauen der Permafrost-Böden zusätzlich entstehenden Emissionen.“

„Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist, dass die Wirkung des Klimawandels von heute CO2 aus Permafrost-Böden über Jahrhunderte hinweg freisetzen wird – es zeigt sich ein beunruhigender ‚langer Schatten’ der heutigen Erwärmung bis in die ferne Zukunft hinein“, sagt Wolfgang Lucht, einer der beiden Leiter des PIK-Forschungsbereichs Erdsystemanalyse, auch er ist einer der Autoren des Artikels. „Unsere Studie kann erstmals genauer identifizieren, wieviel zusätzlicher Kohlenstoff von den Permafrost-Böden der Welt freigesetzt würde, wenn die Welt sich in den kommenden hundert Jahren um vier bis fünf Grad erwärmt, weil im business as usual der Treibhausgas-Ausstoß nicht sinkt – statt dass die Erwärmung auf zwei Grad begrenzt wird, das von der internationalen Staatengemeinschaft festgelegte Ziel, welches starkes Handeln erfordert.”

Obwohl durch den Klimawandel in den arktischen Regionen die Pflanzen viel stärker wachsen, „würde uns starker Klimaschutz 550 Milliarden Tonnen CO2-Emissionen ersparen, die von den Permafrostböden freigesetzt werden können“, so Lucht. Das entspreche rund 15 Jahren der heutigen Emissionen der Menschheit.

Originalpublikation:
Schaphoff, S., Heyder, U., Ostberg, S., Gerten, D., Heinke, J., Lucht., W. (2013): Contribution of permafrost soils to the global carbon budget. In: Environmental Research Letters [doi:10.1088/1748-9326/8/1/014026]

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Wetter-Extreme: Neuer Mechanismus entdeckt – die Störung riesiger Wellen in Atmosphäre

Dienstag 26. Februar 2013 von birdfish

Eine ganze Reihe regionaler Wetter-Extreme hat in jüngster Zeit die Welt erschüttert – etwa die Hitzewelle in den USA 2011 oder jene in Russland 2010, als auch Pakistan überschwemmt wurde.

WindfeldMeridionales Windfeld über vier verschiedene Zeiträume

Hinter diesen verheerenden Einzelereignissen gibt es eine gemeinsame physikalische Ursache, wie jetzt erstmals Wissenschaftler des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) aufzeigen. Ihre Studie wird diese Woche in der US-Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht. Das Ergebnis: Der vom Menschen verursachte Klimawandel stört wiederholt die Muster der Luftbewegungen rund um die nördliche Erdhalbkugel, und zwar wahrscheinlich durch einen raffinierten Resonanz-Mechanismus.
Wetter-Extreme: Neuer Mechanismus entdeckt – die Störung riesiger Wellen in der Atmosphäre

Meridionales Windfeld über vier verschiedene Zeiträume.

„Ein wichtiger Teil der globalen Luftströme in den mittleren Breiten der Erde hat normalerweise die Form von großen Wellen, die um den Planeten wandern und dabei zwischen den Tropen und der Arktis oszillieren“, erklärt der Leit-Autor Vladimir Petoukhov. „Wenn sie hinauf schwingen, so saugen diese Wellen warme Luft aus den Tropen nach Europa, Russland oder die USA; und wenn sie hinab schwingen, tun sie das Gleiche mit kalter Luft aus der Arktis.“

„Wir haben nun entdeckt, dass während mehrerer Wetter-Extreme in den letzten Jahren diese planetarischen Wellen gleichsam wie eingefroren waren, sie blieben wochenlang fast unverändert“, so Petoukhov. „Statt dass sie kühle Luft bringen, nachdem sie zuvor warme Luft gebracht haben, bleibt einfach die Wärme. Wir beobachten eine zunehmende Verlangsamung  – eben durch die heftige Verstärkung der normalerweise schwachen sich langsam bewegenden Anteile dieser Wellen.“ Hierbei kommt es auf die Dauer an: Zwei oder drei Tage mit 30 Grad Celsius sind kein Problem, zwanzig Tage oder mehr aber führen zu extremem Hitzestress. Weil viele Ökosysteme und Städte hieran nicht angepasst sind, können ausgedehnte Hitzeperioden zu vermehrten Todesfällen, Waldbränden und Missernten führen.

Globale Erwärmung beeinflusst die Luftströme

Klimawandel, verursacht durch die Nutzung fossiler Brennstoffe und die dabei entstehenden Treibhausgase, bedeutet keine gleichmäßige globale Erwärmung. In der Arktis ist die relative Erhöhung der Temperaturen, verstärkt durch die Verringerung von Eis und Schnee, größer als im weltweiten Durchschnitt. Dies reduziert den Temperatur-Unterschied zwischen der Arktis und zum Beispiel Europa – Temperatur-Unterschiede aber sind ein wesentlicher Treiber für Luftströme. Außerdem ist die Erwärmung und Abkühlung der Kontinente stärker als jene der Ozeane. „Diese zwei Faktoren sind entscheidend für den von uns entdeckten Mechanismus“, sagt Petoukhov. „Sie führen zu einem unnatürlichen Muster in den Luftbewegungen der mittleren Breiten der Erde, so dass die langsamen synoptischen Wellen wie gefangen sind.“

Die Autoren haben Gleichungen entwickelt, welche diese Wellenbewegungen in der Atmosphäre beschreiben – und zeigen, unter welchen Bedingungen diese Wellen sich sehr stark verlangsamen und aufschaukeln. Die Wissenschaftler haben ihre Annahmen getestet an Standard-Sets von täglichen Wetterdaten der US National Centers for Environmental Prediction (NCEP). Tatsächlich konnte beobachtet werden, dass während der Wetter-Extreme der vergangenen Jahre besondere planetarische Wellen – etwa „Welle Sieben“, die rund um die Erde sieben Täler und Gipfel hat – zum Stillstand kamen und sich verstärkten. Die Daten zeigen eine Zunahme solcher spezieller atmosphärischer Muster, und zwar mit einer statistischen Verlässlichkeit von 90 Prozent.

Die Wahrscheinlichkeit von Extremen wächst – Grund sind aber mehrere Faktoren

„Unsere dynamische Analyse hilft, die wachsende Zahl von neuartigen Wetter-Extremen zu erklären“, sagt Hans Joachim Schellnhuber, Direktor des PIK und Ko-Autor der Studie. „Das ist ein ziemlicher Durchbruch, auch wenn die Dinge keineswegs einfach sind – die von uns dargelegten physikalischen Prozesse erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Wetter-Extremen, aber selbstverständlich spielen mehrere weitere Faktoren eine Rolle, einschließlich natürlicher Schwankungen.“ Außerdem bietet der Zeitraum von 32 Jahren, der in dem Projekt untersucht wurde, zwar gute Hinweise auf den Mechanismus hinter den Extremen, ist aber zu kurz für abschließende Folgerungen.

Dennoch bringt die Studie einen deutlichen Fortschritt im Verständnis der Beziehungen zwischen Wetter-Extremen und dem vom Menschen verursachten Klimawandel. Die Wissenschaftler waren überrascht, wie weit jenseits des bislang Gekannten einige der jüngsten heftigen Wetter-Extreme lagen. Die neuen Daten zeigen, dass das Entstehen außerordentlicher Wetter-Ereignisse nicht einfach eine lineare Antwort auf den allgemeinen Trend der Erwärmung ist – und der jetzt aufgezeigte Mechanismus könnte das erklären.

Originalpublikation:
Petoukhov, V., Rahmstorf, S., Petri, S., Schellnhuber, H. J. (2013): Quasi-resonant amplification of planetary waves and recent Northern Hemisphere weather extremes. Proceedings of the National Academy of Sciences (Early Edition) [doi:10.1073/pnas.1222000110]

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CryoSat-2: Neuer Satellit zeigt das genaue Ausmaß des Meereis-Rückganges in Arktis

Sonntag 17. Februar 2013 von birdfish

Aktuelle Messungen des ESA-Eisdicken-Satelliten CryoSat-2 haben ergeben, dass die Gesamtmasse des arktischen Meereises im vergangenen Herbst 36 Prozent kleiner war als zur gleichen Zeit in den Jahren 2003 bis 2008.

CryoSat EisdickenbestimmungMessflug zur Eisdickenbestimmung. Foto: Stefan Hendricks / AWI

Betrug das Herbst-Volumen der Eisdecke bis vor fünf Jahren noch durchschnittlich 11900 Kubikkilometer, schrumpfte sie im vierten Quartal des Jahres 2012 auf 7600 Kubikkilometer.
Zu diesem Ergebnis kommt ein internationales Forscherteam, nachdem es CryoSat-Daten der zurückliegenden zwei Jahre verglichen hat mit Messungen eines ehemaligen NASA-Satelliten sowie mit den Ergebnissen der Meereis-Untersuchungen des Alfred-Wegener-Institutes, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung. Die Studie ist in der Online-Ausgabe des Fachmagazins Geophysical Research Letters erschienen und zeigt zum ersten Mal, wie genau Wissenschaftler die Entwicklung des arktischen Meereises mit CryoSat-2 beobachten können.

Als das arktische Meereis im Spätsommer des vergangenen Jahres so weit geschmolzen war, dass seine Fläche einen neuen Negativrekord aufstellte, war Meereisphysiker Stefan Hendricks genau am Ort des Geschehens – in der zentralen Arktis. Von Bord des Forschungsschiffes POLARSTERN aus starteten er und Kollegen mit Helikoptern, um mit einem Meereisdicken-Sensor im Schlepptau die Dicke des verbliebenen Eises zu vermessen; und das über eine Strecke von mehr als 3500 Kilometer. Daten wie diese haben Stefan Hendricks und Kollegen anschließend benutzt, um die Messmethode und die Messergebnisse des Eis-Satelliten CryoSat-2 zu überprüfen, den die ESA (European Space Agency) am 8. April 2010 in das Weltall gebracht hatte.

Der Satellit verfügt über einen Radar-Abstandsmesser, der erfasst, wie groß der Abstand zwischen der Eisoberfläche und dem darunterliegenden Meerwasser ist. CryoSat-2 umkreist die Erde zudem auf einer Umlaufbahn, die ihn dichter an den Nordpol heranführt als jeden seiner Vorgänger. Sein 1000 Meter breiter Radar-Strahl wandert dabei innerhalb eines Monats fast einmal über die gesamte Arktis, sammelt hochaufgelöste Daten und durchdringt im Gegensatz zu CryoSats Vorgänger ICESat auch die Wolkendecke. Technik, welche die Wissenschaftler begeistert und voranbringt: „Wir wissen jetzt, dass das CryoSat-Messverfahren gut funktioniert. Mit Hilfe des Satelliten ist es uns zum ersten Mal gelungen, eine nahezu vollständige Eisdicken-Karte der Arktis zu erstellen“, sagt Meereisphysiker und Mitautor Stefan Hendricks vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI). AWI-Meereis-Experten messen seit dem Jahr 2003 in einem Projekt der ESA die Dicke von Meereis.

Die CryoSat-Daten aus den vergangenen zwei Jahren belegen, dass die Eisdecke in der Arktis im Herbst des Jahres 2012 etwa 36 Prozent und im Winter rund 9 Prozent kleiner war als in den gleichen beiden Zeiträumen in den Jahren 2003 bis 2008. Betrug das Herbst-Volumen der Eisdecke bis vor fünf Jahren noch durchschnittlich 11900 Kubikkilometer, schrumpfte sie im vierten Quartal des Jahres 2012 auf 7600 Kubikkilometer – ein Minus von 4300 Kubikkilometern. Das Winter-Volumen dagegen sank von 16300 Kubikkilometern (2003-2008) auf 14800 Kubikkilometer (2010-2012), ein Verlust von insgesamt 1500 Kubikkilometern.

Diese Einbußen führen die Wissenschaftler vor allem auf den Rückgang des drei bis vier Meter dicken, mehrjährigen Eises zurück. „Die CryoSat-Daten belegen, dass dieses dicke Meereis zum Beispiel in einer Region nördlich Grönlands, am Kanadisch-Arktischen Archipel sowie auch nordöstlich Spitzbergens verschwunden ist”, sagt Mitautorin Dr. Katharine Giles vom University College London.

Diese neuen Erkenntnisse und CryoSats Daten-Zuverlässlichkeit sind für Meereisphysiker Stefan Hendricks jedoch erst der erste Schritt. „Das Meereis via Satellit zu vermessen, hat den großen Vorteil, dass wir nicht mehr von den Jahreszeiten abhängig sind und auch im Winter Daten erfassen können. Gleiches war vom Flugzeug aus wegen des oft sehr schlechten Wetters nicht möglich“, erklärt Stefan Hendricks.

Eine ständige Vermessung des Meereises aber wird dringend benötigt. „Auf dieses Ziel arbeiten wir seit Jahren hin, denn erst wenn wir wissen, wie dick das Wintereis in der gesamten Arktis ist, lassen sich genauere und eventuell auch kurzfristigere Vorhersagen über die Entwicklung der Eisdecke im darauffolgenden Sommer treffen“, sagt Stefan Hendricks.
Sein persönliches Ziel lautet, bald schon in jedem Monat eine AWI-Arktis-Karte mit den aktuellen Meereis-Dicken zu veröffentlichen. Stefan Hendricks: „Jeder Wissenschaftler und jede Wissenschaftlerin, die an diesem Thema arbeiten, sollen diese Daten dann ganz unkompliziert nutzen können.“

Originalpublikation:

Die Studie ist unter folgendem Titel in der Online-Ausgabe von Geophysical Research Letters erschienen:
Seymour W. Laxon, Katharine A. Giles, Andy L. Ridout, Duncan J. Wingham, Rosemary Willatt, Robert Cullen, Ron Kwok, Axel Schweiger, Jinlun Zhang, Christian Haas, Stefan Hendricks, Richard Krishfield, Nathan Kurtz, Sinead Farrell, Malcolm Davidson (2013): CryoSat-2 estimates of Arctic sea ice thickness and volume, Geophysical Research Letters, Online-Veröffentlichung am 28. Januar 2013.

Zur Homepage des deutschen CryoSat-Projekbüros

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AWI hat überraschend schnelle Veränderungen des arktischen Ökosystems festgestellt

Sonntag 17. Februar 2013 von birdfish

Riesige Mengen von Algen wachsen an der Unterseite des Meereises in der Zentralarktis: Die Eisalge Melosira arctica war im Jahr 2012 für fast die Hälfte der Primärproduktion in diesem Gebiet verantwortlich.

Arktis-AlgeArktis-Alge, wo sie normalerweise nicht wächst – Foto: Mar Fernandez-Mendez / AWI

Wenn das Eis abschmilzt wie während des Eisminimums 2012 sinken diese Algen innerhalb kurzer Zeit bis auf den Meeresgrund in mehreren Tausend Metern Tiefe. Tierische Tiefseebewohner wie Seegurken und Haarsterne fressen die Algen. Bakterien setzen um, was übrig bleibt und zehren dabei den Sauerstoff im Meeresboden auf.
Diese kurzfristige Reaktion des Tiefseeökosystems auf Änderungen an der Wasseroberfläche hat ein multidisziplinäres Forscherteam um Prof. Dr. Antje Boetius vom Alfred-Wegener-Institut (AWI), Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, jetzt in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Mehr als zwei Monate lang waren Wissenschaftler und Techniker aus zwölf Nationen im Spätsommer 2012 mit dem Forschungsschiff Polarstern in der Zentralarktis unterwegs. Im hohen Norden setzten sie eine Vielzahl modernster Forschungsgeräte und -methoden ein. Die übergeordnete Frage: Wie verändert sich die Arktis durch die globale Erwärmung und wie reagiert das Ökosystem mit seinen Bewohnern darauf? „Viel schneller als bisher vermutet!“ ist eine erste Antwort von Prof. Dr. Antje Boetius, die die Helmholtz-Max-Planck-Brückengruppe für Tiefsee-Ökologie und -Technologie leitet. „Der Meeresgrund in mehr als 4000 Metern Tiefe war übersät von Algenklumpen, die Seegurken und Haarsterne angelockt haben“, so die Mikrobiologin.

Die Algenklumpen mit einem Durchmesser von einem bis 50 Zentimetern bedeckten bis zu zehn Prozent des Meeresbodens. Aufspüren konnten die Forscher sie mit einem Ozeanboden-Beobachtungssystem namens OFOS (Ocean Floor Observation System). Dr. Frank Wenzhöfer aus der Helmholtz-Max-Planck-Brückengruppe konnte erstmals mit Mikrosensoren in der eisbedeckten Arktis die Sauerstoffkonzentration direkt am Tiefseeboden messen, dort, wo die Algen lagen. Auch unter dem Algenbelag tobte das Leben: Bakterien hatten angefangen, die Algen zu zersetzen. Deutlich wurde dies durch einen stark verringerten Sauerstoffgehalt im Sediment unter den Algen. Der Meeresgrund in benachbarten algenfreien Bereichen war dagegen bis zu einer Tiefe von 80 Zentimetern durchlüftet und enthielt kaum pflanzliche Überreste. Dort, wo die Algen abgebaut wurden, schrumpfte die belüftete Zone aber in kurzer Zeit auf wenige Millimeter.

Doch woher stammen die großen Mengen Algen in der Tiefsee? Pflanzen können dort nicht wachsen, weil es kein Licht gibt. Fündig wurden die Forscher an der Unterseite der schmelzenden Eisschollen: Überall unter dem Meereis fanden sie Reste des Eisalgen-Aufwuchses. „Man weiß seit langem, dass Kieselalgen der Art Melosira arctica unter dem Eis lange Ketten bilden können. Allerdings war dies in solchem Umfang bisher nur für Küstenregionen und altes, dickes Meereis beschrieben“, so Boetius. Bereits in der Expeditionsplanung vor drei Jahren hatten die Forscher die Hypothese aufgestellt, dass diese Eisalgen unter den heutigen Bedingungen auch unter dem Eis der Zentralarktis schneller wachsen könnten. Und die jetzt im Fachmagazin Science veröffentlichten Beobachtungen stützen ihre Hypothese: Die Eisalgen waren mit 45 Prozent sogar für fast die Hälfte der Primärproduktion im Zentralarktischen Becken verantwortlich. Der Rest der Primärproduktion geht auf andere Kieselalgen (Diatomeen) und Kleinstalgen (Nanoplankton) zurück, die in den oberen Schichten der Wassersäule leben.

Absterbendes Phytoplankton sinkt nur sehr langsam durch die Wassersäule und wird dort zum Großteil gefressen. Die langen, von Melosira arctica gebildeten Algenketten verklumpen hingegen und sinken schnell zum Meeresboden. So exportierten sie im Untersuchungsjahr 2012 mehr als 85 Prozent des durch Primärproduktion gebundenen Kohlenstoffs von der Wasseroberfläche in die Tiefsee. Die Forscher vermuten, dass die Algen tatsächlich im selben Jahr gewachsen waren, denn sie fanden nur noch einjähriges Eis in der zentralen Arktis vor, und die Algen aus den Mägen der Seegurken konnten im Labor noch Photosynthese betreiben. Auch der gute Ernährungszustand der Seegurken belegte die hohe Nahrungsverfügbarkeit: Die russische Zoologin Dr. Antonina Rogacheva vom P.P. Shirshov Institute of Oceanology fand die Tiere größer als bisher bekannt und mit weit entwickelten Fortpflanzungsorganen – ein Hinweis darauf, dass sie seit etwa zwei Monaten reichlich gefressen hatten.

Warum Eisalgen bei den aktuellen Bedingungen so schnell unter dem arktischen Meereis gedeihen können, aber dann durch die Eisschmelze ihren Lebensraum verlieren, können die Meereisphysiker vom Alfred-Wegener-Institut erklären. Sie bestimmten die Eisdicke mit einer vom Hubschrauber geschleppten elektromagnetischen Sonde und Eisbohrungen. Zusätzlich setzten sie einen Unterwasserroboter (ROV) ein, um das Eis von unten zu betrachten und zu messen, wie viel Licht hindurch dringt. Hierzu erklärt AWI-Meereisphysiker Dr. Marcel Nicolaus: „Auch zum Ende des Sommers haben wir die Algen noch direkt unter dem Meereis gefunden und dank unserer ROV Messungen konnten wir auch deren Menge abschätzen. Vermehrt auftretende Schmelztümpel lassen mehr Licht durch das Eis dringen und erlauben so ein schnelleres Algenwachstum.“ Durch das dünnere und wärmere Meereis schmelzen die Eisalgen dann aber auch schneller aus dem Eis aus und sinken ab.

„Wir konnten erstmals zeigen, dass die Erwärmung und die damit verbundenen physikalischen Veränderungen in der Arktis schnelle Reaktionen im gesamten Ökosystem bis in die Tiefsee hervorrufen“, resümiert Erstautorin Boetius. Die Tiefsee galt bisher als träges System, das erst mit erheblicher zeitlicher Verzögerung von der globalen Erwärmung betroffen sei. Dass mikrobielle Abbauprozesse am abgesunkenen Material aber auch in der Tiefsee innerhalb eines Jahres anoxische Flecken entstehen lassen, alarmiert die Forscherin: „Wir wissen noch nicht, ob wir ein einmaliges Phänomen beobachtet haben, oder sich das in den nächsten Jahren wiederholen wird.“ Aktuelle Vorhersagen gehen davon aus, dass ein eisfreier Sommer in der Arktis innerhalb der nächsten Jahrzehnte erreicht werden könnte. Boetius und Ihr Team warnen: „Wir verstehen die Funktion des arktischen Ökosystems mit seiner Biodiversität und Produktivität immer noch zu wenig, um abschätzen zu können, wie weitreichend die Veränderungen durch den schnellen Eisrückgang sind.“

Originalpublikation:
Antje Boetius, Sebastian Albrecht, Karel Bakker, Christina Bienhold, Janine Felden, Mar Fernández-Méndez, Stefan Hendricks, Christian Katlein, Catherine Lalande, Thomas Krumpen, Marcel Nicolaus, Ilka Peeken, Ben Rabe, Antonina Rogacheva, Elena Rybakova, Raquel Somavilla, Frank Wenzhöfer, and the RV Polarstern ARK-XXVII/3-Shipboard Science Party: Export of algal biomass from the melting Arctic sea ice. Science Express, 14. Februar 2013. DOI: 10.1126/science.1231346

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