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Klimawandel: kalkbildende Einzeller sind Profiteure der steigenden Temperaturen

Mittwoch 13. Februar 2013 von birdfish

Das Klima wird wärmer und der Meeresspiegel steigt – eine Bedrohung für Inselstaaten.

SternchensandeSternchensande: Foraminiferensande vom Großen Barrier-Riff – Foto: Martin Langer / Uni Bonn

Wie Forscher unter Federführung der Universität Bonn herausgefunden haben, breiten sich gleichzeitig winzige einzellige Organismen in den Weltmeeren rasant aus, die die Folgen des Klimawandels mildern können: Mit ihren Kalkschalen stabilisieren die zu den Foraminiferen gehörenden Amphisteginen Küsten und Riffe. Die Ergebnisse sind in der internationalen Online-Fachzeitschrift „PLOS ONE“ erschienen.

Manche sehen aus wie kleine Sternchen, andere ähneln löchrigem Käse, wieder andere erinnern an winzige Muscheln: Die zu den Foraminiferen zählenden Amphisteginen sind extrem häufig und außerordentlich formenreich. Die meisten der rund 10.000 Foraminiferenarten leben auf dem Meeresboden in den Tropen und Subtropen, sind von einer Kalkschale umgeben und werden nicht einmal so groß wie ein Sandkorn. Trotzdem sind die Winzlinge zu enormen Leistungen fähig: „Foraminiferen sind Ökosystem-Ingenieure“, sagt Prof. Dr. Martin Langer vom Steinmann-Institut für Geologie, Mineralogie und Paläontologie der Universität Bonn. „Die Einzeller produzieren pro Jahr mit ihren Schalen bis zu zwei Kilogramm Kalk pro Quadratmeter Meeresboden und sind, nach den Korallen, die wichtigsten Sedimentproduzenten in tropischen Riffregionen.“

Rund 9.000 Kilometer entlang der Küste

Die Wissenschaftler der Universität Bonn untersuchten mit ihren Kollegen des Zoologischen Forschungsmuseums Alexander Koenig, der Universität Trier und der Woods Hole Oceanographic Institution (USA) die Verbreitung der winzigen Einzeller. Prof. Langer erfasste in den letzten Jahren die Verbreitung der Amphisteginen entlang der rund 9.000 Kilometer langen Küstenlinie vor Somalia, Kenia, Tansania, Mosambik, Südafrika, Namibia und Angola. „Das Vorkommen der Amphisteginen hängt entscheidend von der Temperatur sowie dem Salz- und Nährstoffgehalt der Ozeane ab“, sagt der Mikropaläontologe. So brauchen die Einzeller Wassertemperaturen von mindestens 14 Grad Celsius.

Bis 2100 breiten sich die Einzeller fast 300 Kilometer polwärts aus

Mit den Daten aus den Geländeuntersuchungen entwickelten die Forscher ein Artverbreitungsmodell, das berechnet, wo die Amphisteginen unter bestimmten Umweltbedingungen vorkommen. Mithilfe von Klimamodellen prognostizierten die Wissenschaftler anschließend die künftige Verbreitung der kalkschaligen Einzeller. „Die Amphisteginen zählen zu den Profiteuren der steigenden Temperaturen durch den Klimawandel“, fasst Prof. Langer zusammen. Bis zum Jahr 2050 breiten sich die Kalk-Einzeller durch die erwärmten Ozeane nach den Modellen um 180 Kilometer polwärts aus – das entspricht etwa 1,6 Breitengrade. Bis zum Jahr 2100 erhöht sich die durchschnittliche Temperatur in den Ozeanen vorsichtig geschätzt um rund 2,5 Grad Celsius. Dementsprechend dringen die Amphisteginen fast 300 Kilometer – rund 2,5 Breitengrade – weiter in Richtung der Pole vor.

Versauerung der Meere: „Survival of the Fittest“

„Unsere Modelle prognostizieren Ausbreitungsgeschwindigkeiten von bis zu acht Kilometer pro Jahr“, sagt die Doktorandin Anna Weinmann vom Steinmann-Institut der Universität Bonn. Korallen können ähnlich rasant in neue Bereiche vordringen. Allerdings macht ihnen die mit dem höheren Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre einhergehende Ozeanversauerung zu schaffen. Das Skelett der Korallen besteht aus Aragonit und ist damit viel säureempfindlicher als die Kalzitschale der Foraminiferen. „Amphisteginen und andere Foraminiferen übernehmen zunehmend die Kalkproduktion der Korallen und besetzen deren ökologische Nische. Ein Rollentausch vollzieht sich“, berichtet Prof. Langer.

Kalkproduzenten stabilisieren die Küsten und Riffe

Auf diese Weise werden in Zukunft Massenvorkommen von Foraminiferen den tropischen Meeresgrund prägen. Dafür gibt es auch zahlreiche Belege aus der Vergangenheit, zumal die Kalk-Einzeller die Ozeane bereits seit rund 600 Millionen Jahren besiedeln. „Der Fossilbericht zeigt: Immer wenn in der Erdgeschichte der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre erheblich höher und die Ozeane deutlich wärmer waren, sind Foraminiferen die häufigsten Kalkproduzenten in den Riffen gewesen“, sagt der Mikropaläontologe. Die winzigen Kalk-Einzeller können damit absehbar auch einen Teil der Schäden durch den Klimawandel wieder wettmachen. Bereits heute klagen Inselstaaten über den ansteigenden Meeresspiegel und zunehmende Schäden an ihren Küsten. Prof. Langer: „Amphisteginen und andere Foraminiferen werden sich in den nächsten Jahrzehnten rasch ausbreiten und die Küsten und Riffe durch ihre hohe Kalkproduktion stabilisieren.“

Originalpublikation:

Climate-Driven Range Extension of Amphistegina (Protista, Foraminiferida): Models of Current and Predicted Future Ranges, PLOS ONE, DOI: 10.1371/journal.pone.0054443

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Neue Eiskern-Studie: Grönlands Eisschild schrumpfte während Warmzeit nur minimal

Freitag 25. Januar 2013 von birdfish

Einem internationalen Forscherteam ist es zum ersten Mal gelungen, die Schichtung des grönländischen Eisschildes aus der zurückliegenden Eem-Warmzeit (130 000 bis 115 000 Jahre vor heute) vollständig zu rekonstruieren.

NEEM-Bohrcamp NEEM-Bohrcamp auf grönländischem Inlandeis – Foto: Lars Moeller / AWI

Mithilfe dieser Eisdaten können die Wissenschaftler jetzt sagen, wie warm es damals in Grönland wurde und wie der Eispanzer auf die Klimaveränderungen reagierte. Das überraschende Fazit ihrer Studie, die heute im Fachmagazin Nature erscheint: Bei Lufttemperaturen, die bis zu acht Grad Celsius höher waren als im 21. Jahrhundert, schrumpften die Eismassen im Vergleich zu heute weitaus weniger als vermutet. Der grönländische Eisschild hatte demzufolge auch einen viel kleineren Anteil am damaligen Anstieg des Meeresspiegels als bisher angenommen. Sollte der aktuelle Temperaturanstieg in Grönland anhalten, gelten die Reaktionen des Eisschildes im Zuge der Eem-Warmzeit als ein mögliches Zukunftsszenario für die Eismassen der Insel.

In einer grönländischen Sage heißt es, Erik, der Wikinger sei bei seinem ersten Landgang auf der Insel so beeindruckt gewesen von der fruchtbaren Fjordlandschaft, dass er dem Eiland den Namen „Grönland“ (übersetzt „grünes Land“) gab. Je nachdem, wie weit der Wikinger im Jahr 982 jedoch in das Landesinnere vorgestoßen sein mag, dürfte er auch die Ausläufer des grönländisches Eispanzers entdeckt haben. Denn wie ein internationales Forscherteam nun herausgefunden hat, war Grönland weder zu Eriks Lebzeiten noch rund 125.000 Jahre früher, zum Höhepunkt der zurückliegenden Eem-Warmzeit, eisfrei. Im Gegenteil: Der Eispanzer hatte seit dem Hochstand der dem Eem vorangegangenen Kaltzeit etwa 400 Meter an Mächtigkeit verloren und war am Ende der Wärmeperiode vor 130.000 bis 115.000 Jahren etwa 130 Meter niedriger als heute. Sein Volumen war im gleichen Zeitraum um maximal ein Viertel geschrumpft.

Zu diesem Ergebnis kommen die Wissenschaftler aus 14 Nationen, nachdem sie den unteren Teil eines 2540 Meter langen Eisbohrkernes aus Nordgrönland untersucht haben und erstmals seine in der Tiefe durcheinandergebrachte Schichtung rekonstruieren konnten. „Wir wussten, dass das Eis aus einer Tiefe von 2200 bis 2450 Meter aus der Eem-Warmzeit stammte. Die Herausforderung war jedoch, in diesem Eis ‚zu lesen’. Denn im Gegensatz zu dem darüber liegenden jüngeren Eiszeit-Eis, dessen einzelne Jahresschichten wie Tortenböden übereinanderliegen, hatten sich die einzelnen Schichten des Eem-Eises und die Schichten aus dem Übergang in die letzte Eiszeit wie eine zusammengeschobene Tischdecke mit aufliegender Serviette ineinander gefaltet“, erzählt die am Projekt beteiligte Expertin für Eisdeformation und Mikrostrukturen Dr. Ilka Weikusat vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung.

Um Ordnung und somit eine zeitliche Abfolge in dieses Schichtchaos zu bringen, haben die Wissenschaftler den grönländischen Eispanzer mit Radiowellen vermessen, die physikalischen Eigenschaften des Eiskerns untersucht, die Wasser- und Sauerstoff-Isotopenzahl bestimmt, überprüft, wie viel Methan die im Eis eingeschlossene Luft enthielt und all diese Werte am Ende mit Eem-Daten aus der Antarktis und anderen Orten der Welt verglichen. Im Anschluss daran konnten sie dann ihre eigentlichen Fragen nach den Temperatur- und Eisbedingungen auf Grönland während der Eem-Warmzeit beantworten.

„Unsere Daten zeigen, dass es während der Eem-Warmzeit in Nordgrönland bis zu acht Grad Celsius wärmer war als heute“, sagt Projektleiterin Prof. Dorthe Dahl-Jensen von der Universität Kopenhagen. Dass der grönländische Eispanzer auf diesen Temperaturanstieg nicht so empfindlich reagiert habe, wie bisher gedacht, sei die gute Nachricht der Studie.
Eine schlechte Nachricht gibt es allerdings auch: „Wenn der grönländische Eisschild damals nicht vollständig verschwunden ist, bedeutet dies im Umkehrschluss, dass die Eismassen der Antarktis hauptverantwortlich dafür waren, dass der Meeresspiegel während des Eems vier bis acht Meter höher war als heute“, sagt Dorthe Dahl-Jensen.

Und noch etwas gibt der Projektleiterin zu denken: Während der Eem-Warmzeit ist der Schnee an der Gletscheroberfläche immer wieder erheblich geschmolzen und das Schmelzwasser in die darunterliegenden Schneeschichten gesickert. Dafür sprechen Schichten aus wiedergefrorenem Schmelzwasser, welche die Forscher im Eiskern gefunden haben.

Ein ähnlich großes Schmelzereignis hatten Dorthe Dahl-Jensen und ihr NEEM-Team (NEEM = North Greenland Eemian Ice Drilling Project) bei ihren letzten Bohrungen im Sommer des vergangenen Jahres beobachtet. „Die warmen Oberflächentemperaturen des Sommers 2012 haben uns wirklich überrascht. Es hat geregnet und wie damals im Eem ist das Schmelzwasser versickert und in der Tiefe wieder gefroren“, erzählt Dorthe Dahl-Jensen. Ihrer Meinung nach war der vergangene Sommer ein Extremereignis. Dennoch steige mit der vorhergesagten Erwärmung Grönlands die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein solches Ereignis in den kommenden 50 bis 100 Jahren wiederhole und das Klima eem-ähnliche Züge annähme.

Die neu gewonnenen Eis- und Temperaturdaten für Grönland sollen jetzt in Klimamodelle einfließen und deren Vorhersagegenauigkeit weiter verbessern. „Diese neuen Erkenntnisse sind wirklich aufregend. Sie widerlegen nicht nur alle Schreckensszenarien, denen zufolge der grönländische Eispanzer im Zuge einer Warmzeit im Nu verschwindet. Sie bestätigen zudem Modellrechnungen, die schon vor über einem Jahrzehnt am Alfred-Wegener-Institut gemacht wurden“, sagt Prof. Heinrich Miller, Mitautor der Studie und Helmholtz-Professor für Glaziologie am Alfred-Wegener-Institut.

Beteiligung von Wissenschaftlern des Alfred-Wegener-Institutes
Experten des Alfred-Wegener-Institutes, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), waren in allen Abschnitten des NEEM-Projektes beteiligt. Sie haben an den geophysikalischen und glaziologischen Vorerkundungen der Bohrstelle mitgewirkt, haben mit den Forschungsflugzeugen POLAR 5 und 6 logistische Unterstützung auf Grönland geleistet, die Bohrtechnik mitentwickelt sowie beim Bohren und der ersten Verarbeitung der Eisbohrkerne geholfen. Anschließend war ihre Expertise bei den Staub- und Aerosolmessungen sowie bei der Isotopenanalyse gefragt. Im grönländischen Bohrcamp sowie im AWI-Eislabor in Bremerhaven haben AWI-Glaziologen zudem die physikalischen Eigenschaften des Bohrkernes untersucht und ausgewertet.

Das NEEM-Projekt

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NEEM-Projekt

Freitag 25. Januar 2013 von birdfish

Das North Greenland Eemian Ice Drilling Project (NEEM) ist ein internationales Eiskern-Forschungsprojekt, an dem Wissenschaftler aus 14 Nationen mitarbeiten.

NEEM-Bohrcamp NEEM-Bohrcamp auf grönländischem Inlandeis – Foto: Lars Moeller / AWI

Ziel dieses Projektes war es, in Nord-West-Grönland (Camp-Koordinaten: 77.45° N 51.06 °W) so tief in das grönländische Inlandeis zu bohren, dass Eisschichten aus der letzten Warmzeit, dem Eem, erreicht werden. In gerade einmal zwei Sommern gelang es dem Forscherteam, mit ihrem Eiskernbohrer bis in eine Tiefe von 2500 Meter – also bis zur Unterseite des Eispanzers – vorzustoßen. Dabei bargen sie die ersten vollständigen Proben von Eis, das sich in der letzten zurückliegenden Warmzeit, dem Eem, gebildet hatte. Es enthält Informationen über die damalige Durchschnittstemperatur, die Niederschlagsmenge und den Gehalt von Treibhausgasen in der Atmosphäre. Diese Daten sollen helfen, die gegenwärtigen und zukünftigen Klimaentwicklungen zu verstehen und bessere Vorhersagen treffen zu können.

Experten des Alfred-Wegener-Institutes, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), waren in allen Abschnitten des NEEM-Projektes beteiligt. Sie haben an den geophysikalischen und glaziologischen Vorerkundungen der Bohrstelle mitgewirkt, haben mit den Forschungsflugzeugen POLAR 5 und 6 logistische Unterstützung auf Grönland geleistet, die Bohrtechnik mitentwickelt sowie beim Bohren und der ersten Verarbeitung der Eisbohrkerne geholfen. Anschließend war ihre Expertise bei den Staub- und Aerosolmessungen sowie bei der Isotopenanalyse gefragt. Im grönländischen Bohrcamp sowie im AWI-Eislabor in Bremerhaven haben AWI-Glaziologen zudem die physikalischen Eigenschaften des Bohrkernes untersucht und ausgewertet.

Website des NEEM-Projektes

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GEOMAR: Einmaliges Langzeit-Experiment zur Ozeanversauerung mit den Kieler Mesokosmen

Mittwoch 23. Januar 2013 von birdfish

Von Januar bis Juni 2013 treffen sich mehr als 60 europäische Wissenschaftler in Westschweden für ein bislang einmaliges Langzeit-Experiment zur Ozeanversauerung.

Mesokosmen werden verankert Für das Experiment werden die Mesokosmen im Gullmarfjord verankert – Foto: Maike Nicolai, GEOMAR

Um vom Winter bis in den Sommer hinein zu beobachten, wie sich die marine Lebensgemeinschaft in saurerem Wasser entwickelt, setzen sie die Kieler KOSMOS Mesokosmen im Gullmarfjord ein. Die Arbeiten finden unter dem Dach des deutschen Forschungsprojekts zur Ozeanversauerung BIOACID (Biological Impacts of Ocean ACIDification) statt und werden vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel koordiniert.
In den vergangenen zehn Jahren zeigten Forschungsarbeiten, dass die Ozeanversauerung – das Absinken des pH-Werts im Wasser durch die Aufnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre (CO2) – Meereslebewesen in vielerlei Weise beeinflusst. Labor- und Freiland-Experimente konzentrierten sich dabei vor allem auf einzelne Arten. Ihre Reaktionen auf Ozeanversauerung wurden zumeist in Kurzzeitexperimenten untersucht. Doch wie reagieren komplexe Lebensgemeinschaften auf Ozeanversauerung und können sie sich über längere Zeiträume an die neuen Umweltbedingungen anpassen? Um diesen Fragen nachzugehen, bedarf es aufwendiger, mehrmonatiger Experimente an natürlichen Lebensgemeinschaften. „Durch eine Weiterentwicklung der Kieler KOSMOS Mesokosmen sind nun erstmals echte Langzeitexperimente möglich“, betont Prof. Ulf Riebesell. Der Professor für Biologische Ozeanografie am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel koordiniert das Projekt BIOACID und die KOSMOS Mesokosmen-Experimente.

Zehn dieser wie überdimensionierte Reagenzgläser im Wasser schwimmenden Konstruktionen setzen die GEOMAR-Forscher nun mit dem Forschungsschiff ALKOR im schwedischen Gullmarfjord aus. Mit ihnen können sie die Reaktionen der Planktongemeinschaft auf die Ozeanversauerung über einen Zeitraum von fünf Monaten verfolgen. In dieser Zeit durchlaufen die zumeist mikroskopisch kleinen Planktonorganismen viele Generationen, und unterschiedliche Artenzusammensetzungen wechseln sich ab“, erklärt Riebesell. „Durch die kurzen Generationszeiten der Planktonorganismen und den schnellen Wandel innerhalb der Lebensgemeinschaft wird es möglich, Anpassungsprozesse in der natürlichen Umgebung zu untersuchen.“ Riebesell und seine Kollegen erhoffen sich dadurch, bessere Vorhersagen über die Langzeitfolgen der Ozeanversauerung treffen zu können.

Ein weiterer Schwerpunkt der Studie liegt in den Auswirkungen der Ozeanversauerung auf die Entwicklung von Fischen. Ändert sich die Lebensgemeinschaft an der Basis der Nahrungskette, so könnte dies Folgen für das gesamte Nahrungsgefüge bis hin zu den Fischen haben. Um dieser Frage nachzugehen, setzen Forscher Herings- und Dorschlarven in den Mesokosmen aus und verfolgen deren Entwicklung in Abhängigkeit vom Grad der Ozeanversauerung. Erste Studien an Dorschlarven zeigen, dass deren Entwicklung auch direkt durch Ozeanversauerung beeinträchtigt werden kann.
Die Wissenschaftler aus Deutschland, Schweden, Finnland, Großbritannien und den Niederlanden haben das Sven Lovén Zentrum für Marine Wissenschaften in Kristineberg als Basis für ihre Arbeiten gewählt. Täglich fahren sie von der Station aus mit kleinen Booten zu den Mesokosmen, um Messungen vorzunehmen und Proben für Laboranalysen zu sammeln. „Die verschiedenen Teams untersuchen die Entwicklung und Produktivität der Planktongemeinschaft, Veränderungen im Nahrungsnetz, in den Stoff- und Energieumsätzen sowie in der Produktion klimaaktiver Gase“, beschreibt Riebesell die Bandbreite der Fragen, die das KOSMOS 2013 Experiment abdeckt. „Insgesamt sind in diesem Jahr 62 Molekular-, Evolutions-, Meeres- und Fischereibiologen, Physiologen, Ökologen, Biogeochemiker und Atmosphärenchemiker beteiligt. Dank unseres fächerübergreifenden Ansatzes und der außerordentlich langen Dauer des Experiments hoffen wir auf grundlegend neue Erkenntnisse.“

Die Wissenschaftler bloggen ab Ende Januar über ihre Arbeiten in Kristineberg. Der ‘KOSMOS 2013′-Blog ist dann auf der Website des Projekts BIOACID zu lesen.

Allgemeine Infos zur Meeresversauerung

Materialien zur Ozeanversauerung

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Schmelzwassertümpel lassen die arktische Meereisdecke noch schneller schmelzen

Mittwoch 16. Januar 2013 von birdfish

Die arktische Meereisdecke ist im zurückliegenden Jahrzehnt nicht nur geschrumpft, sondern auch deutlich jünger und dünner geworden.

SchmelzwassertümpelSchmelzwassertümpel auf arktischem Meereis – Foto: Stefan Hendricks / AWI

Wo früher meterdickes, mehrjähriges Eis trieb, finden Forscher heute vor allem dünne, einjährige Schollen, die in den Sommermonaten großflächig mit Schmelzwassertümpel bedeckt sind. Meereisphysiker des Alfred-Wegener-Institutes, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) haben nun erstmals die Lichtdurchlässigkeit des arktischen Meereises großflächig vermessen und dabei diese Veränderung in Zahlen fassen können.

Ihr Ergebnis: Überall dort, wo sich Schmelzwasser auf dem Eis ansammelt, dringt viel mehr Sonnenlicht und somit Energie in das Eis ein als an wasserfreien Stellen. Die Folge: Das Eis schmilzt schneller und der Lebensraum im und unter dem Eis erhält mehr Licht. Diese neuen Erkenntnisse haben die Forscher im Fachmagazin Geophysical Research Letters veröffentlicht.

Schmelzwassertümpel zählen zu den Lieblingsmotiven der Eis- und Landschaftsfotografen in der Arktis. Mal schimmern sie in einem verführerischen Karibik-Meerblau, mal liegen sie dunkel wie ein See bei Regenwetter auf der Scholle. „Ihre Farbe hängt ganz davon ab, wie dick das verbleibende Eis unter dem Tümpel ist und wie stark der darunterliegende Ozean durch dieses Eis hindurchscheinen kann. Tümpel auf dickerem Eis sind eher türkis, jene auf dünnem Eis dunkelblau bis schwarz“, sagt Dr. Marcel Nicolaus, Meereisphysiker und Schmelztümpel-Experte vom Alfred-Wegener-Institut.

Er und sein Team haben in den zurückliegenden Jahren bei Expeditionen in die zentrale Arktis auffallend viele Schmelzwassertümpel gesichtet. Nahezu die Hälfte des einjährigen Eises war mit Tümpeln überzogen. Eine Beobachtung, welche die Wissenschaftler auf den Klimawandel zurückführen. „Die Eisdecke des Arktischen Ozeans verändert sich seit einigen Jahren grundlegend. Dickes, mehrjähriges Eis sucht man mittlerweile fast vergebens. Stattdessen besteht die Eisdecke heutzutage zu mehr als 50 Prozent aus dünnem einjährigen Eis, auf dem sich Schmelzwasser besonders großflächig ausbreitet. Ausschlaggebend dafür ist die glattere Oberfläche dieses jungen Eises. Sie erlaubt es dem Schmelzwasser, sich weit zu verteilen und ein Netz aus vielen einzelnen Tümpeln zu bilden“, erklärt Marcel Nicolaus. Das ältere Eis dagegen besäße eine verformte Oberfläche, die im Laufe der Jahre durch die ständige Schollenbewegung und unzählige Zusammenstöße entstanden sei. Auf diesem unebenen Untergrund bildeten sich viel weniger und kleinere Tümpel, die dann jedoch deutlich tiefer seien als die flachen Teiche auf dem jüngeren Eis.

Die steigende Zahl der „Fenster zum Ozean“, wie Schmelztümpel auch genannt werden, warf für Marcel Nicolaus eine grundlegende Forschungsfrage auf: Inwieweit verändern die Tümpel und die abnehmende Eisdicke die Menge des Lichts unter dem Meereis? Immerhin stellt das Licht im Meer – wie auch an Land – die Hauptenergiequelle für die Photosynthese dar. Ohne Sonnenlicht wachsen weder Algen noch Pflanzen. Marcel Nicolaus: „Wir wussten, dass eine Eisscholle mit einer dicken, frischen Schneeschicht zwischen 85 und 90 Prozent des Sonnenlichtes in das Weltall zurückstrahlt und nur wenig in den Ozean durchlassen würde. Im Gegensatz dazu konnten wir davon ausgehen, dass im Sommer, wenn der Schnee auf dem Eis geschmolzen und das Meereis mit Tümpeln bedeckt ist, wesentlich mehr Licht durch das Eis hindurchdringt.“

Um herauszufinden, in welchem Maß arktisches Meereis Sonnenstrahlen passieren lässt und wie groß der Einfluss der Schmelzwassertümpel auf diese Durchlässigkeit ist, statteten die AWI-Meereisphysiker einen ferngesteuerten Tauchroboter (ROV „Alfred“) mit Lichtsensoren und einer Kamera aus. Diesen Roboter schickten sie im Sommer 2011 während einer Arktis-Expedition des Forschungseisbrechers POLARSTERN an mehreren Stationen direkt unter das Eis. Das Gerät erfasste auf seinen Tauchgängen, wie viel Sonnenenergie durch das Eis drang. Und das an insgesamt 6000 Einzelpunkten mit jeweils unterschiedlichen Eiseigenschaften!

Auf diese Weise entstand ein bisher einmaliger Datensatz, dessen Ergebnisse aufhorchen lassen. Marcel Nicolaus: „Das junge dünne Eis mit den vielen Schmelztümpeln lässt nicht nur dreimal mehr Licht passieren als das ältere. Es absorbiert auch doppelt so viel Sonnenstrahlung. Beides bedeutet im Umkehrschluss, dass dieses dünne, von Tümpeln überzogene Eis deutlich weniger Sonnenstrahlen reflektiert als das dicke Eis. Seine Rückstrahlquote liegt bei gerade mal 34 Prozent. Zudem nimmt das junge Eis mehr Sonnenenergie und somit Wärme auf, wodurch sein Schmelzen vorangetrieben wird. Das Eis schmilzt gewissermaßen von innen“ sagt Marcel Nicolaus.

Welches Zukunftsbild lässt sich anhand dieser neuen Erkenntnisse zeichnen? Marcel Nicolaus: „Wir gehen davon aus, dass im Zuge des Klimawandels künftig mehr Sonnenlicht in den Arktischen Ozean gelangen wird – und das insbesondere auch in jenem Teil, der nach wie vor im Sommer vom Meereis bedeckt ist. Der Grund: Je größer der Anteil des einjährigen Eises an der Meereisdecke wird, desto mehr und größere Schmelztümpel werden sich bilden. Diese wiederum führen dazu, dass die Reflexionsfähigkeit des Eises sinkt, die Transmission steigt, das Eis poröser wird, mehr Sonnenstrahlung durch die Schollen dringt und zeitgleich mehr Wärme vom Eis aufgenommen wird. Eine Entwicklung, die das Abschmelzen der gesamten Eisfläche weiter beschleunigen wird.“ Gleichzeitig aber werde den Lebewesen im und unter dem Eis künftig mehr Licht zur Verfügung stehen. Ob und wie diese allerdings mit der neuen Helligkeit zurechtkommen, wird gegenwärtig noch in Zusammenarbeit mit Biologen untersucht.

Originalpublikation
M. Nicolaus, C. Katlein, J. Maslanik, S. Hendricks: Changes in Arctic sea ice result in increasing light transmittance and absorption, Geophysical Research Letters, Volume 39, Issue 24, December 2012, Article first published online: 29 DEC 2012, DOI: 10.1029/2012GL053738

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Bisher genauester Beleg für Abschmelzen der Eisschilde: Vermessung der Erderwärmung

Mittwoch 5. Dezember 2012 von birdfish

Seit etwa zwei Jahrzehnten erfassen Wissenschaftler mithilfe von Satellitendaten das Abschmelzen der Eisschilde.

Schmelzwasser Grönland
Schmelzwasser auf Grönland – Foto: Ian Joughin

Wie stark sich das Polareis in Grönland und der Antarktis in dieser Zeit genau verändert hat, war bislang strittig. Unterschiedliche Berechnungsmethoden lieferten widersprüchliche Ergebnisse. Ein internationales Expertenteam, unter anderem von der Technischen Universität München, belegt nun mit den bisher genauesten Satelliten-Daten: Beide Eisschilde schwinden, allerdings unterschiedlich schnell.
Die Forscher zeigen, dass das Abschmelzen des Grönländischen und des Antarktischen Eisschildes den Meeresspiegel seit 1992 weltweit um 11,1 Millimeter anstiegen ließ. Etwa zwei Drittel des Verlustes wurden durch Abschmelzen des Eisschildes auf Grönland verursacht, der Rest stammt aus der Antarktis. Die Studie erschien jetzt in der Zeitschrift Science.

In seinem Klimabericht 2007 ging der Weltklimarat IPCC bei der Entwicklung des Polareises noch von einer großen Bandbreite aus: Ob der Antarktis-Eisschild schrumpft oder wächst, war dabei unklar. Die nun vorgelegten Schätzungen sind dank einer größeren Anzahl an Satellitendaten deutlich genauer: Sie bestätigen, dass sowohl der Antarktische als auch der Grönländische Eisschild an Masse verlieren.

Eisschwund hat sich beschleunigt

Die Studie zeigt zudem, dass die Eisschilde insgesamt immer schneller abschmelzen: Grönland und die Antarktis verlieren heute mehr als dreimal so viel Eis wie in den 90er Jahren. Das entspricht einem jährlichen Anstieg der Meeresspiegel von heute 0,95 mm im Vergleich zu 0,27 mm in den 90er Jahren.

Zudem lässt sich eine unterschiedliche Dynamik bei den Veränderungen beider Polkappen beobachten: Aus den Satellitendaten geht hervor, dass sich der Rückgang des Eisschildes auf Grönland seit Mitte der 90er Jahre fast verfünffacht hat. Im Gegensatz dazu ist die negative Gesamtbilanz in der Antarktis relativ konstant, wobei dort regionale Veränderungen teilweise sehr groß ausfallen.

Was das Gravitationsfeld der Erde verrät

Einen Teil dieser Messergebnisse hat Dr. Martin Horwath vom Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie der Technischen Universität München beigetragen. Um die Veränderung der Eismassen exakt zu bestimmen, nutzt der Geodät Daten über die Änderung der Erdanziehung, die ein Satellitenpaar liefert. Denn die Bahn, auf denen sich die Satelliten bewegen, wird schon von kleinen Unterschieden im Gravitationsfeld der Erde verändert: Nehmen die Eismassen an den Polen im Laufe eines Jahres zu oder ab, äußert sich das in minimalen Bahnstörungen.

Änderungen des Gravitationsfeldes auszuwerten, ist einer von drei Beobachtungsansätzen, die in der Studie verfolgt wurden. Die Forscher konnten diese nun aber auch mit Ergebnissen aus anderen Verfahren zusammenführen, die bisher in Dutzenden von Einzelstudien verwendet wurden. Dazu haben die Wissenschaftler unterschiedliche Messzeiträume und Messgebiete in Übereinstimmung gebracht und die Messungen verschiedener Satellitentypen kombiniert. Unter der Federführung von Prof. Andrew Shepherd (Universität Leeds) und Dr. Erik Ivins (NASA Jet Propulsion Laboratory) wurden Daten von zehn verschiedenen Satellitenmissionen ausgewertet.

Das IMBIE-Projekt (Ice Sheet Mass Balance Inter-comparison Exercise) ist ein Gemeinschaftsprojekt von 47 Wissenschaftlern aus 26 Forschungsinstituten und wurde durch die Europäische Weltraumbehörde ESA und die US-amerikanische Luft- und Raumfahrtbehörde NASA gefördert.

Originalpublikation
Andrew Shepherd et al: A reconciled estimate of ice sheet mass balance, Science, November 2012, doi: 10.1126/science.1228102.

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Klimaforschung: Neue Methode ermöglicht einen besseren Ausblick in die Zukunft

Mittwoch 28. November 2012 von birdfish

Eine der großen Fragen der Klimawissenschaften ist, um wie viel Grad Celsius die globale Temperatur steigt, wenn sich die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre verdoppelt.

Eisbohrkern aus der Antarktis
Eisbohrkern auf Dome Concordia – Foto: S. Kipfstuhl, AWI

Viele Wissenschaftler blicken dafür in die Vergangenheit, denn sie verrät, wie die Natur ohne den Einfluss des Menschen auf Klimaveränderungen reagiert hat. Die vielfältigen Forschungsergebnisse erschwerten es Wissenschaftlern bisher, genaue Vorhersagen darüber zu treffen, wie sich der Kohlendioxidanstieg auf die zukünftige Erwärmung auswirkt.

Ein internationales Forscherteam hat deshalb die vorhandenen Resultate ausgewertet, kategorisiert und mit einer eindeutigen Terminologie versehen. Dieses Vorgehen soll helfen, die Bandbreite an Ergebnissen einzugrenzen und den Vergleich zwischen vergangenen Klimaveränderungen und den Prognosen über den zukünftigen Temperaturanstieg zu verbessern. Ihre neue Methode stellt die Gruppe in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature vor.

Die Forschungsgruppe hat Ergebnisse aus über 20 Studien zusammengefasst, klassifiziert und verglichen, um eine mögliche Vorhersage über den zukünftig zu erwartenden globalen Temperaturanstieg zu treffen. In diesen, als Paläostudien bezeichneten, Arbeiten hatten Wissenschaftler versucht, die so genannte Klimasensitivität rückblickend mit Hilfe von Daten aus beispielsweise Eisbohr- oder Sedimentkernen zu rekonstruieren. Klimasensitivität ist eine wichtige Größe in der Klimawissenschaft. Sie beschreibt, wie die Durchschnittstemperatur auf der Erdoberfläche auf Veränderungen im Klimasystem reagiert. Konkret steht ihr Wert für den globalen Temperaturanstieg, den Klimamodelle berechnen, wenn sich der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre verdoppelt. Den Anfangswert der Modelle bildet dabei die Kohlendioxidkonzentration aus der vorindustriellen Zeit.

Das Team stand nun vor der Herausforderung, die zusammengetragenen Studien zu vergleichen. Jede Studie sprach zwar von „Klimasensitivität“, aber nicht alle berücksichtigten dieselben Faktoren. „Wir mussten also zunächst die verschiedenen Annahmen und Unsicherheiten herausarbeiten. Welche Studie berücksichtigte ausschließlich Kohlendioxid, welche beachtete zusätzlich andere Treibhausgase, wie zum Beispiel Methan, oder den Rückstrahleffekt, die sogenannte Albedo, von Eisflächen? Erst dann konnten wir die Daten vergleichen. Zusätzlich haben wir exemplarisch für einen Datensatz berechnet, welche Klimasensitivität wir bekommen, wenn wir beispielsweise nur Treibhausgase wie Kohlendioxid berücksichtigten, oder zusätzlich auch die Albedo“, erläutert Dr. Peter Köhler, Klimawissenschaftler am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft und einer der Hauptautoren der neuen Veröffentlichung.

Mit Hilfe ihrer neuen Methode konnte die Forschergruppe am Ende zehn unterschiedliche Arten der Klimasensitivität unterscheiden. In einem zweiten Schritt legte sie dann für diese eine eindeutige Terminologie und konkrete Definitionen fest. Die neue Kategorisierung soll verhindern, dass Forscher in Zukunft unter dem Begriff Klimasensitivität eine weite Bandbreite an Ergebnissen zusammenfassen, denen unterschiedliche Annahmen zugrunde liegen. „Idealerweise erkennt man schon beim ersten Blick auf eine Studie, welche Art der Klimasensitivität hier ermittelt wurde. Man soll also schon anhand der verwendeten Bezeichnung erkennen, welche Faktoren die Wissenschaftler als treibende Kräfte der Temperaturveränderung betrachtet haben. Mit unserer Terminologie geben wir einen konzeptionellen Rahmen, die Klimasensitivität anhand vergangener Klimazustände zu berechnen. Wir hoffen, dass dieser dabei hilft, Vorhersagen über zukünftige Klimaveränderungen besser zu bewerten“, erklärt der Klimawissenschaftler.

Diese Arbeit ist ein wichtiges Ergebnis der Klimawissenschaften. Sie fasst erstmals zusammen, wie Wissenschaftler bisher die Klimasensitivität mittels Daten der vergangenen 65 Millionen Jahre rekonstruiert und welche Annahmen sie hierzu veröffentlicht haben. Darüberhinaus belegt sie, dass die Klimaprognosen, die in den Berichten des Weltklimarates IPCC zusammengefasst sind, mit jenen Ergebnissen übereinstimmten, die aussagen wie die Natur im Laufe der Erdgeschichte auf Klimaveränderungen reagiert hat.

Ein Ziel hat das Forschungsteam allerdings noch nicht erreicht. „Wir hatten gehofft, die Werte der aktuell angenommen Klimasensitivität einschränken zu können. In seinem letzten Bericht ging der Weltklimarat IPCC davon aus, dass die globale Temperatur um 2,1 Grad Celsius bis 4,4 Grad Celsius ansteigt, wenn sich der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre gegenüber den Werten aus der vorindustriellen Zeit verdoppelt. Dies ist auch die Bandbreite, in der sich die von uns zusammengefassten Klimasensitivitätswerte momentan bewegen“, sagt Dr. Peter Köhler.

Um genauere Werte zu erhalten, müssten weitere Fragen geklärt werden. Die Wissenschaftler wissen zum Beispiel, dass die Klimasensitivität davon abhängt, welches Hintergrundklima vorherrscht. Also ob man zu einer bestimmten Zeit von einer Eis- oder Warmzeit sprechen konnte. Doch wie genau sich dieses Hintergrundklima auf die Klimasensitivität auswirke, müsse noch geklärt werden. Der Klimawissenschaftler hofft, dass der in dieser Studie eingeführte konzeptionelle Rahmen die Forschung hierin vorantreibe.

Die Publikation entstand im Rahmen eines dreitägigen Workshops an der Königlich-Niederländischen Akademie der Wissenschaften in Amsterdam, an dem letztes Jahr über 30 Wissenschaftler teilnahmen.

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Erste Weltklimafolgenkonferenz wird im kommenden Jahr in Potsdam stattfinden

Dienstag 27. November 2012 von birdfish

Die erste Konferenz zu weltweiten Klimafolgen, IMPACTS WORLD 2013, wird im kommenden Jahr in Potsdam stattfinden.

IMPACT WORLD 2013
Weltweite Klimafolgen stehen im Mittelpunkt der IMPACT WORLD 2013. Foto: Andreas Schachl

„Unsere Klimazukunft wird weitgehend von Entscheidungen bestimmt, die wir in den nächsten Jahrzehnten treffen– alles zwischen 2°C und 10°C globaler Erwärmung bis 2300 ist möglich“, sagt Hans Joachim Schellnhuber, Direktor des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung, das die Veranstaltung gemeinsam mit dem International Institute for Applied System Analysis (IIASA) ausrichten wird. „Die Folgenforschung ist ihren Kinderschuhen entwachsen und vermag endlich die dramatischen sektoralen und regionalen Bilder zu zeichnen, die spezifische Zunahmen der mittleren Erdoberflächentemperatur mit sich bringen können“.

Die interaktive, diskussionsbasierte Konferenz zielt darauf ab, eine neue Vision der Klimafolgenforschung zu entwickeln und soll das Fundament für regelmäßige, gemeinschaftlich bestimmte Überblicke über die Ergebnisse der Klimafolgenforschung legen. Das laufende Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project (ISI-MIP) stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg in Richtung eines umfassenden und quantitativen Verständnis der Folgen des Klimawandels dar. Projektergebnisse werden auf der Konferenz vogestellt.

Das Treffen vom 27. Bis 30. Mai 2013 bringt führende Wissenschaftler und Entscheidungsträger von lokaler bis internationaler Ebene zusammen und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt. Mit Blick auf eine neue Architektur der Folgenforschung stehen fünf grundsätzliche Herausforderungen im Mittelpunkt: Können wir bestehendes Wissen sektorübergreifend integrieren? Welche Teile fehlen uns noch? Wie sicher sind wir uns? Wie überbrücken wir die Kluft zwischen regionalen und globalen Studien zu Klimafolgen? Hört uns überhaupt jemand zu?

Der call for papers läuft bis zum 15.Dezember 2012.

Website der Weltklimafolgenkonferenz IMPACTS WORLD 2013

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