Wenn der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre zunimmt, heizt sich die Erde nicht nur auf, auch Wetterextreme wie anhaltende Dürren, Hitzewellen, Starkregen oder extreme Stürme dürften sich häufen. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von David Frank, von der Eidgenössischen Forschungsanstalt WSL und vom Oeschger Zentrum für Klimaforschung, berichtet in der Fachzeitschrift Nature, dass die Landökosysteme wegen der extremen klimatischen Ereignisse jährlich etwa elf Milliarden Tonnen weniger Kohlendioxid aufnehmen, als sie ohne Extremereignisse aufnehmen würden. Das entspricht etwa einem Drittel der weltweiten Kohlendioxid-Emissionen pro Jahr.
[You must be registered and logged in to see this image.]Die Hitzewelle, die Mittel- und Südeuropa im Sommer 2003 glühen ließ, alarmierte die Klimaforscher. Denn sie gehörte zu den ersten großflächigen Wetterextremen, anhand derer Wissenschafter umfassend dokumentierten, wie Hitze und Trockenheit den Kohlenstoffkreislauf, also den Austausch von Kohlendioxid zwischen Landökosystemen und Atmosphäre, beeinflussten. Hinweise auf die unterschätzte Rolle von extremen Wetterereignissen im Kohlenstoffhaushalt veranlassten Wissenschafter aus acht Nationen, das Projekt CARBO-Extreme zu starten. Darin untersuchten sie erstmals weltweit und systematisch die Folgen der verschiedenen extremen Ereignisse für Wälder, Sümpfe, Graslandschaften und Ackerflächen.
Für Studie aus der Perspektive der Ökosysteme, die erstmalig die globale Ebene betrachtete, verfolgten die Forscher um Markus Reichstein vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Deutschland, verschiedene Ansätze. Zum einen verrieten ihnen Satellitenmessungen aus den Jahren 1982 bis 2011, wie viel Licht Pflanzen in einem Gebiet absorbieren, um damit Fotosynthese zu betreiben. Daraus können sie ermitteln, wie viel Biomasse das jeweilige Ökosystem während oder nach einem extremen Wetterereignis aufbaut. Zum anderen griffen die Forscher auf Daten eines weltweiten Netzes von 500 Messstationen zurück, die wenige Meter über dem Boden beziehungsweise über den Baumkronen eines Waldes die Kohlendioxid-Konzentrationen in der Atmosphäre sowie die Luftströmungen aufzeichnen. Aus diesen Werten ergibt sich, wie viel Kohlenstoff ein Ökosystem in Form von Kohlendioxid aufnimmt und abgibt.
Die Forschenden fanden heraus, dass sich Extremereignisse bezüglich des Kohlenstoffkreislaufs, ähnlich wie Erdrutsche und Erdbeben, entsprechend eines Skalierungsgesetzes verhalten. Das bedeutet, dass wenige grosse Ereignisse den globalen Gesamteffekt dominieren, während die häufigeren kleinen Ereignisse weltweit eine deutlich geringere Rolle spielen. So reduzieren beispielsweise extreme Dürreperioden deutlich die Menge an Kohlenstoff, die Wälder, Wiesen und landwirtschaftliche Nutzflächen aufnehmen. Eine Dürre kann Bäumen nicht nur unmittelbar schaden, sie macht sie auch anfälliger für Schädlinge und Feuer. Zudem erholt sich ein Wald nach einem Feuer oder Sturmschaden sehr viel langsamer als andere Ökosysteme, wobei etwa ein Sturm einer Graslandschaft gar nichts anhaben kann.

Sehr seltene Wetterextreme besser erforschen

Die Forscher planen, die Reaktionen der verschiedenen terrestrischen Ökosysteme in Labor- und Freilandexperimenten zu untersuchen. "Weil grosse Extremereignisse so selten sind, brauchen wir vor allem mehr Langzeitstudien, um die Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf und die Wälder besser untersuchen zu können", sagt David Frank von der WSL. "Die Jahrringe der Bäume speichern und dokumentieren den Einfluss von extremen Klimabedingungen – das ist fantastisch, denn dies ermöglicht uns, das jährliche Wachstum der Bäume mit der Kohlenstoffbilanz in Beziehung zu setzen und so Veränderungen über die vergangenen Jahrzehnte oder gar Jahrhunderte zu erkennen", fährt Frank fort.
Die stärksten lang anhaltenden Einflüsse extremer Ereignisse werden also Waldökosysteme beeinflussen. "Die Analyse von Jahrringdaten hat uns sogar schon ermöglicht, extreme Einflüsse auf Wälder, die mehrere hundert Kilometer voneinander entfernt wuchsen, nachzuweisen, so z.B. 1976, 1948, 1846, 1601 und 1540, sagt David Frank. Diese Daten zeigen, wie empfindlich die Kohlenstoffbilanz Europas und das Wachstum Schweizer Wälder auf Umweltveränderungen und Extreme reagiert. Darüber hinaus regen die Forscher an, etwa bei einer Dürre oder einem Sturm Satelliten möglichst schnell auf eine betroffene Region zu richten, um den unmittelbaren und langfristigen Effekt lückenlos erfassen zu können.

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Die vielfältigen Folgen von Wetterextremen: Dürren, Hitzewellen, Stürme, Starkregen und extremer Frost greifen auf verschiedenen Wegen in den Kohlenstoffhaushalt von Wäldern, Graslandschaften und landwirtschaftlichen Nutzflächen ein. Nach oben zeigende Pfeile stehen für eine zusätzliche Belastung der Atmosphäre mit Kohlendioxid. Nach unten weisende Pfeile bedeuten, dass der Atmosphäre Kohlendioxid längerfristig entzogen wird. Orange Pfeile symbolisieren dabei kurzfristige und violette Pfeile langfristige Effekte. (Grafik: Nature, Ausgabe vom 15.8.2013, doi 10.1038/nature12350)]