Big Data für die Klimaforschung

Von historischen Wetteraufzeichnungen bis Prognosen für 2050

Von Eva Diehl
„Schauen Sie, das ist zum Beispiel ein historisches Dokument aus den 1430er Jahren“, sagt Prof. Dr. Jürg Luterbacher und zeigt auf den Bildschirm seines Laptops. Ein unleserliches,  handgeschriebenes Dokument ist zu sehen. „Historische Wetteraufzeichnungen stammen oft von Reisenden, Ärzten, Priestern oder Mönchen, aber auch von Beamten, die die Erträge aus der  Landwirtschaft dokumentierten.“ Als nächstes zeigt der Klimaforscher eine Karte, auf der Quadrate in unterschiedlichen Blautönen über Europa verteilt sind – je dunkler sie sind, desto kälter ist die  Durchschnittstemperatur im Sommer. Auf Basis der Aufzeichnungen und anderer Datenquellen haben Luterbacher und sein Team flächendeckend das Klima seit Beginn des Mittelalters berechnet und gezeigt: Die 1430er Jahre waren wohl die kälteste Dekade im nordwestlichen und zentralen Europa. „Die Winter waren extrem kalt und die Ernten katastrophal“, sagt Luterbacher. Das harsche Klima führte zu erhöhten Lebensmittelpreisen, Hungersnöten, Krankheiten und Kriegen in Teilen Europas.

„Wir erforschen die Vergangenheit, die Gegenwart und die Zukun des Klimas und Extremereignisse sowie deren Auswirkungen auf Gesellschaften und Ökosysteme“, sagt der Gruppenleiter. „Nur im historischen Kontext können wir aktuelle Klimaänderungen bewerten und beobachten, wie Menschen und Umwelt sich daran anpassten und Strategien gegen die Klimaänderungen entwickelten.“ Dafür zapfen die Klimaforscherinnen und -forscher am Institut für Geographie der Justus-Liebig-Universität (JLU) historische Archive, meteorologische Messstationen, Klimazeugen der Natur wie  Baumringe, Eisbohrkerne, Korallen, Sedimente oder Tropfsteine an und tun vor allem eines: riesige Datenmengen analysieren und zusammen mit Klimamodellen interpretieren. Sie untersuchen zum Beispiel auch den Monsun der letzten 1.000 Jahre in China und dessen Zusammenhänge mit den arktischen Klimaschwankungen, die Dynamik von Sommerwinden und das Potenzial für  Windenergie in der Ägäis. „Fragen zum Klimawandel kann man nicht aus einer Disziplin heraus beantworten – man muss ihn aus unterschiedlichen Perspektiven betrachten“, ist der Professor  überzeugt. Neben Geografinnen und Geografen arbeiten in seiner Klimagruppe auch Geologen, Mathematikerinnen, Atmosphärenphysiker, Meteorologinnen und Meteorologen zusammen.

Sommer  in der Römerzeit

Ein Ergebnis der aufwändigen Analysen zeigt Luterbacher anhand eines Diagramms mit bunten Kurven. „Die letzten 30 Sommer in Europa waren außergewöhnlich im Kontext der letzten 2.000  Jahre“, sagt er und deutet auf eine der Linien. Aus verschiedenen Datenquellen errechnete das Team schließlich die durchschnittlichen Temperaturen der Sommer von der Römerzeit bis in die  Gegenwart. In der Abbildung am Bildschirm ist das letzte Stückchen der Kurve rot gefärbt und zeigt steil nach oben. Auf die Frage nach dem Warum hat Luterbacher eine klare Antwort: „Menschengemachter Klimawandel“.

Änderungen in der Atmosphäre messen auch JLU-Forscherinnen und -Forscher um Prof. Dr. Christoph Müller vom Institut für Pflanzenökologie. Sechs Kilometer Lu linie von Luterbachers Büro im Gießener Neuen Schloss entfernt liegt die Umweltbeobachtungs- und  Klimafolgenforschungsstation Linden. „Die Zukunft bereits heute erforschen“ steht am Eingang zu dem eingezäunten, mehrere Hektar großen Areal. Allerlei Gestänge, Rohre und ein riesiger weißer Tank ragen aus dem Grünland. „Als die Messungen vor knapp 20 Jahren starteten, lag der Gehalt des Treibhausgases CO2 in  der Lu bei im Schnitt 360 ppm. Heute sind es schon 400“, sagt P anzenökologe Dr. Gerald Moser nachdenklich. „Das ist schon eine steile Kurve.“ Das Gas hält infrarote Wärmestrahlung in der  Erdatmosphäre zurück und befeuert so die globale Erwärmung – und somit den Klimawandel.

Der Wind fegt über das sa ige grüne Gras der Station. Klack-klack-klack klingt es von einem nahe  gelegenen großen, grünen Metallring mit gebogenen Rohren herüber. „Wir untersuchen hier, wie P anzen auf den Klimawandel reagieren“, sagt Moser. Auf die Vegetation innerhalb der acht Meter  breiten Ringe pusten die Rohre dazu mit dem Treibhausgas Kohlendioxid (CO₂) angereicherte
Luft. „Wir simulieren damit die Atmosphäre zur Mitte des 21. Jahrhunderts“, sagt Moser. Für das Jahr 2050 erwartet der Weltklimarat IPCC einen um 20 Prozent höheren CO₂-Gehalt der Atmosphäre im Vergleich zu heute – genau diese Konzentration hat das Gas innerhalb von drei Ringen. Die übrigen drei mit Umgebungsluft dienen als Kontrollen. Die Ventile der Anreicherungsringe öffnen und
schließen sich je nach Windstärke und -richtung, dabei klacken die Ventilklappen.

Ein Tag liefert 80.000 Messwerte

Wie könnte das Grünland 2050 also aussehen? Bis zu 18 Prozent höhere Ernten erwarten die JLU-Forscherinnen und Forscher. Da die Pflanzen das CO₂ in der Fotosynthese nutzen, wirkt das  Treibhausgas wie Dünger auf die Gräser, Kräuter und Hülsenfrüchtler im Grünland. Jedoch gibt es alarmierende Nebene ekte, wie die Langzeitexperimente zeigen. „Die erhöhte CO₂-Konzentration setzt im Boden Prozesse in Gang, die den Klimawandel noch verstärken“, erklärt Moser. Mikroorganismen im Boden bilden doppelt so viel Lachgas, und dieses Treibhausgas schädigt das Klima dreihundertfach stärker als Kohlendioxid. „Die Natur wird uns nicht dabei helfen den Klimawandel zu verhindern.“

Wie gut die Pflanzen wachsen und wie Mikroorganismen im Boden reagieren,  kontrollieren die Forscherinnen und Forscher regelmäßig. Beteiligt sind daran auch Mikrobiologinnen und Mikrobiologen der JLU und des Max-Planck-Instituts in Marburg. Daten liefern zudem 412 Sensoren an 365 Tagen im Jahr – insgesamt 81.216 Werte pro Tag. Sie messen zum Beispiel die Feuchte, Temperatur und Wärmeflüsse im Boden sowie die Windstärke und -geschwindigkeit, Luftfeuchte und -temperatur. Die Daten übertragen sieben Datenlogger alle zehn Minuten per Internet an einen Server. Die Forscherinnen und Forscher können auf viele der Informationen von ihren Computern im Büro zugreifen. Auch Luterbacher und sein Team nutzen die Daten aus Linden.

„Uns interessiert, wie sich extreme Wetterereignisse auf den CO₂-Austausch von Ökosystemen auswirken“, sagt Luterbacher. Zwar sind Hitzewellen und Starkregen bislang sehr selten, werden aber  angesichts des Klimawandels kün ig häu ger au reten. Obwohl die Grünlandpflanzen von dem erhöhten CO₂-Gehalt in der Atmosphäre sozusagen gedüngt werden und besser wachsen, verschwindet dieser Effekt bei starkem Regen und unter trockenen und heißen Bedingungen. Im extrem  heißen Sommer 2003 beobachteten die Forscherinnen und Forscher sogar, dass die P anzen unter erhöhter CO₂-Konzentration weniger Biomasse produzierten. „Global gesehen bedeutet das, dass Graslandökosysteme unter extremen Wetterbedingungen weniger von dem Treibhausgas aufnehmen und sogar zu einer Quelle werden können“, erklärt  Luterbacher. „Wenn wir diese Erkenntnisse mit einberechnen, können wir Klimaveränderungen und deren Folgen realistischer abschätzen.“

Als eine Folge des Klimawandels bewertet der Professor auch die Migration von Menschen. „Auch in Syrien gab es vor dem Krieg Umweltveränderungen. Die große Trockenheit erschwerte die Landwirtschaft, und die Menschen haben zunächst innerhalb des Landes nach besseren Bedingungen gesucht“, sagt Luterbacher. „Einen stabilen Staat wir das nicht aus der Bahn, aber wenn sich auch politisch eine Krise entwickelt, kann sie durch den Klimawandel verschärft werden. Wenn die Gesellscha gezwungen ist sich anzupassen, ist weltweit kün ig mit mehr Umwelt- oder Klima  Flüchtlingen zu rechnen.“ Aber was tun? „Wir müssen unseren CO₂-Ausstoß verringern“, meint Pflanzenökologe Moser. „Aber das allein reicht nicht aus. Wir müssen die Klimagase auch aktiv aus der Atmosphäre entfernen und großräumig Aufforstung betreiben.“ Klimaforscher Luterbacher bereiten die aktuellen Entwicklungen der Ära Trump Sorgen, dennoch ist er überzeugt: „Im Klimaschutz  sind nationale und internationale Anstrengungen wie das Pariser Abkommen langfristig die einzige Option.“

Simulation der Zukunft

Wie wirken sich die Erderwärmung und die gestiegene Konzentration des Treibhausgases Kohlendioxid (CO₂) auf Pflanzen, Böden, Mikroorganismen und Tiere aus? Wird der Klimawandel die Funktionsweise unserer Ökosysteme und die Ernten in der Landwirtschaft ändern? Diesen und anderen Fragen gehen Forscherinnen und Forscher auf der Umweltbeobachtungs- und  Klimafolgenforschungsstation Linden nach. Unter Leitung des Instituts für Pflanzenökologie führen sie seit 1998 Langzeitexperimente auf den Grünlandflächen durch, um die Folgen des  Klimawandels besser abzuschätzen. Beteiligt ist daran auch das Hessische Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie.

Die sogenannten „Free Air Carbon Dioxide Enrichment (FACE)“-Systeme auf dem Gelände der Station ermöglichen es, zukünftig erwartete Klimaänderungen im Freiland zu simulieren. In drei Ringflächen mit einem Durchmesser von acht Metern reichern die aufwändigen Konstruktionen aus Rohren die Luft mit einer um 20 Prozent erhöhten Konzentration des Treibhausgases Kohlendioxid (CO₂) an. In neu installierten Anlagen soll künftig gleichzeitig auch die Temperatur um zwei Grad erhöht werden, um mögliche Wechselwirkungen zu identifizieren.

Forscherinnen und Forscher aus Gießen und Marburg sowie von der Hochschule Geisenheim arbeiten im Projekt FACE₂FACE gemeinsam daran, die komplexen Auswirkungen des Treibhausgases auf  Grünland, Weinbau und Gemüsebau besser zu verstehen. Dies fördert das Land Hessen als Schwerpunkt im Rahmen der Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz  (LOEWE). FACE- Anlagen gibt es weltweit an mehr als 30 Standorten, etwa in der Schweiz, den USA, Italien oder Australien. Ihre Ergebnisse diskutierten rund 100 internationale FACE- Forscherinnen und -Forscher Ende 2016 in Gießen.

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