Der Anstieg anthropogener Treibhausgase in der Atmosphäre verhindert die Abgabe von Wärme in den Weltraum. Dadurch nimmt die Erde durch Sonnenstrahlung ständig mehr Wärme auf, als sie durch Wärmestrahlung wieder abgeben kann.
Frühere Studien zeigen, wo diese zusätzliche Energie gespeichert ist: vor allem in den Ozeanen (89 Prozent), aber auch in den Landmassen der Kontinente (5-6 Prozent), in Eis und Gletschern (4 Prozent) und in der Atmosphäre (1-6 Prozent). 2 Prozent). Dieses Wissen ist jedoch unvollständig: Beispielsweise war bisher ungewiss, wie sich diese zusätzliche Wärme in den kontinentalen Landmassen verteilt.
Das Forschungsteam unter der Leitung des UFZ und unter Beteiligung von Wissenschaftlern des Alfred-Wegener-Instituts (Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI)), der Vrije Universiteit Brussel und anderer Forschungszentren konnte genauer quantifizieren, wie viel Wärme vorhanden ist Das Ergebnis: Die kontinentalen Landmassen haben zwischen 1960 und 2020 insgesamt 23,8 x 1021 Joule Wärme aufgenommen.
Zum Vergleich: Das entspricht etwa dem 1800-fachen Stromverbrauch Deutschlands im gleichen Zeitraum. Der Großteil dieser Wärme, rund 90 Prozent, wird bis zu 300 Meter tief in der Erde gespeichert. Neun Prozent der Energie werden zum Auftauen des Permafrosts in der Arktis verwendet und 0,7 Prozent werden in Binnengewässern wie Seen und Stauseen gespeichert.
„Obwohl die Binnengewässer und der Permafrost weniger Wärme speichern als der Boden, müssen sie kontinuierlich überwacht werden, da die zusätzliche Energie in diesen Teilsystemen erhebliche Veränderungen in den Ökosystemen verursacht“, sagt UFZ-Forscher und Erstautor der Studie Francisco José Cuesta-Valero.
Die Wissenschaftler zeigten außerdem, dass die im Boden, im Permafrost und in Seen gespeicherte Wärmemenge seit den 1960er Jahren kontinuierlich zunimmt. Bei einem Vergleich der beiden Jahrzehnte von 1960-1970 und von 2010-2020 beispielsweise stieg diese Menge um fast das Zwanzigfache von 1,007 auf 18,83 x 1021 Joule im Boden, von 0,058 auf 2,0 x 1021 Joule in Permafrostregionen und von – 0,02 bis 0,17 x 1021 Joule in Binnengewässern.
Die Forscher berechneten aus mehr als 1.000 Temperaturprofilen weltweit die in bis zu 300 Metern Tiefe gespeicherten Wärmemengen. Mithilfe von Modellen schätzten sie die Wärmespeicherung im Permafrost und in Binnengewässern ab. Beispielsweise kombinierten sie globale Seemodelle, hydrologische Modelle und Erdsystemmodelle, um die Gewässer zu modellieren. Sie schätzten die Wärmespeicherung im Permafrost mit einem Permafrostmodell, das verschiedene plausible Verteilungen des Grundeises in der Arktis berücksichtigt.
„Durch den Einsatz von Modellen konnten wir den Mangel an Beobachtungen in vielen Seen und in der Arktis kompensieren und die Unsicherheiten aufgrund der begrenzten Anzahl an Beobachtungen besser abschätzen“, erklärt Francisco José Cuesta-Valero.
Die Quantifizierung dieser thermischen Energie ist wichtig, da ihr Anstieg mit Prozessen verbunden ist, die Ökosysteme verändern und somit Folgen für die Gesellschaft haben können. Dies gilt beispielsweise für den dauerhaft gefrorenen Boden in der Arktis. „Obwohl die im Permafrost gespeicherte Wärmemenge möglicherweise nur neun Prozent der kontinentalen Wärmespeicherung ausmacht, fördert der Anstieg in den letzten Jahren die Freisetzung von Treibhausgasen wie Kohlendioxid und Methan durch das Auftauen des Permafrosts zusätzlich“, sagt Francisco José Cuesta. Valero.
Steigt die im Boden gespeicherte Wärmeenergie, erwärmt sich die Erdoberfläche und gefährdet dadurch beispielsweise die Stabilität des Kohlenstoffspeichers im Boden. In landwirtschaftlich genutzten Gebieten könnte die damit verbundene Erwärmung der Oberfläche eine Gefahr für die Ernte und damit für die Ernährungssicherheit der Bevölkerung darstellen. In Binnengewässern könnte sich der veränderte thermische Zustand auf die Dynamik der Ökosysteme auswirken: Die Wasserqualität verschlechtert sich, der Kohlenstoffkreislauf gerät durcheinander; Algenblüten nehmen zu und wirken sich wiederum auf die Sauerstoffkonzentration und die Primärproduktivität aus, wodurch die Fischereiproduktion beeinträchtigt wird.
Co-Autor Prof. Dr. Jian Peng, Leiter der UFZ-Fernerkundungsabteilung, sagt daher: „Es ist wichtig, genauer zu quantifizieren und zu überwachen, wie viel zusätzliche Wärme von den kontinentalen Landmassen absorbiert wird. Dies ist eine Schlüsselgröße für.“ verstehen, wie sich Veränderungen natürlicher Prozesse infolge der Wärmespeicherung in Zukunft auf Mensch und Natur auswirken werden.“
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Dynamik des Erdsystems.
Mehr Informationen:
Francisco José Cuesta-Valero et al, Kontinentale Wärmespeicherung: Beiträge des Bodens, der Binnengewässer und des Auftauens des Permafrosts, Dynamik des Erdsystems (2023). DOI: 10.5194/esd-14-609-2023