Studie zeigt, dass Dürren die Kohlendioxidaufnahme in den Tropen zunehmend verringern

Pflanzen nehmen CO2 auf, um zu wachsen. Sie extrahieren es aus der Atmosphäre und bauen daraus mittels Photosynthese und Wasser organische Verbindungen auf. Landökosysteme haben in den letzten sechs Jahrzehnten durchschnittlich etwa 32 Prozent der durch menschliche Aktivitäten verursachten CO2-Emissionen absorbiert. Ob und inwieweit die terrestrische Vegetation auch in einem sich verändernden Klima weiterhin als Kohlenstoffsenke fungieren kann, ist eine zentrale Frage der Klimawissenschaft und von entscheidender politischer Relevanz.

Das Klimasystem der Erde weist zahlreiche Rückkopplungsschleifen auf. Hierbei handelt es sich um durch die globale Erwärmung ausgelöste Prozesse, die eine Rückwirkung auf den Klimawandel haben und diesen entweder verstärken oder abschwächen. Solche Rückkopplungsschleifen im Kohlenstoffsystem sind schwer zu messen und zu modellieren und stellen einen großen Unsicherheitsfaktor bei Klimaprognosen dar. „Es ist daher schwierig, genau zu quantifizieren, wie terrestrische Kohlenstoffsenken auf einen weiteren vom Menschen verursachten Klimawandel reagieren werden“, sagt Sonia Seneviratne, Professorin für Land-Klima-Dynamik an der ETH Zürich.

Bisher deutete die verfügbare Literatur darauf hin, dass terrestrische Kohlenstoffsenken nur bei einem starken bis sehr starken Anstieg der globalen Erwärmung, also über 2 bis 4 Grad Celsius, eindeutig beeinträchtigt werden könnten. Nun hat ein Forscherteam unter der Leitung von Seneviratne Hinweise darauf gefunden, dass terrestrische Ökosysteme möglicherweise weniger widerstandsfähig gegen den Klimawandel sind als bisher angenommen.

„Wir haben herausgefunden, dass tropische Kohlenstoffsenken zunehmend anfällig für Wasserknappheit sind“, sagt Laibao Liu, Postdoktorand in Seneviratnes Gruppe und Erstautor der Studie, die die Forscher in der Zeitschrift veröffentlicht haben Natur.

Rückkopplungsschleife zwischen Kohlenstoff und Klima

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Dürren in den letzten 60 Jahren einen zunehmenden Einfluss auf den Kohlenstoffkreislauf in den Tropen hatten, wobei die Vegetation bei Dürreereignissen immer weniger CO2 absorbierte – ein Effekt, den die meisten Klimamodelle nicht erfassen können.

Dennoch scheint die beobachtete Veränderung auf einer bekannten Rückkopplungsschleife zu beruhen: Unter heißen und trockenen Bedingungen hören Pflanzen auf, CO2 aufzunehmen, um Wasserverluste zu vermeiden. Darüber hinaus kann es auch zu einem Anstieg des Pflanzensterbens und von Brandereignissen kommen, was zu einer zusätzlichen Freisetzung von CO2 in die Biosphäre führt. Sollten solche Bedingungen häufiger auftreten, könnte dies zu einer Verringerung der terrestrischen CO2-Senke und damit zu einem weiteren Anstieg der globalen Erwärmung führen.

Bereits 2018 konnte Seneviratnes Team auf globaler Ebene nachweisen, wie gestresste Ökosysteme bei schweren Dürren weniger Kohlenstoff aufnehmen – nämlich wie die CO2-Konzentration in der Atmosphäre in trockenen Jahren deutlich ansteigt. Tatsächlich schwankt die Wachstumsrate des atmosphärischen CO2 von Jahr zu Jahr entsprechend der Wasserverfügbarkeit auf der Erde.

Die größte Herausforderung bestand darin, herauszufinden, wo es weltweit zu Dürren kam. Mithilfe ausgefeilter Satellitenbeobachtungen der Wasserreservoirs der Erde konnte dies inzwischen genauer bestimmt werden.

Dürren hängen mit dem Kohlenstoffkreislauf zusammen

In dieser Studie wollten die Forscher herausfinden, ob sich der Zusammenhang zwischen Wasserverfügbarkeit und CO2-Wachstumsrate im Laufe der Zeit verändert. „Da die jährlichen Schwankungen der CO2-Wachstumsraten in den Tropen eindeutig von den Kohlenstoffflüssen zwischen Land und Atmosphäre dominiert werden, konnten wir diese globale Frage anhand tropischer Klimadaten der letzten sechzig Jahre untersuchen“, erklärt Liu.

Insbesondere konnten die Forscher nachweisen, dass sich die Kopplung zwischen tropischer Wasserverfügbarkeit und CO2-Wachstumsraten im 30-Jahres-Zeitraum zwischen 1989 und 2018 im Vergleich zum Zeitraum von 1960 bis 1989 verstärkte.

Mit anderen Worten: Tropisches Wasser – oder genauer gesagt seine Knappheit – ist zu einem zunehmend limitierenden Faktor geworden, der den jährlich schwankenden Kohlenstoffkreislauf und seine Rückkopplungsschleifen beeinflusst.

Rückblick ist keine Prognose

Die Ergebnisse geben Seneviratne Anlass zur Sorge, da sie einen Prozess aufzeigen, der die globale Erwärmung verstärken könnte. Sie möchte nun herausfinden, was die immer schlimmer werdenden tropischen Dürren und die höhere Empfindlichkeit tropischer Ökosysteme verursacht hat und warum Klimamodelle diese Merkmale nicht erfassen. Eine mögliche Erklärung könnten Veränderungen in den räumlichen Eigenschaften der El Niño Southern Oscillation (ENSO) sein, wie die Forscher in ihrer Studie schreiben. Aber es ist noch zu früh, um eindeutige Antworten zu finden.

Seneviratne mahnt außerdem zur Vorsicht vor voreiligen Schlussfolgerungen. „Unsere Studie hat sich mit historischen Daten befasst – nicht direkt mit Prognosen. Die Ergebnisse liefern keine Prognosen“, betont der Klimaforscher.

Dennoch wäre eine Verstärkung der Auswirkungen von Dürren auf den Kohlenstoffkreislauf kein gutes Zeichen. „Wir gehen davon aus, dass viele Regionen mit ausgedehnter Vegetation, insbesondere der Amazonas in den Tropen, mit steigenden Temperaturen stärker von Dürren betroffen sein werden“, fügt Seneviratne hinzu.

Die Tatsache, dass Klimamodelle die zunehmende Rolle der Wasserbegrenzung nicht berücksichtigen, könnte darauf hindeuten, dass die Kohlenstoffaufnahme der Pflanzen und die Widerstandsfähigkeit der Vegetation gegenüber Dürren überschätzt wurden. „Dies hätte Auswirkungen auf die Bewertung von Klimazielen und -maßnahmen und würde eine Neuberechnung des globalen Kohlenstoffbudgets für die verbleibenden Emissionen erforderlich machen“, fügt Liu hinzu.

Allerdings müssen die Klimamodelle zunächst in der Lage sein, die Folgen von Dürren auf den Kohlenstoffkreislauf angemessen zu berücksichtigen. „Nur dann können wir genauere Prognosen für zukünftige Kohlenstoffsenken an Land erstellen“, sagt Sonia Seneviratne.