Einer neuen Studie zufolge werden Hitzeextreme im Boden unterschätzt

Lange Zeit wurde den Bodentemperaturen wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Im Gegensatz zu den oberflächennahen Lufttemperaturen lagen aufgrund der deutlich aufwändigeren Messung kaum verlässliche Daten vor. Ein Forschungsteam unter der Leitung des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) hat nun nicht nur herausgefunden, dass Boden- und Lufttemperaturen unterschiedlich sein können, sondern auch, dass der Klimawandel einen viel größeren Einfluss auf die Intensität und Häufigkeit von Hitzeextremen im Boden hat als in die Luft.

Entsprechend eine Studie kürzlich veröffentlicht in Natur KlimawandelDies ist insbesondere in Mitteleuropa der Fall.

Für die Studie sammelte das Forschungsteam unter der Leitung der UFZ-Fernerkundungswissenschaftlerin Dr. Almudena García-García Daten aus einer Vielzahl von Quellen: Daten von meteorologischen Messstationen, Fernerkundungssatelliten, dem Daten-Reanalyse-Set ERA5-Land und Simulationen von Erdsystemmodellen. Diese Daten haben die Forscher in den TX7d-Index eingespeist, der als Durchschnitt der täglichen Höchsttemperatur in der heißesten Woche des Jahres definiert ist. Es spiegelt die Intensität von Hitzeextremen wider (d. h. wie hoch extreme Temperaturen sein können).

Die Forscher berechneten daher den Index für die 10 cm dicke obere Bodenschicht und für die bodennahe Luft in bis zu 2 m Höhe für die Jahre 1996 bis 2021. An zwei Dritteln der 118 ausgewerteten meteorologischen Messstationen Der Trend zu Hitzeextremen ist im Boden stärker als in der Luft.

„Das bedeutet, dass sich Hitzeextreme im Boden viel schneller entwickeln als in der Luft“, sagt García-García, Erstautorin der Studie. Basierend auf den verfügbaren Daten gilt dies insbesondere für Deutschland, Italien und Südfrankreich. In Zahlen ausgedrückt: Den Stationsdaten zufolge nimmt die Intensität von Hitzeextremen in Mitteleuropa im Boden um 0,7°C/Jahrzehnt schneller zu als in der Luft.

Das Forschungsteam untersuchte nicht nur die Intensität, sondern auch die Häufigkeit von Hitzeextremen im Boden. Um dies zu berechnen, verwendeten die Wissenschaftler den TX90p-Index, der den Prozentsatz der Tage pro Monat berücksichtigt, an denen die tägliche Höchsttemperatur zwischen 1996 und 2021 über dem statistischen Grenzwert lag. Den Berechnungen zufolge ist die Anzahl der Tage mit Hitze Die Extreme nehmen im Boden doppelt so schnell zu wie in der Luft.

„Wenn zum Beispiel derzeit an 10 % der Tage in einem Monat hohe Temperaturen im Boden und in der Luft herrschen, wird es ein Jahrzehnt später an 15 % der Tage hohe Temperaturen in der Luft und an anderen Tagen hohe Temperaturen im Boden geben.“ 20 %“, sagt García-García.

Ausschlaggebend hierfür ist die Bodenfeuchtigkeit, die beim Austausch zwischen Luft und Boden eine wichtige thermische Rolle spielt. Die Bodenfeuchtigkeit hängt stark von der Landbedeckung ab. Beispielsweise können Bäume in Wäldern mit ihren Wurzeln Wasser aus tieferen Erdschichten ansaugen und so Verluste durch Verdunstung im Sommer reduzieren. Andererseits können landwirtschaftliche Nutzpflanzen oder Grünland nur Wasser aus oberflächennahen Böden beziehen.

Die Tatsache, dass sich im Boden schnell extreme Temperaturen entwickeln können, die sich erheblich von denen in der bodennahen Luftschicht unterscheiden, hat wichtige Konsequenzen. Ist die Temperatur des Bodens höher als die der Luft, wird zusätzliche Wärme an die tiefere Atmosphäre abgegeben, was zu einem Anstieg der Atmosphärentemperaturen führt.

„Die Bodentemperatur wirkt als Rückkopplungsfaktor zwischen Bodenfeuchte und Temperatur und kann so Hitzeperioden in bestimmten Regionen verstärken“, erklärt Dr. Jian Peng, Co-Autor und Leiter der UFZ-Fernerkundungsabteilung. Diese Rückkopplung hat Einfluss auf viele hydrologische Prozesse, die für die Landwirtschaft (und damit für die Ernährungssicherheit) wichtig sind, auf Ökosysteme (weil temperaturtolerante Arten begünstigt werden könnten) und auf die Speicherung von terrestrischem Kohlenstoff.

„Angesichts dieser Ergebnisse müssten Studien zu den Auswirkungen von Hitzeextremen, die hauptsächlich Lufttemperaturen berücksichtigen, aber den Faktor Hitzeextreme im Boden unterschätzt haben, neu bewertet werden“, sagt Peng.

Das Forschungsteam nutzte außerdem Daten aus Erdsystemmodellen, um zu untersuchen, wie häufig extreme Bodentemperaturen je nach erwartetem globalen Klimaszenario Hitzewellen in der Atmosphäre verstärken können. Sie fanden heraus, dass das Eintreten des 2-Grad- oder 3-Grad-Szenarios weitaus größere Auswirkungen auf Mitteleuropa haben wird als eine Erwärmung um 1,5 Grad. Beispielsweise könnte es 8 % mehr heiße Tage geben, an denen der Boden Wärme an die Atmosphäre abgibt.

„Das würde wiederum die Hitzeperioden in der Luft verstärken“, sagt García-García. Es ist daher davon auszugehen, dass Böden eine immer wichtigere Rolle bei der Entstehung von Hitzeextremen spielen werden.