Die schwierige Aufgabe, die Kohlenstoffvorräte und -flüsse eines Waldes zu berechnen

„Grüne Lunge“ ist der Begriff, der oft zur Beschreibung von Regenwäldern verwendet wird, da sie über die Photosynthese CO2, das wichtigste Treibhausgas des Planeten, einfangen können. Damit sind sie ein zentraler Bestandteil der globalen Klimaregulierung und ihr Erhalt stellt für Entscheidungsträger und Bürger gleichermaßen ein großes Anliegen dar.

Aber zu berechnen, wie viel Kohlenstoff solche Wälder speichern und welchen Einfluss sie auf die gesamte Treibhausgasbilanz des Planeten haben, ist keine leichte Aufgabe. Tatsächlich ist es eines der Segmente, über die unser Wissen nach wie vor am begrenztesten ist – selbst die Kohlenstoffvorräte und -ströme der Ozeane lassen sich leichter quantifizieren.

Es steht jedoch enorm viel auf dem Spiel. Um zukünftige Skandale rund um den Erhalt von Ökosystemen, die als Kohlenstoffsenken gelten, zu verhindern, brauchen wir zuverlässige, unabhängige Mess- und Überwachungssysteme. Andernfalls können sich jedes Land und jeder Interessenvertreter alle Ehre machen, Definitionen und Messungen vorlegen, die seinen Interessen am besten entsprechen, und sich nicht um die Realität oder die Entwicklung der Waldökosysteme kümmern.

Waldkohlenstoffvorräte sind keine Kryptowährung; Sie sind eine greifbare physikalische Größe, deren Messung sich jedoch als schwierig erweist.

Wie wurde das bisher gemacht und wie sind die Menschen bei der Messung dieser Kohlenstoffvorräte und -ströme vorgegangen, die so großes – und manchmal opportunistisches – Interesse wecken?

Das Waldinventar

Alles beginnt im Wald mit den bewährten Methoden des Holzfällers, mit denen die Forstwirtschaft die Menge an erntbarem Holz berechnet.

Da Kohlenstoff die Hälfte der gesamten Trockenmasse grüner Pflanzen, insbesondere Bäume, ausmacht, erfordert die Quantifizierung des Gesamtbestands dieses Elements eine Schätzung des Volumens jedes Baums und die Identifizierung seiner Art. Die Art ist wichtig, da sie die Holzdichte und letztendlich die Menge an gespeichertem Kohlenstoff pro Holzvolumen bestimmt.

Offensichtlich kann die Anzahl der in einem Regenwald vorkommenden Arten so groß sein, dass kein einziger Experte auf der Welt in der Lage wäre, jede einzelne davon zu benennen. Während es im gemäßigten Europa nur 124 Baumarten gibt, wachsen Schätzungen zufolge in den Tropen mindestens 40.000 die Zahl beläuft sich auf über 53.000. Daher müssen Forscher systematisch Pflanzensammlungen zusammenstellen, die als Benchmark-Testmaterial dienen, und anhand vorhandener Proben aus Museen und Universitäten prüfen, ob ein Baum zu einer bestimmten Art gehört.

Um den sich entwickelnden Kohlenstoffbestand – also den Kohlenstoff, der in den Wald hinein- und aus ihm herausfließt – zu beurteilen, müssen dann regelmäßig Messungen durchgeführt werden, um das Baumwachstum zu berechnen, abgestorbene Exemplare zu zählen und Sträucher einzubeziehen, die hoch genug sind, um als Bäume kategorisiert zu werden.

Waldinventur

Um die Herausforderung noch gewaltiger zu machen, sind tropische Wälder immer noch riesig, dicht, schwer zugänglich und liegen in Ländern mit schlechter Infrastruktur. Selbst wenn alles gut geht, wird die zu inventarisierende Stätte mindestens mehrere Tage Anreise von der Hauptstadt erfordern. Natürlich wäre es unmöglich, den gesamten Wald zu vermessen; Stattdessen wird wie bei einer Wahlumfrage eine Stichprobe entnommen. Typischerweise wählen Forscher eine Reihe ziemlich großer Landstriche aus (idealerweise entspricht dies der Größe von zwei Fußballfeldern, also zwischen 500 und 1.000 Bäumen pro Fleck).

Die Auswahlkriterien stellen eine ganze Wissenschaft für sich dar (unabhängig davon, ob die Stichprobe völlig zufällig ist oder aus bestimmten Vegetationstypen ausgewählt wird), und eine Änderung der Kriterien in der Mitte des Prozesses kann dazu führen, dass die gesamte Aufgabe ungültig wird. Forscher sprechen beispielsweise von einem „majestätischen Wald“-Bias, wenn Gebiete in ungewöhnlich intakten Wäldern ausgewählt werden, um den durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt aller Wälder in einer bestimmten Region abzuschätzen.

Vor Ort werden einfache Messungen vorgenommen, unter anderem der Stammdurchmesser und seltener auch die Baumhöhe. Als nächstes erstellen Forscher Umrechnungstabellen, sogenannte allometrische Gleichungen, die anhand dieser wenigen Messungen abschätzen, wie viel Kohlenstoff ein Baum enthält. Die Gleichungen werden durch das Fällen und Wiegen einer kleinen Anzahl Bäume erstellt. Wenn man bedenkt, dass die Nassmasse eines einzigen dieser Riesen bis zu 160 Tonnen erreichen kann und er direkt im Wald gewogen werden muss, kann es eine ganze Woche dauern, bis ein Dutzend Arbeiter einen einzigen Baum wiegt.

Daher werden häufig Gleichungen aus anderen Regionen verwendet, was zu Verzerrungen führen kann. Es werden Alternativen entwickelt, die dem Wald nicht schaden, etwa Laserscanner, die mittlerweile das genaue Volumen stehender Bäume messen können. Diese Methoden haben uns dabei geholfen, neue allometrische Gleichungen in Kamerun und der Demokratischen Republik Kongo zu erstellen, und zwar viel effizienter und ohne Kompromisse bei der Genauigkeit.

Wie lässt sich das großflächig umsetzen?

Auch bei der Probenahme gibt es immer noch erhebliche Herausforderungen bei der Neuvermessung von Standorten, um zuverlässige, aktuelle Schätzungen der Kohlenstoffvorräte und -flüsse eines ganzen Landes oder aller Regenwälder zu erhalten. In den letzten Jahrzehnten wurden Fernmesstechniken (sogenannte Fernerkundung) entwickelt, um die Probenahme effizienter zu gestalten und weniger anfällig für unvorhersehbare Bedingungen am Boden zu sein. Satelliten scannen den Globus und nehmen täglich Messungen vor, um unter anderem Änderungen des Oberflächenzustands, Niederschläge und Wasserströmungen zu messen.

Speziell zur Messung der Waldbiomasse wurden Weltraummissionen ins Leben gerufen, beispielsweise die der ESA BIOMASSE-Mission, der derzeit auf eine zuverlässige Trägerrakete zum Start wartet, oder der GEDI-Laser auf der Internationalen Raumstation. In der Zwischenzeit müssen wir weiterhin Daten bestehender Satelliten extrapolieren, die nicht unbedingt für die Inspektion dichter Waldkronen ausgelegt sind.

Dies liegt daran, dass die Fernerkundung nicht direkt Kohlenstoff oder Biomasse misst, sondern vielmehr die Menge an Licht oder Radiowellen, die von den betreffenden Objekten reflektiert wird. Um die Rohdaten in umsetzbare Informationen umzuwandeln, müssen komplexe physikalische oder statistische Modelle erstellt werden. Deshalb ist es wichtig, Felddaten zu sammeln. Aufgrund der knappen Daten und begrenzten Satellitensignale, die uns derzeit zur Verfügung stehen, ist dies der Durchschnitt für ein Land kann sich von einer Karte zur nächsten fast verdoppeln. Im letzten Jahrzehnt hat unser Team viele Stunden damit verbracht, die Ursachen dieser Fehler zu analysieren, die manchmal hinter schlechten statistischen Ansätzen oder schlecht erfassten instrumentellen Effekten verborgen sind.

Beispielsweise können Bilder nicht direkt verglichen werden, wenn sie bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen oder Atmosphären aufgenommen wurden. Aufgrund der permanenten Wolkendecke in der Nähe des Äquators können wir sogar gezwungen sein, Bilder von sehr schlechter Qualität oder aus einer Vielzahl von Bildern zusammengesetzte Pixelzusammenstellungen zu verwenden.

Allerdings reicht es nicht aus, Supercomputer zu entwerfen und Weltraummissionen zu starten. Auch die Reinvestition in die Datenerfassung vor Ort ist von entscheidender Bedeutung, um wichtige Referenzinformationen bereitzustellen. Internationale Initiativen sind in Planung zur Unterstützung nationaler Waldinventuren (wie oben gezeigt) oder zur Einrichtung hochmoderner Kalibrierungsstandorte, die als Referenz für Satellitenmissionen dienen.

Was ist mit anderen Segmenten?

Auch wenn die Beurteilung der Kohlenstoffvorräte in den sichtbaren Teilen stehender Bäume schwierig genug ist, ist sehr wenig über die Wurzeln dieser Bäume und den im Boden enthaltenen Kohlenstoff oder über die Menge bekannt, die von Flüssen weggetragen oder in die Atmosphäre aufgenommen wird. Beispielsweise wurden kürzlich in den Torfmooren des Kongobeckens solche gefunden mehr Kohlenstoff als alle Wälder in derselben Region.

Um die Gesamtatmung und Photosynthese der berühmten „grünen Lungen“ des Planeten zu messen, müssen wir Flusstürme errichten. Diese Bauwerke blicken in einer Höhe von etwa 60 Metern (manchmal auch über 300) über die Baumkronen und sind mit Geräten ausgestattet, die Namen wie „Schallanemometer“, „Infrarot-CO2-Analysator“ und „Hygrometer“ tragen und den Gasaustausch zwischen ihnen messen Atmosphäre und der Wald. Es ist an sich schon eine Herausforderung, eine solche Anlage über mehrere Jahrzehnte hinweg mit Strom zu versorgen, zu warten und zu sichern. Ein Team von Forscherkollegen versuchte dieses Kunststück in den 1990er Jahren im Kongo. Als sie zurückkamen, war die Aluminiumverkleidung des Turms eingeschmolzen und zur Herstellung von Töpfen verwendet worden.

Wenigen ist bewusst, dass es in Afrika trotz der Klimakrise grundsätzlich keine funktionierende Messinfrastruktur mehr gibt. Es herrscht sogar ein Mangel an Grundausstattung wie Wetterstationen. Dieser Mangel an Material wirft einige tiefergehende Fragen auf: Wer sollte mit der Sammlung aller wesentlichen Daten beauftragt werden – Regierungsbehörden im globalen Süden, private Industriebetreiber, Forschungsagenturen im globalen Norden? Für unseren TeilWir befürworten die Zusammenarbeit zwischen Forschern und wissenschaftlichen Einrichtungen aus beiden Regionen, da wir so gemeinsam lernen und von der besten verfügbaren Technologie profitieren können.

Was ist das Endziel?

Die Wissenschaft tut ihr Bestes, um die Kohlenstoffvorräte und -flüsse im Regenwald aussagekräftiger zu messen. Mit der Zeit sollte dies dazu beitragen, wiederholte Fehler zu vermeiden, seien sie unvorsichtig oder vorsätzlich, wie sie beispielsweise von Malaysiadas im Jahr 2021 weltweit für Schlagzeilen sorgte, als die jährliche Treibhausgasbilanz des Landes eine jährliche Kohlenstoffsenke durch Wälder von über 243 Millionen Tonnen aufwies – das entspricht der Menge im benachbarten Indonesien, das über fünfmal so viel Waldfläche verfügt.

Doch während einige Länder übertriebene Zahlen veröffentlichen, kümmern sich andere nicht einmal darum. Da einige Forscher bereits befürchten, dass wir den im Pariser Abkommen festgelegten Grenzwert von 1,5 °C bis Ende 2023 überschreiten werden, ist der Mangel an Daten zu Treibhausgasflüssen, -beständen und -emissionen nach wie vor besonders alarmierend. Zu Beginn des JahresBisher hatten lediglich 48 Länder eine Bestandsaufnahme ihrer Treibhausgase veröffentlicht. Das ist winzig, wenn man bedenkt, dass von Anfang an 2024werden die 197 Mitgliedsländer der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen verpflichtet, jährlich einen Bericht zu diesem Thema vorzulegen.

Auch strenge Messungen der Kohlenstoffflüsse und -bestände sind von entscheidender Bedeutung für die Bewertung der Auswirkungen von Naturschutzprojekten auf Waldökosysteme. Besonders wichtig sind solche Messungen bei der Monetarisierung durch Emissionsgutschriften, wie es bei Projekten zur Vermeidung von Abholzung oder zur Förderung der Wiederaufforstung der Fall ist. Wir müssen einmal mehr vermeiden, in die gleichen Fallen wie in den letzten Jahrzehnten zu tappen, in denen viele Waldschutzprojekte keine wirkliche, positive Wirkung erzielt haben.

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