Von Wolken bis Fjorden – die Arktis ist Zeuge des Klimawandels

Der Klimawandel ist in der Arktis besonders stark ausgeprägt. Um die Folgen abzuschätzen und die Rolle dieser Region bei der globalen Erwärmung zu bestimmen, haben zwei Forscherteams der EPFL das Gebiet besucht. Das eine, um die Luftzusammensetzung der Region besser zu verstehen, das andere, um die Treibhausgase zu quantifizieren, die in den durch Gletscherwasser entstandenen grönländischen Fjorden gebunden sind.

In der Arktis – einer Region, in der die Temperaturen drei- bis viermal schneller steigen als irgendwo sonst auf der Erde. Parallel dazu nimmt die Menge an „Leben“ im Arktischen Ozean zu, was sich auf die Produktion biologischer Aerosole und die Wolkenbildung auswirkt.

Julia Schmale, Leiterin des Extreme Environments Research Laboratory (EERL) der EPFL, und ihre Forschungsgruppe arbeiten daran, diesen kritischen Prozess zu quantifizieren. Eine Zunahme der Wolken in der Arktis könnte die Region je nach Ausdehnung des Meereises entweder erwärmen oder abkühlen.

„Wir wissen, dass arktische Wolken im Allgemeinen aus Wassertropfen und Eiskristallen bestehen“, sagt Schmale. „Aber über ihre genaue Zusammensetzung und ihre Entstehung müssen wir noch viel lernen.“

„Beispielsweise die Keime von Wassertropfen und Eiskristallen – sind sie Meersalz, organische Partikel, anorganische Partikel oder mineralischer Staub? Und am wichtigsten: Welcher Anteil dieser Keime stammt aus natürlichen Quellen und welcher Anteil ist auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen?“

Beginn einer Antwort

Zwei Studien unter der Leitung von Schmales Forschungsgruppe brachten Licht in dieses komplexe und strategisch wichtige Forschungsgebiet. Sie untersuchten speziell die natürlichen Aerosolpartikel, die als Wolkenkeime fungieren, also als Keime, die die Bildung von Eiskristallen in Wolken ermöglichen.

Die erste Studie, veröffentlicht im Elementarwissenschaften Anthquantifiziert zum ersten Mal die Menge an fluoreszierenden biologischen Aerosolen in der arktischen Luft. Diese Aerosole bestehen hauptsächlich aus Bakterien und Aminosäuren enthaltenden Partikeln, die im Ozean oder an Land produziert werden.

Sie sind sehr effizient bei der Bildung von Eiskristallen: Bei –9 °C beginnt sich Eis zu bilden, während beispielsweise bei mineralischem Staub die Eisbildung bei etwa –20 °C beginnt.

Die Studie basiert auf Daten, die während der MOSAIC-Expedition ein Jahr lang (zwischen 2019 und 2020) auf einem Eisbrecher gesammelt wurden. „Wir haben mit einem laserbasierten Instrument die Fluoreszenz von Luftpartikeln sekundengenau gemessen“, sagt Schmale.

„Fluoreszierende Partikel sind in der Regel biologischen Ursprungs.“ Anhand dieser Daten konnten die Wissenschaftler die Konzentration natürlicher biologischer Aerosole in der Luft abschätzen und Hypothesen über deren Herkunft aufstellen.

Im Winter beispielsweise beobachteten die Wissenschaftler „Ausbrüche“ dieser Aerosole, was überraschend war, da der Ozean zu dieser Zeit zugefroren ist und es kaum biologische Aktivität gibt. Die Wissenschaftler vermuteten, dass die Aerosole aus weiter entfernten Gebieten herübergetragen wurden, etwa in Wolken.

Im Juni begann die Konzentration biologischer Aerosole dramatisch anzusteigen – zeitgleich mit einem Höhepunkt der biologischen Aktivität, der anhand hoher Chlorophyllwerte im Wasser gemessen wurde.

Bei –9 °C gab es auch einen starken Anstieg der Menge an Eiskernen. Obwohl kein direkter Zusammenhang nachgewiesen werden konnte, ist dies ein starker Hinweis darauf, dass lokal erzeugte biologische Partikel zur Bildung von Eiskernen in Wolken in der zentralen Arktis beitragen. Im Laufe des Jahres wurden parallele Prozesse beobachtet.

„Interessanterweise nahm die Größe der fluoreszierenden Aerosole ab, als die Chlorophyllproduktion im Herbst zurückging und größere Mikroben im Meerwasser durch kleinere ersetzt wurden“, sagt Schmale. „Dies spiegelt einen saisonalen mikrobiellen Übergang im Meer wider, der auch in der Luft stattfand.“

Maschinelles Lernen – Analyse

Die zweite Studie, veröffentlicht in npj Klima- und Atmosphärenwissenschaftenbasiert auf einer maschinellen Lernanalyse von Aerosolmessungen und Wetterdaten des letzten Jahrzehnts.

Es ist das erste Projekt, das ermittelt, welche meteorologischen Faktoren hinter der Produktion von Methansulfonsäure (MSA) stehen, einem wichtigen Meeresaerosol, das durch Phytoplanktonblüten entsteht, und wie sich diese Produktion in den nächsten 50 Jahren wahrscheinlich ändern wird. MSA ist ein wichtiger Bestandteil von Wolkenkondensationskernen oder den Keimen von Wolkentröpfchen und daher klimarelevant.

Unterdessen untersuchte die Studie Climate and Atmospheric Science mögliche MSA-Trends in der Arktis. Die Wissenschaftler des EERL arbeiteten mit dem Swiss Data Science Center zusammen, um Feldbeobachtungen mit Analysen von Wetterdaten und Rückwärtstrajektorien der Luftmassen zu kombinieren.

Sie entwickelten ein datenbasiertes Modell, um mehr Einblick in die Faktoren zu gewinnen, die heute für die Entstehung von MSA verantwortlich sind. So fanden die Wissenschaftler beispielsweise heraus, dass Sonneneinstrahlung, Wolkenbedeckung und Wolkenwassergehalt entscheidende Faktoren sind, was auf bestimmte atmosphärische chemische Prozesse hinweist.

Anschließend berechnete das Forschungsteam die Trends dieser Faktoren für die letzten Jahrzehnte und extrapolierte sie, um Szenarien für die zukünftige MSA-Saisonalität in der Arktis zu entwerfen.

„Unsere wichtigste Erkenntnis ist, dass es im Frühjahr wahrscheinlich weniger MSA geben wird und im Herbst deutlich mehr“, sagt Schmale. „Das liegt an saisonalen Veränderungen der Niederschläge im Frühjahr und einem deutlichen Rückgang des Meereises im Herbst.“ Dies deutet darauf hin, dass der Klimawandel die Aerosole beeinflusst, die die Wolkenbildung beeinflussen, was wiederum den Klimawandel beeinflusst.

Die richtigen Fragen stellen

Wissenschaftler planen bereits eine weitere internationale Expedition in die Arktis und bereiten ein Forschungsschiff – die Polarstation Tara – vor, um in den nächsten zwanzig Jahren Daten über die zentrale Arktis zu sammeln.

„Die Fortschritte, die diese beiden Studien erzielt haben, sind meiner Meinung nach faszinierend, weil sie zeigen, wie wichtig natürliche Quellen von Aerosolpartikeln für das arktische Klimasystem sind, und weil sie nahelegen, dass sich diese Quellen in den kommenden Jahrzehnten drastisch verändern werden“, sagt Schmale.

„Diese ersten Ergebnisse zeigen uns, dass dringend weitere Forschung erforderlich ist, um vorherzusagen, wie die Arktis im Jahr 2050 aussehen wird. Sie werden uns helfen, die richtigen Fragen für zukünftige Studien auf diesem Gebiet zu stellen.“

In den Fjorden Grönlands gespeicherte Gase können zur globalen Erwärmung beitragen

Im Juni 2024 reiste ein weiteres EPFL-Forscherteam durch zwei wunderschöne, wilde Fjorde Grönlands. In den Tiefen dieser von jahrhundertealten Gletschern gespeisten Buchten kartierten sie die Menge zweier Treibhausgase, die in der Tiefe im Wasser gelöst sind.

Sie wollen herausfinden, ob diese Treibhausgase möglicherweise über einen unbekannten natürlichen Rückkopplungsmechanismus die globale Erwärmung verstärken könnten. Dieses Projekt ist Teil der internationalen Expedition GreenFjord, die von 2022 bis 2026 dauern soll, vom Schweizer Polarinstitut finanziert und von Julia Schmale wissenschaftlich geleitet wird.

„Wir bringen unser technologisches Know-how nach Grönland und entwickeln die richtigen Instrumente, um gelöste Treibhausgase in aquatischen Umgebungen zu analysieren und ihre räumliche Variabilität zu dokumentieren. Unser Ziel ist es, grundlegende Fragen zur Rolle Grönlands in der Zukunft des globalen Klimawandels zu beantworten“, sagt Jérôme Chappellaz, Leiter des Labors für intelligente Umweltsensoren in extremen Umgebungen (SENSE) der EPFL.

In früheren Zwischeneiszeiten, als Grönland teilweise schmolz, waren die geschmolzenen Regionen möglicherweise mit Tundra und borealen Wäldern bedeckt, die bekanntermaßen zu Böden mit einem hohen Gehalt an organischem Material führen. Wenn diese organisch reichen Böden verrotten, setzen sie Kohlendioxid und Methan frei. Dies ist einer der Gründe, warum Wissenschaftler so an Grönlands Beitrag zu den globalen Emissionen interessiert sind.

Beachten Sie, dass die Gletscher in Grönland sich von denen in der Schweiz unterscheiden.

„Es ist höchst unwahrscheinlich, dass wir bei Schweizer Gletschern auf dasselbe Phänomen stoßen, da diese in sehr großen Höhen entstanden sind, wo es fast keine Vegetation gibt“, erklärt Chappellaz.

Auswirkungen auf die Mikrobiologie

Fjorde sind lange, schmale und tiefe Meereseinbuchtungen zwischen hohen Klippen, die typischerweise durch die Überflutung eines Gletschertals entstehen.

Chappellaz und sein Team profitieren von einem interdisziplinären Projekt namens GreenFjord, das von Julia Schmale koordiniert wird, die das Extreme Environments Research Laboratory (EERL) der EPFL leitet. Sie haben hochentwickelte Instrumente entwickelt, um gelöstes Methan (CH4) und Lachgas (N2O) in verschiedenen Wassertiefen in den beiden Fjorden im Südwesten Grönlands bis zu einer Tiefe von 700 Metern zu messen.

Der von einem im Meer endenden Gletscher gespeiste Fjord besteht eigentlich aus einer Reihe von Fjorden, Ikersuaq, Brederfjord und Sermilik, wo Gletscherwasser von unterhalb des schwimmenden Gletschers in den Fjord und dann in die Labradorsee gelangt und nach und nach eine Schicht Gletscherwasser bildet, die auf dem Meerwasser schwimmt.

Im Gegensatz dazu wird der Fjord Tunulliarfik, in dem die 1783 gegründete Siedlung Igaliku lebt, von einem Gletscher gespeist, der an Land endet und wo Gletscherschmelzwasser von der Entstehung des Fjords an in die Oberfläche des Fjordwassers eindringt.

„Die unterschiedlichen Merkmale der beiden Standorte führen zu großen Unterschieden in der physikalischen Struktur der Wassersäule sowie in der Nährstoffzufuhr, was sich auf die Mikrobiologie in den beiden Fjorden und damit auf das Schicksal dieser beiden Treibhausgase auswirkt. Dies wollen wir vergleichen und quantifizieren. In einer Situation, in der die grönländische Eiskappe zerfällt, ist es eine offene Frage, ob solche Mechanismen zu den vom Menschen verursachten Treibhausgasemissionen eine weitere unerwartete Quelle hinzufügen könnten“, erklärt Chappellaz.

Eine unerwartete Quelle von Treibhausgasen?

Chappellaz und sein Team besuchten an Bord des ozeanografischen Schiffs Sanna sowohl die Fjorde, die zum Meer und zum Land enden. An Bord des Schweizer Segelschiffs Forel konzentrierten sie sich auf den Fjord, der zum Meer grenzt. Die Wissenschaftler konnten nahe genug an die Gletscherfront des Gletscherfjords herankommen, um zu messen und hoffentlich zu charakterisieren, wie viel Methan durch das subglaziale Wassersystem in den Fjord gelangt.

In einem Veröffentlichung 1995Chappellaz zeigt, dass der Boden Grönlands stark Treibhausgase produziert und dass derzeit große Konzentrationen von Kohlendioxid (CO2) und Methan im Basaleis im Herzen der grönländischen Eiskappe eingeschlossen sind.

„Die natürliche Frage ist dann, wie viel dieser Treibhausgase freigesetzt werden, wenn das Gletscherwasser schmilzt. Wie viel davon gelangt an die Küste und trägt möglicherweise zu signifikanten Mengen in die Atmosphäre bei? Im Falle des Zerfalls der grönländischen Eiskappe ist es eine offene Frage, ob solche Mechanismen zu den vom Menschen verursachten Treibhausgasemissionen eine weitere unerwartete Quelle darstellen könnten“, sagt Chappellaz.

Der zukünftige Klimawandel wird hauptsächlich von zwei Faktoren bestimmt: Emissionen durch menschliche Aktivitäten und Verstärkungen durch natürliche Quellen in einer wärmeren Welt. Anders ausgedrückt: Wie viel Treibhausgasemissionen werden die menschlichen Gesellschaften verursachen und in welchem ​​Tempo? Und wie stark würde die Verstärkung in einer wärmeren Welt durch natürliche Rückkopplungen erfolgen.

„Unsere Arbeit in Grönland erforscht mögliche natürliche Rückkopplungsmechanismen und gibt uns dringende Einblicke in grundlegende wissenschaftliche Fragen zur Zukunft unseres Klimas in einem Kontext, in dem es noch immer viele Unsicherheiten und unbekannte Prozesse gibt“, sagt Chappellaz.