Kohlenstoff – Soll und Haben

Europäische Wissenschaftler starten das weltweit größte Projekt zur Erforschung des globalen Kohlenstoffkreislaufes

Über 100 europäische Forschungsinstitutionen haben sich vom 19. bis 22. Januar in Spoleto, Italien, getroffen, um „CarboEurope“, das weltweit größte Projekt zur Erforschung des europäischen Kohlenstoffhaushaltes auf den Weg zu bringen. Das vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena koordinierte Projekt wird von der Europäischen Kommission von 2004 bis 2008 mit mehr als 16 Mio. Euro gefördert, hinzu kommen weitere 30 Mio. Euro aus nationalen Haushalten. Ziel ist es, die Kohlenstoffbilanz ganz Europas zu berechnen und seine Kohlenstoffquellen und -senken in ihrer regionalen Verteilung und zeitlichen Dynamik zu bestimmen. Mehr als einhundert kontinentale Messstationen, verteilt über alle Klimaregionen und Ökosysteme Europas, werden dazu Daten über ihren Beitrag zum Kohlenstoffhaushalt liefern. Parallel dazu messen Bodenstationen, Messtürme und Flugzeuge die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre. Auf Hochleistungscomputern werden dann alle Messwerte in innovativen Computer-Modellen integriert, um so Vorhersagen über die Entwicklung der terrestrischen Biosphäre treffen zu können. CarboEurope ist die weltweit erste derartige Initiative – Europa steht damit an vorderster Front in der Klimaforschung.

Die Europäische Kommission finanziert schon seit den frühen 1990er Jahren Klimaforschung, die den Austausch von Kohlendioxid (CO2) zwischen der Vegetation und der Atmosphäre untersucht. Das erste Forschungsnetzwerk „Euroflux“ wurde 1996 gegründet. Im Frühjahr 2000 entstand der europäische Forschungsverbund „CarboEurope“, ein Zusammenschluss von fünfzehn europäischen Forschungsprojekten, die von der Europäischen Kommission gefördert werden. Das neue, so genannte Integrierte Projekt „CarboEurope“ führt nun die Arbeiten im Forschungsverbund unter ein gemeinsames Dach zusammen. Daran beteiligt sind derzeit rund 150 Forscher aus etwa hundert verschiedenen europäischen Instituten. Die Forscher wollen verstehen, auf welche Weise das Klima oder die Bewirtschaftung die Kohlenstoffdynamik in Ökosystemen beeinflussen und stellen sich Fragen wie: Welche Rolle spielt die Biosphäre im Kohlenstoffkreislauf und wie kann die Natur auf Klimaveränderungen reagieren bzw. sie ausgleichen? Können Änderungen in den Kohlenstoffvorräten von Ökosystemen tatsächlich über den kurzen Zeitraum von fünf Jahren gemessen werden, wie es das Kyoto-Protokoll vorsieht? „Dieses Projekt soll ein umfassenderes Wissen über die Rolle der Biosphäre vermitteln. Es ist besonders wichtig in einer Zeit, da die Staaten im Kontext des Kyoto-Protokolls über die Reduktion zukünftiger Treibhausgasemissionen zu verhandeln beginnen“ so Prof. Dr. Ernst-Detlef Schulze, Direktor am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena (Deutschland) und Koordinator des Projektes.

Politische Bedeutung

Ziel des CarboEurope-Projektes ist es, die Kohlenstoffbilanz der terrestrischen Biosphäre Europas zu verstehen und genau zu berechnen. Hintergrund sind die Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen und das Kyoto-Protokoll, in dem sich Europa verpflichtet hat, von 2008 bis 2012 die Emissionen von Kohlendioxid (CO2) gegenüber 1990 um mindestens 8 Prozent zu senken. Wälder nehmen weltweit etwa ein Drittel der menschlichen Emissionen von Kohlendioxid auf. Doch welche Rolle diese biologischen „Kohlenstoffsenken“ in Vegetation und Böden bei der Implementierung des Kyoto-Protokolls spielen, ist zwischen Wissenschaftlern und Politikern umstritten. Aufforstung und Kohlenstoff-Management in Wäldern erlaubt nur, vorübergehend zusätzlichen Kohlenstoff zu speichern, der aber als Kohlendioxid nach circa 15 bis 100 Jahren wieder in die Atmosphäre zurückkehrt.

Die Unterzeichnerstaaten des Kyoto-Protokolls haben sich 2001 auf der Weltklimakonferenz in Marrakesch/Marokko rechtlich verbindlich verpflichtet, ihre Maßnahmen zur Erfüllung des Kyoto-Protokolls transparent, nachvollziehbar und verifizierbar zu dokumentieren. „CarboEurope“ entwickelt einen Prototyp für ein europäisches Monitoring-System, das die Kohlenstoffbilanz der Biosphäre von der lokalen Projektebene bis zur kontinentalen Ebene quantifizieren und verifizieren wird. In diesem Monitoring-System werden die CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre jeweils mit jenen Ergebnissen verglichen, die man durch die Extrapolation von kleinräumigen Messungen erreicht (Dual-Constraint-Ansatz). Die Inversion von atmosphärischen Transportmodellen liefert also einen integrierten Wert für die Kohlenstoffbilanz der Biosphäre in ganz Europa oder über großen Teilregionen (top-down), der dann mit den aus detaillierten Studien und Modellen extrapolierten Werten (bottom-up) verglichen wird. Auf diese Weise soll es gelingen, die in den heutigen Abschätzungen noch bestehenden Unsicherheiten zu reduzieren.

Messung und Modellierung

Die Kohlenstoffspeicherung in Pflanzen und Böden ist ein komplexer Prozess, der Messungen und Modellierungen auf unterschiedlichsten räumlichen und zeitlichen Ebenen verlangt. CarboEurope hat dafür europaweit ein einzigartiges Messnetz aufgebaut. Damit können wichtige Prozesse und Größen auf allen relevanten Ebenen verfolgen und integriert werden, von Einzelbäumen und Waldbeständen über Landschaftsausschnitte bis zu Großlandschaften. Die beteiligten Wissenschaftler verwenden dazu alle verfügbaren Techniken, von der Messung atmosphärischer Konzentrationen in der Troposphäre über kontinuierliche Messungen von Gasflüssen über einzelnen Beständen und Landschaften bis hin zu Inventaren und Prozessstudien. Messflüge erfassen vertikale und horizontale Profile von Gaskonzentrationen in den unteren Kilometern der Atmosphäre (Messkampagnen), z.B. von Kohlendioxid. Bodenstationen und mehrere hundert Meter hohe Messtürme verfolgen kontinuierlich die Änderungen der Kohlendioxid-Konzentration in der unteren Grenzschicht der Atmosphäre und dokumentieren damit den großräumigen Austausch dieses Treibhausgases zwischen Atmosphäre und Landoberfläche.

Diese Messungen „sehen“ sowohl Emissionen von Kohlendioxid aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe als auch den Austausch mit der Biosphäre. Kontinuierliche Messungen auf kleinen Messtürmen in den wichtigsten europäischen Ökosystemen bestimmen direkt den Austausch von Wasserdampf, Energie und Kohlendioxid zwischen der Vegetation und der Atmosphäre. Regelmäßige Freilandmessungen des Kohlenstoffumsatzes im Boden geben Aufschluss über wichtige biologische Prozesse bei der Zersetzung von organischer Substanz, dem bislang am wenigsten verstandenen Teil des Kohlenstoffkreislaufs. In Proben von Boden, Streu, Blättern oder Holz werden schließlich die chemischen und biologischen Abbauprozesse im Labor verfolgt. Schließlich entwickeln die Forscher auf der Basis aller Messdaten gekoppelte Modelle von Boden, Vegetation und Atmosphäre, die die auf verschiedenen Ebenen gewonnenen Informationen integrieren. Hierbei ist besondere Innovation gefragt, damit die kontinuierlich anfallenden und sehr umfangreichen Messdaten direkt in die Modelläufe eingespeist werden können.

Erste Ergebnisse

CarboEurope hat sich in seiner ersten Projektphase im 5. Forschungsrahmenprogramm (1998-2002) durch herausragende messtechnische Innovationen als einzigartiges Projekt zur grossskaligen Kohlenstoff-Forschung etabliert. Seine Messergebnisse haben zu einer ersten europäische Kohlenstoffbilanz der Biosphäre geführt: Danach gibt es in der terrestrischen Biosphäre von Kontinentaleuropa (bis zum Ural) eine geschätzte Netto-Kohlenstoffsenke zwischen 135 und 205 Terragramm/Jahr (1 Terragramm = 1 Million Tonnen). Das entspricht 7-12 Prozent der vom Menschen verursachten Kohlenstoff-Emissionen im Jahr 1995.

In dem jetzt gestarteten Nachfolgeprojekt wurde das Netzwerk an Messpunkten weiter ausgebaut, alle Stationen sind lokal finanziert. Die Rolle des Ackerbaus soll verstärkt untersucht werden. Neue Methoden in der Computer-Modellierung werden die Integration der Messdaten weiter verbessern. Zudem soll das Verständnis für die Entwicklung der Kohlenstoffbudgets auf regionaler und nationaler Ebene vertieft werden.

Teilnehmende Institutionen

CarboEurope wird vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena koordiniert: Projekt-Koordinator ist Prof. Ernst-Detlef Schulze, Projekt-Managerin Dr. Annette Freibauer, den Projektbereich Modellierung leitet Prof. Martin Heimann. Weitere wichtige Partner sind die Universität von Tuscia, Viterbo/Italien – Prof. Riccardo Valentini leitet den Bereiches Ökosystemforschung, das Laboratoire des Sciences du Climat et l’Environnement in Gif-sur-Yvette/Frankreich – Dr. Philippe Ciais leitet den Bereich Atmosphärenmessungen sowie die Freie Universität Amsterdam/Niederlande – Prof. Han Dolman koordiniert das geplante Regionale Experiment.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Annette Freibauer
Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena
Tel.: 03641 576-164, Fax: -100
E-Mail: afreib@bgc-jena.mpg.de

Dr. Claudia Hillinger
Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena
Tel.: 03641 576-800, Fax: -860
E-Mail: claudia.hillinger@bgc-jena.mpg.de