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Klimaveränderungen

Unter Bäumen

Über den Wipfeln. Sebastian Gimper montiert Instrumente am 50 Meter hohen Messturm im Wald. Bild: UFZ / A. Künzelmann

Bei Magdeburg haben Wissenschaftler ein ganzes Waldstück mit ihren Messgeräten ausstaffiert. Sie wollen herausfinden, wie Boden, Bäume und Luft zusammenwirken – und so auch Klimaveränderungen aufzeichnen.

Baum Nummer 58 hat gestern merkwürdige Daten gesendet. Jetzt stehen der Umweltphysiker Matthias Cuntz und der Ingenieur Hendrik Zöphel im Regen vor der Buche und wollen herausfinden, was los ist. Sie beugen sich über das Messgerät, das am Stamm angebracht ist und den Wasserfluss messen soll. „Ja, das hat sich gelockert“, sagt Zöphel, „das erklärt natürlich die Daten.“ Baum 58 steht im Wald-Observatorium „Hohes Holz“. Das ist eine Art Außenlabor des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig. Zu finden ist es gut 30 Kilometer westlich von Magdeburg in einem größeren Waldgebiet bei Oschersleben. 

Was hier gemessen wird, soll dabei helfen, das Klima in Wäldern besser zu verstehen

Das Gelände besteht aus einem Hektar ganz normalen mitteldeutschen Waldes mit einigen Dutzend Buchen, Hainbuchen, Eichen und Birken. Ringsum verläuft ein Zaun, damit das Rotwild nicht in die Kabel gerät. „Wir haben ewig gebraucht, um genau diesen Durchschnittswald zu finden“, sagt Matthias Cuntz. Denn was hier gemessen wird, soll nicht nur für den Wald hinter Oschersleben gelten, sondern helfen, das Klima in Wäldern an sich besser zu verstehen – und damit auch, was es für den Wald bedeuten könnte, wenn die Sommer künftig trockener würden.

Die Wissenschaft braucht Zeit, um solche Veränderungen zu beobachten. Deswegen sieht es hier für die nächsten 25 Jahre aus, als werde der Wald künstlich beatmet. Im schlammigen Boden stecken Röhren, um die Bodentemperatur und -feuchte zu bestimmen. Um die Stämme der Bäume sind Drähte gespannt, die den Umfang messen. Im Holz stecken beheizte Nadeln, die den Wasserfluss aufzeichnen. Zwischen den Bäumen stehen meterlange Rinnen, um die Regenmenge zu erfassen. Kaum ein Stück Boden des Geländes ist unverkabelt. „Wir untersuchen hier Austauschprozesse zwischen Atmosphäre und Wald“, erklärt Cuntz. „Das heißt: alles, was in den Wald reingeht, und alles, was wieder rausgeht.“ Die Arbeitsgruppe beobachtet dafür drei Größen: zum einen Wasser, „klassisches Beispiel Regen“, zweitens Sonne – also Strahlung und resultierende Temperaturen – und drittens Treibhausgase. Im Wald ist das vor allem Kohlenstoffdioxid. Dabei geht es nicht nur um Werte, sondern um Zusammenhänge. Was passiert zwischen Boden, Baum und Luft? „Wenn wir verstehen wollen, wie sich zum Beispiel Trockenheit im Wald auswirkt, müssen wir erstmal verstehen, was Wasser für den Baum überhaupt bedeutet“, sagt Cuntz. Und schon das ist nicht einfach. Denn ein Baum ist ein komplexes System, und er kann kaum für sich allein betrachtet werden: Unter der Erde tauscht er im Wurzelwerk mit Pilzen Nährstoffe gegen Zucker. Auch zu bestimmen, wie viel Wasser er aufnimmt, ist eine Herausforderung. „Die Buche ist zum Beispiel ein echter Wassersammler, die lenkt den Regen über ihre glatte Rinde direkt auf ihre Wurzeln“, erklärt Cuntz. Einfach nur zu beschreiben, wie der Regen auf den Wald fällt, reicht also nicht aus: „Wir haben versucht, möglichst viele Einzelprozesse zu berücksichtigen, um den Kreislauf beschreiben zu können.“ Dafür werden etliche verschiedene Messgeräte in verschiedenen Höhen des Waldes benötigt und über eine größere Fläche verteilt. „Es gibt zwar Modelle, die das Waldklima beschreiben, aber die haben natürlich auch ihre Schwächen“, sagt Cuntz. „Uns ist unter anderem daran gelegen, diese Modelle mithilfe neuer Daten immer weiter zu verbessern.“

Atem-Check. Imaculada Garcia Quieros misst den Gasaustausch des Waldbodens. Bild: UFZ / A. Künzelmann

Vom Team um den Umweltphysiker Matthias Cuntz und die Meteorologin Corinna Rebmann - drei Wissenschaftler, zwei Ingenieure und einige Studenten - fordert das Projekt viel Einsatz. Nötig waren nicht nur komplizierte Technik und jahrelange detaillierte Voruntersuchungen; sie mussten sich auch mit Baugenehmigungen, Blitzableitern und Mäusen auseinandersetzen – die fressen gern die Kabel an. Ähnliche Prozesse untersucht die Gruppe auch auf einer Weide und einem Acker. Die Technik, einmal installiert, arbeitet elektronisch und automatisiert – eine halbe Million Euro stecken im Wald. „Aber die Daten brauchen natürlich den Menschen, der sie sich anschaut“, sagt Cuntz, „schon um zu sehen, ob zum Beispiel eine Spinne zwischen den Schallmessern ihr Netz gebaut hat und wir deswegen eine auffällige Veränderung in den Daten haben.“ Davon abgesehen macht das Gelände auch handwerkliche Arbeit. Jede Woche muss jemand hinfahren, um die Filter zu wechseln, einige Daten von Hand auszumessen oder die Regenrinnen vom Laub zu reinigen – wofür sich eine Klobürste bewährt hat. Auch ein Problem: das Zurückschneiden des Grünzeugs am Waldboden. Vor dem Zaun erledigt das das Rotwild, drinnen der Wissenschaftler mit der Heckenschere.

Das Observatorium verschafft den Forschern neben vielen einzelnen Messergebnissen auch einen Überblick darüber, wie das ganze Waldstück atmet. Den bekommt man, wenn man nach oben steigt. Deswegen ist das Herzstück des Geländes ein 50 Meter hoher Turm, der aussieht wie ein Baugerüst. Gut zehn Meter ragt er über die Kronen. An dem Gerüst sind in unterschiedlichen Höhen Messgeräte angebracht, zum Beispiel kleine Trichter, die Luft ansaugen und zur Analyse weiterleiten. Ganz oben öffnet sich der Blick auf ein romantisches Stück mitteldeutsches Tiefland: Forstwald, Felder und Windkrafträder. Unten wiegen sich die Wipfel, der Turm wiegt sich auch ein bisschen. Und warum muss man jetzt so hoch hinaus? „Was wir hier messen, ist die Information von einem ganzen Quadratkilometer“, sagt Cuntz, „das nennt sich footprint. Alles, was innerhalb eines Quadratkilometers um diesen Turm herum passiert – selbst wenn jemand eine Zigarette raucht – können wir hier oben messen, denn davon kommen noch Moleküle an.“ Dafür sind kleine und sehr sensible Sensoren zuständig, die von der Windgeschwindigkeit über die Sonnenstrahlung und die verschiedenen Wellenlängen des Lichts bis hin zu den Molekülen, die vom Waldboden her ankommen, alles detailliert aufzeichnen.

Die Daten aller Messgeräte laufen über Kabel zu einem kleinen Bauwagen in der Mitte des Geländes. Hier steht ein nüchterner Computer. Von ihm aus werden die Informationen auf den Server des UFZ in Leipzig geladen, wo sie dann zur Auswertung bereitstehen. Aber nicht nur für Cuntz und seine Kollegen. Das Observatorium ist Teil eines ganzen Netzwerks von Klimabeobachtungen. Die Messungen aus dem Waldstück gehören zu einem Großprojekt der Helmholtz-Gemeinschaft: Unter dem Namen TERENO ist ein Netz von Erdbeobachtungen über vier verschiedene Zonen Deutschlands gespannt. Die vielen Projekte, an denen verschiedene Disziplinen beteiligt sind, haben je einzelne Schwerpunkte – am UFZ in Leipzig ist das etwa das Wasser. Aber die Daten werden so generiert, dass sie sich miteinander vergleichen lassen und damit allgemeine Aussagen ermöglichen. Und schließlich laufen die Daten europaweit zusammen: Unter dem Namen ICOS (Integrated Carbon Observation System) werden Informationen aus acht Ländern zur Klimaveränderung auf dem ganzen Kontinent gesammelt. Das erklärte Ziel sind zuverlässige Prognosen über Klimaveränderungen. „Dass sich etwas ändert, daran zweifelt niemand“, sagt Cuntz. Am Harz, wo die Forschungsstation steht, wird das schon lange gemessen, ein bisschen trockener wird es im Sommer und ein bisschen wärmer im ganzen Jahr. „Man kann sich fragen: Wie geht es weiter?“, sagt Cuntz. „Und da muss man sich auf Modelle verlassen, wobei natürlich über zukünftige Aktivitäten des Menschen nur spekuliert werden kann. Wir nennen das Projektionen, nicht Vorhersagen.“

Mit solchen Projektionen arbeitet auch ein anderes Projekt am UFZ: Die „Global Change Experimental Facility“ (GCEF) in Bad Lauchstädt betreibt eine Art Klima-Science-Fiction. Sie untersucht, wie die Umwelt reagiert, wenn das Klima sich ändert. Dafür simulieren die Forscher auf vielen kleinen Feldern die Zukunft: Einige der Parzellen sind begrast, auf anderen wird konventioneller Ackerbau betrieben, auf manchen weiden Schafe. „Wir haben die Landnutzungsformen in Deutschland exemplarisch abgedeckt“, sagt der Biologe Martin Schädler, der hier wissenschaftlicher Koordinator ist. Er manipuliert die Temperatur und Feuchtigkeit auf diesen Versuchsfeldern. „Wir arbeiten mit dem Klima, das man für 2050 errechnet hat“, erklärt Schädler. „Das ist in etwa das Mittel aller bisherigen Projektionen. Wir machen es auf einigen Feldern etwas wärmer und etwas trockener – und schauen, wie das den Boden, die Lebewesen, die Pflanzen verändert.“ Das geschieht mithilfe von Technologien wie zurückrollenden Dächern, die die Regenmenge regulieren. Die Seitenwände der Gerüste helfen, die Temperatur auf den Parzellen zu erhöhen. „Der Vorteil ist die Fläche, die wir haben, und die Zeit – 15 Jahre“, sagt Schädler. „Wir können ein ganzes System mit vielen Komponenten anschauen und haben eine große Vergleichbarkeit zwischen unterschiedlichen Nutzungsformen und Kontrollgruppen. Wir arbeiten sehr detailliert: Zum Beispiel beobachten wir auch, wie die Insekten auf die Trockenheit reagieren.“ Die Ergebnisse könnten nicht nur der Landwirtschaft nutzen, sich auf veränderte Bedingungen einzustellen. Sie sollen es auch erlauben, verlässliche Aussagen über die Veränderungen zu machen. Was richtet Trockenheit wirklich an? Was die Hitze? Verändert sich überhaupt etwas – und wenn, für wen?

Im Wald bei Oschersleben regnet es immer noch. Künftige Trockenheit sind für den Einzelnen im Hier und Jetzt schwierig zu begreifen: „Globaler Wandel und Klimaerwärmung sind oft abstrakte Begriffe“, sagt Matthias Cuntz. Er sieht es als Aufgabe der Wissenschaft, möglichst präzise Modelle zu liefern, wie sich Veränderungen im Klima beschreiben lassen, ob im Detail wie an den Bäumen in Oschersleben oder im Ganzen. Darauf könnten dann Entscheidungsprozesse fußen, wie man den Veränderungen begegnen will: „Das ist für mich eine gesellschaftliche Frage“, sagt Cuntz, „der Hauptfaktor in allen Modellen ist der Mensch und sein Verhalten.“ 

Ein Netzwerk zur Erdbeobachtung

Von der norddeutschen Tiefebene bis zu den Alpen spannt das Großprojekt TERENO (Terrestrial Environmental Observatories) ein Netz aus Beobachtungsstationen auf. Sie katalogisieren die Auswirkungen des Klimawandels auf lokale Ökosysteme und auch deren wirtschaftliche Konsequenzen. So werden neben einer Vielzahl von Klimadaten auch Daten zu Wasser- und Bodenqualität, Artenvielfalt oder Landnutzung gesammelt. Aus Baumringen und Sedimentproben lassen sich zudem historische Vergleichsdaten rekonstruieren. Die beteiligten Wissenschaftler wollen herausfinden, welche Folgen die erwarteten Klimaveränderungen auf Grund- und Oberflächenwasser, Böden und die Vegetation haben. Welchen Einfluss haben zudem Austauschprozesse zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre? Wie wirken sich Veränderungen der Boden- und Landnutzung auf den Wasserhaushalt, die Bodenfruchtbarkeit, die Biodiversität und das regionale Klima aus? Und welche Auswirkungen haben großflächige Eingriffe durch den Menschen, etwa Tagebau oder Abholzung? Ziel ist es, aus den Daten Modelle für verbesserte Vorhersagen zu entwickeln und daraus Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel abzuleiten. TERENO wurde 2008 gestartet, daran beteiligt sind das Forschungszentrum Jülich, das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ), das Karlsruher Institut für Technologie, das Helmholtz Zentrum München, das Helmholtz-Zentrum Potsdam (GFZ) sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

 www.tereno.net

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