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FORSCHUNG/279: Auf der Suche nach dem Kohlenstoff Afrikas (research*eu)


research*eu Nr. 58 Dezember 2008
Magazin des Europäischen Forschungsraums

KLIMAERWÄRMUNG
Auf der Suche nach dem Kohlenstoff Afrikas

Von Yves Sciama


Afrika ist nicht nur im Hinblick auf seine Entwicklung ein vergessener Kontinent. Auch bezüglich der Klimaforschung ist das Wissen zu diesem Kontinent mangelhaft, obwohl er bei den Atmosphärenprozessen unseres Planeten eine wichtige Rolle spielt. Deshalb sind Projekte wie CarboAfrica, in dessen Rahmen versucht wird, den Kohlenstoffkreislauf auf dem Schwarzen Kontinent in allen Einzelheiten zu verstehen, auch so wichtig.

Der Turm sieht aus wie eines dieser komplizierten Monumente aus Streichhölzern, die Straßenkünstler früher übereinanderstapelten, um den Passanten ein paar Münzen zu entlocken. Nur dass es sich nicht um Streichhölzer handelt, sondern um Stahlrohre - und der Turm, den sie bilden, erstreckt sich 65 m hoch in den Himmel. Touristen trifft man in dieser Gegend selten an: Das Gebilde steht inmitten des Urwalds von Ankasa in Ghana. Unterhalb der Solarpanels, die an der Spitze angebracht sind, erstreckt sich, so weit das Auge reicht, das undurchdringliche Blätterdach des Regenwalds.

Der Messturm von Ankasa ist das Prunkstück von CarboAfrica, das mit 2,8 Mio. EUR aus dem 6. Rahmenprogramm finanziert wird. An diesem Turm sind zwei hoch entwickelte Sensoren angebracht: ein Ultraschallwindmesser, der Windgeschwindigkeit und Richtung dreidimensional messen kann, und ein Infrarot-Analysegerät, das die Lufttemperatur sowie die Luftfeuchtigkeit und den Gehalt des Kohlendioxids (CO2) in der Luft kontinuierlich misst. "Werden nun diese beiden Werte mit ein wenig Mathematik und Physik kombiniert", erklärt vereinfachend Jonas Ärdo, Spezialist für afrikanische Ökosysteme an der schwedischen Universität Lund, "erhält man den lokalen CO2-Fluss oder, anders gesagt, die Gasmenge, die vom Wald freigesetzt bzw. aufgenommen wird. Die Anlage macht 20 Messungen pro Sekunde. Aber um die Verwertung der Daten zu vereinfachen, werden Durchschnittswerte für einen Zeitraum von jeweils 30 min berechnet." So ist es möglich, das Verhalten des CO2 von Tag zu Tag, von Saison zu Saison und von Jahr zu Jahr zu verfolgen.

Die Geheimnisse des Kohlenstoffkreislaufs

Weshalb sollte man die Atmung dieses eher unwichtigen Waldes in Afrika mit solcher Genauigkeit verfolgen? Weil sich hier ein Teil des Schlüssels zu einer wichtigen Unbekannten unserer Klimazukunft verbirgt: zum Kohlenstoffkreislauf. Man weiß, dass die Menschheit jedes Jahr über 27 Milliarden Tonnen CO2 in die Atmosphäre abgibt, vor allem durch den Verbrauch fossiler Brennstoffe. Das ist eine riesige Menge: sie entspricht ungefähr der 30-fachen Masse des Genfer Sees, des größten Sees Westeuropas. Aber vor den natürlichen Prozessen verblassen selbst diese Zahlen: Durch die Atmung aller Lebewesen wird ein Zehnfaches dieser Menge freigesetzt - glücklicherweise wird der größte Teil davon durch Photosynthese wieder aufgenommen. Die Ozeane ihrerseits nehmen CO2 in derselben Größenordnung auf, vor allem in den kalten Zonen, wogegen in wärmeren Zonen ein Teil davon freigesetzt wird. Und schaut man sich die globalen Größenordnungen an, und zwar auch bei den Kohlenstoffspeichern und nicht nur beim Austausch, sind die Zahlen noch schwindelerregender: Die Atmosphäre enthält 750 Milliarden Tonnen, die Vegetation dreimal mehr und die Ozeane sage und schreibe 40 000 Milliarden Tonnen CO2.

Das von uns ausgestoßene CO2 zirkuliert zwischen diesen unterschiedlichen Speichern. Es steigt in die Atmosphäre auf und wird anschließend von den Ozeanen, Pflanzen, Böden und Flüssen aufgenommen. Dann wird es wieder freigesetzt. Wie viel CO2 verbleibt dann in der Luft? Welcher Anteil wird weitergepumpt? Welcher Anteil kann nicht aufgenommen werden? Welche Speicher spielen bei der Aufnahme eine Rolle? In welchem Rhythmus? Für die Modellierung unserer Klimazukunft müssen viele wichtige Informationen gesammelt werden, und das ist wahrhaftig keine leichte Aufgabe.

Tatsache ist: Der Kohlenstoffkreislauf steht seit einigen Jahren im Mittelpunkt der Arbeiten von Klimaforschern. Das Ergebnis: Messtürme wie der in Ankasa, die das Kommen und Gehen des CO2 beobachten, sind in letzter Zeit wie Pilze aus dem Boden geschossen. Derzeit gibt es über 400 davon, die über die ganze Welt verteilt sind. Doch auch wenn das Klima keine Grenzen kennt, so sind den menschlichen Bauwerken sehr wohl welche gesteckt. Denn im Vergleich zum Rest der Welt ist Afrika instrumentell äußerst schlecht ausgestattet. Sein Wetterstationennetz liegt weit unter den Mindestempfehlungen der Weltorganisation für Meteorologie (World Meteorological Organisation - WMO) und auf dem ganzen Kontinent gibt es bis zum heutigen Datum nicht mehr als ein Dutzend CO2-Fluss-Messtürme auf 30 Mio. km², der sechsfachen Fläche der Europäischen Union! Bei der regionalen Modellbildung, die im Vergleich zum Rest der Welt völlig außer Acht gelassen wird, sieht es auch nicht besser aus.


Afrika - Senke oder Quelle?

"Unser Wissen über die tatsächliche Rolle Afrikas im globalen Kohlenstoffkreislauf hat sich als besonders mangelhaft erwiesen", schrieb Christopher Williams, ein Spezialist von der Universität von Colorado (USA), kürzlich in der Zeitschrift Carbon Balance and Management. "Wir wissen noch nicht einmal, ob Afrika ein Speicher oder eine Quelle für atmosphärischen Kohlenstoff ist, und wir haben nur sehr vage Hinweise auf die zeitliche und räumliche Verteilung des Kohlenstoffaustauschs."

Genau dies will CarboAfrica ändern. Nach den Worten des Projektkoordinators Professor Riccardo Valentini von der italienischen Universität Tuscia wird das Projekt zunächst das bestehende "Netzwerk zur kontinuierlichen Verfolgung des CO2 und anderer Treibhausgase stärken und erweitern", um sein ehrgeiziges Ziel - "die Quantifizierung, das Verständnis und die Prognose des Kohlenstoffkreislaufs und anderer Treibhausgase in der Subsahara" - zu erreichen. Dieses Netz ist zwar noch recht klein, aber es hat den Vorteil, sehr unterschiedliche Ökosysteme abzudecken.

Der Regenwald, zweifellos das Ökosystem mit dem aktivsten "Kohlenstoff- Stoffwechsel", wird vom Messturm in Ankasa abgesucht. In Botsuana steht ein weiterer Turm in den Feuchtgebieten des Okawango-Deltas. Die Werte für die trockene Savanne der Sahelzone liefert die Messstation El Obeid im Sudan, die von Jonas Ärdo installiert wurde. Auch im berühmten Krüger-Nationalpark in Südafrika, wo sich eine baumbewachsene Savanne erstreckt, steht ein solcher Turm. Im Kongo werden die Messungen auf einer Eukalyptusplantage durchgeführt, um die Kohlenstoffbilanz in kultivierten Umgebungen zu ermitteln. Nach demselben Prinzip wird auch in Benin geforscht, wo die Emissionen des Hirseanbaus gemessen werden. Insgesamt sollen 18 Messstationen betrieben werden, von denen zwei nagelneu sind. Sie werden durch Messungen in der Atmosphärenschicht ergänzt, die an zwei Stellen und mithilfe von Überflügen von Forschungsflugzeugen durchgeführt werden.

"Dahinter steckt die Idee, Modelle, die die Kohlenstoffzirkulation in verschiedenen Ökosystemen widerspiegeln, anhand von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Boden- und Vegetationszustand zu kalibrieren und zu validieren", erklärt Jonas Ärdo. "Mithilfe dieser Modelle und dem Wissen über die Verteilung der Ökosysteme auf dem Kontinent kann man dann zu einer globalen Modellierung des Kohlenstoffkreislaufs in Afrika übergehen." Angesichts der großen Vielfalt an Ökosystemen in Afrika, deren Kohlenstoffkreislauf stark variiert, sind 18 Stationen sicherlich nicht zu viel. So sind die Sahelzonen in den acht bis neun Monaten der Trockenzeit kaum aktiv. Aber sobald der erste Regen fällt, kommt ein intensiver Photosyntheseprozess in Gang, der von einer genauso großen Atmung begleitet wird. Dagegen ist der Kohlenstoffkreislauf in bewaldeten Zonen im ganzen Jahresverlauf sehr aktiv und relativ stabil. Die jahreszeitlich bedingte Variation interessiert die Forscher besonders, weil Afrika ein Kontinent ist, dessen Wetter vor allem in der Sahelzone gerne Kapriolen schlägt. Es kommt häufig vor, dass auf Jahre der Trockenheit ein oder mehrere Jahre folgen, in denen die Regenfälle weit über dem Durchschnitt liegen. Diese Variationen sind dreimal stärker als etwa in Indien, einer anderen Region mit Monsun.


Afrikanische Modelle

"Die meisten Modelle, die uns als Basis dienen, wurden in Europa oder in den USA entwickelt", erläutert Jonas Ärdo. "Daher ist es besonders wichtig, diese genauestens an die afrikanischen Bedingungen anzupassen, und dieses Projekt sollte uns dies ermöglichen." Dennoch können nicht alle Probleme gelöst werden: Die Modelle funktionieren umso besser, je mehr sie mit guten meteorologischen und pedologischen Daten gespeist werden. Nun arbeiten die Forscher jedoch mit 20 bis 30 Jahre alten Bodenkarten, die von der Welternährungsorganisation FAO erstellt wurden und voller Fehler sind. Außerdem geschieht es nicht gerade selten auf dem Schwarzen Kontinent, dass man sich mehr als 300 km von der nächstgelegenen Wetterstation befindet. Diese Lücken könnten teilweise mit Satellitendaten geschlossen werden. Sensoren wie Modis liefern nun tatsächlich Informationen über die Wetter- und Bodenbedingungen mit einer Auflösung von weniger als einem Kilometer - aber leider nur mit einer Frequenz von acht Tagen. "Durch die Kombination der Satellitendaten mit den Daten von den Wetterstationen und den CO2-Fluss-Messtürmen können wir Annäherungen mit akzeptabler Genauigkeit berechnen - das ist jedenfalls unser Ziel", erläutert Jonas Ärdo zusammenfassend.

Aber die Herausforderung, der sich CarboAfrica stellt, bezweckt nicht nur die bessere Darstellung der Wirklichkeit. Es geht auch darum zu bestimmen, wie der Einfluss Afrikas auf die Klimaerwärmung reduziert werden kann. Sicherlich ist der Beitrag des afrikanischen Kontinents zu den fossilen CO2-Emissionen - der Anteil beträgt 3% der globalen Emissionen - lächerlich gering, wenn man bedenkt, dass dort 14% der Weltbevölkerung leben. Jedoch können die durch Entwaldung verursachten Emissionen, die ein Viertel der von der Menschheit hervorgerufenen Treibhausgasemissionen ausmachen, sicherlich nicht vernachlässigt werden. Die tropischen Regenwälder absorbieren Unmengen an Kohlenstoff, sowohl in der Holzmasse, die sie enthalten, als auch in ihren Böden, die sehr kohlenstoffreich sind. Da in den meisten Fällen durch Brand gerodet wird, gelangt das bei der Verbrennung erzeugte CO2 direkt in die Atmosphäre, und der nackte Boden, der gepflügt und angebaut wird, setzt seinerseits einen Teil des Kohlenstoffs frei, den er enthält. 30% der abgeholzten Regenwälder liegen in Afrika.


Große finanzielle Herausforderungen

Im Kontext des Kohlenstoffkreislaufes sind auch noch andere bedeutende Herausforderungen zu nennen. So sieht das Kyoto-Protokoll mit den sogenannten Mechanismen für umweltverträgliche Entwicklung (Clean Development Mechanism, CDM) für Unternehmen aus Industrieländern die Möglichkeit vor, ihren Treibhausgasüberschuss durch die Finanzierung von Programmen zur Reduzierung von Emissionen in Entwicklungsländern zu kompensieren. Bislang hat Afrika von diesem Nord-Süd-Transfer nur wenig profitiert, aber im Prinzip kann man durch eine Investition in eine Baumplantage und ein Wiederaufforstungsunternehmen den eigenen Überschuss kompensieren. Außerdem werden derzeit Finanzierungsinstrumente zur Erhaltung der Wälder (REDD - Reducing Emissions from Deforestation and Degradation) verhandelt. Um allerdings die Speicherung des Kohlenstoffs in den Wäldern und Böden zu vergüten, muss es möglich sein, die gespeicherten Mengen genau zu berechnen. "Das ist allerdings ein besonders kompliziertes Verfahren", erläutert Laurent Saint André, Spezialist für Waldökosysteme im französischen Zentrum für internationale Zusammenarbeit in der landwirtschaftlichen Forschung CIRAD (Centre de coopération internationale en recherche agronomique pour le développement). "Man muss zuerst repräsentative Zonen des jeweiligen Waldes bestimmen, den man in relativ homogene Biome aufteilt. Anschließend wird mithilfe von Modellen die Menge des von jeder Pflanzensorte absorbierten Kohlenstoffs bewertet. Und dann gibt es noch den Boden und die Humusschicht, toten Wald. Auch müssen Entscheidungen zum Umfang der Analyse getroffen werden. Eines unserer Ziele im Rahmen des Projekts ist, die Verfahren und optimierten Methoden zu bestimmen, die zu diesen Bewertungen führen." Hierbei geht es nicht nur darum, Bedingungen zu verschärfen, sondern auch die Kosten zu senken, da diese manchmal für die betroffenen Akteure, wie Förster und Lokalbehörden, ein unüberwindbares Hindernis darstellen.


Für die Kohlenstoffspeicherung

Die Anpflanzung von Bäumen oder den Schutz der Wälder zu vergüten, selbst auf niedrigem Niveau, würde sich wahrscheinlich erheblich auf die Kohlenstoffspeicherung in Afrika auswirken. Und nicht nur in den Regenwäldern. Im Sahel, wo die Umwelt durch Überweidung und Abholzung stark geschädigt ist, gibt es verschiedene Techniken für die unterstützte natürliche Regeneration (Assisted Natural Regeneration, ANR), die die Rückkehr der Bäume begünstigen. Sie haben auch den Vorteil, die organische Zusammensetzung der Böden und deren Fähigkeit zur Wasserspeicherung zu verbessern, wodurch im Gegenzug auch die Fruchtbarkeit erhöht wird. Obwohl diese Techniken (Bau von Mauern, Gräben, kleinen Staudämmen) kostengünstig sind, liegen sie immer noch außerhalb der sehr schwachen Investitionskapazitäten der lokalen Bevölkerung. Wenn die Techniken über den Kohlenstoffhandel finanziert würden, hätte dies nicht nur positive Auswirkungen auf das Klima, sondern auch interessante sozioökonomische Gewinne zur Folge. Laurent Saint-André und seine Mitarbeiter haben berechnet, dass eine Eukalyptusplantage in der kongolesischen Savanne während ihres Wachstums knapp 30 Tonnen Kohlenstoff pro Hektar und Jahr speichern könnte. Bei einem CO2-Handelswert von ungefähr 20 EUR pro Tonne ergibt sich eine Einsparung, mit der Entwicklungsprojekte für Lokalgemeinschaften finanziert werden können, die bereit sind, einen Teil ihres Bodens dafür zur Verfügung zu stellen. Lokale Entwicklung und den Rückgang der Klimaerwärmung in Einklang zu bringen - Afrika birgt hierfür zweifellos viele Lösungen. Projekte wie CarboAfrica können sicherlich dabei helfen, die besten darunter zu entdecken und zu bestimmen. Aber ihre Umsetzung hängt in erster Linie von politischen Entscheidungen ab und somit in gewisser Weise von uns allen.


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Die Geheimnisse des Feuers

Der Einsatz von Feuer ist in Afrika weit verbreitet, sowohl um Wälder zu roden als auch um Parzellen vor dem Anpflanzen von trockenem Unkraut zu säubern. Auch wird auf dem ganzen Kontinent das Essen größtenteils über Holzfeuern zubereitet. "Manche Feuer sind sehr auffällig, spektakulär, vor allem in der Savanne", betont Laurent Saint-André. "Aber andere brennen unter der Baumkronenschicht und werden nicht bemerkt, was aber nicht heißt, dass sie bedeutungslos wären."

"Im Gegensatz zur Atmung gibt das Feuer Kohlenstoff in Form einer umfangreichen Mischung an Verbindungen in die Atmosphäre ab, von denen manche chemisch aktiv sind oder radioaktiv wirken (Methan, Kohlenmonoxid, Aerosole) oder Vorläufer aktiver Gase sind (Ozonvorläufer)", bemerkt Christopher Williams. Eine Arbeitsgruppe von CarboAfrica befasst sich deshalb mit der "Wechselbeziehung zwischen Feuer, Klima und Kohlenstoffkreislauf auf regionalem oder kontinentalem Maßstab". Ein Experiment in Originalgröße zur Nachverfolgung von Feuern in Südafrika wurde im August 2007 durchgeführt. Dabei wurden Satellitenbildgebung, Hubschraubereinsätze und Bodenmaßnahmen miteinander kombiniert. Mit den umfassenden Daten wird insbesondere die Kalibrierung von Satellitenbildern möglich sein.


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CarboEurope

Das ist sozusagen der große Bruder von CarboAfrica. Das im Jahr 2004 gestartete und 2009 endende Programm CarboEurope ist ein integriertes Projekt von großer Reichweite, an dem sich 61 Institutionen aus 17 Ländern beteiligen. Das Projekt verfolgt im Grunde genommen dasselbe Ziel wie CarboAfrica: so viele Informationen wie möglich über den Kohlenstoffkreislauf zu sammeln, jedoch auf der anderen Seite des Mittelmeers. Vier Jahre nach seinem Start kann das Projekt bereits eine beeindruckende Anzahl an Veröffentlichungen (mehr als 100) vorweisen, und zwar in den besten wissenschaftlichen Zeitschriften. Den Forschern von CarboEurope ist auch die Analyse der beeindruckenden und unerwarteten Folgen der Dürre von 2003 auf den Kohlenstoffkreislauf zu verdanken - erschienen 2006 in Nature. Sie entdeckten, dass der gesamte europäische Kontinent, der normalerweise die Rolle des Kohlenstoffspeichers übernimmt, sich wegen der Unterbrechung des Pflanzenwuchses, einer intensiveren Atmung und zahlreicher Waldbrände in eine CO2-Quelle verwandelt hatte. In einer anderen Veröffentlichung in der Zeitschrift Nature im Jahr 2008 haben Wissenschaftler von CarboEurope dargelegt, dass sich die Tendenz zu wärmeren Herbstmonaten auf dem alten Kontinent in einer höheren Freisetzung von Kohlenstoff bemerkbar macht. Da Interdisziplinarität ein Schlüssel für die Erforschung des Klimas ist, hat sich die Projektaktivität nicht nur geografisch ausgeweitet, sondern ist auch auf wissenschaftlicher Ebene facettenreich. Modellbildner aus Paris arbeiten Hand in Hand mit Spezialisten für die ungarische Puszta, mit auf den Untergrund spezialisierten Mikrobiologen aus Deutschland, mit spanischen Atmosphärenforschern oder auch mit den russischen Antonowpiloten! www.carboeurope.org (siehe RTD Info Nr. 29, April 2001)


CarboAfrica
15 Partner - 8 Länder
(CG-DE-FR-IT-SDSE-UK-ZA)
www.carboafrica.net


Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

• Versuchsbrand im Krüger-Nationalpark, Südafrika. Das Ziel ist, die Gas- und Partikelemissionen während des Versuchs zu messen, um den gesamten Verbrennungsprozess zu verstehen und verschiedene Parameter zu messen (Bodentemperatur, Windgeschwindigkeit, Feuchtigkeit usw.). Die während dieser Unternehmung gesammelten Daten werden mit Satellitendaten verglichen, um das Verständnis zu den Auswirkungen auf das Ökosystem der Savanne und die Folgen für die Vegetation zu erweitern. Die Rauchemissionen werden mithilfe eines FTIR-Spektroskops analysiert, um den Kohlenstoffkreislauf in der Umwelt zu bewerten. Bei diesen Versuchen werden auch andere Instrumente eingesetzt, vor allem Thermobildkameras und UV-Spektrometer. © M.Wooster-KCL

• Der Messturm im Wald von Ankasa, Ghana.
1 Aufbau
2 Installation wissenschaftlicher Instrumente
3 Kronenschicht vom Turm aus gesehen
© CarboAfrica


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Quelle:
research*eu Nr. 58 Dezember 2008, ISSN 1830-7388
Magazin des Europäischen Forschungsraums
Copyright: Europäische Gemeinschaften, 2008
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Chefredakteur: Michel Claessens
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Internet: http://ec.europa.eu./research/research-eu

research*eu erscheint zehn Mal im Jahr und wird auch
auf Englisch, Französisch und Spanisch herausgegeben.


veröffentlicht im Schattenblick zum 7. Juli 2009