Extremereignisse & C-Kreislauf

a)

• Anstieg der atmosphärischen CO₂-Konzentration (ppm) über lange Zeiträume (bis ~2300)

• starker, beschleunigter Anstieg besonders in der Zukunftsprojektion

b)

• steigende CO₂-Konzentrationen stehen im Zusammenhang mit zunehmenden/extremeren Klimaereignissen

• visualisiert: verschiedene Extremtypen wirken auf den Kohlenstoffkreislauf ein

• Atmosphäre (CO₂) als Speicher

• Photosynthese: Aufnahme von CO₂ durch Pflanzen (Primärproduktion)

• Atmung: Rückgabe von CO₂ durch Pflanzen/Tiere/Ökosystem

• Zersetzung: organisches Material → CO₂-Freisetzung

• fossile Lagerstätten & Verbrennung (Industrie) als zusätzliche CO₂-Quelle

• Wert einer Wetter-/Klimavariablen liegt oberhalb oder unterhalb eines Schwellenwerts

• Schwellenwert liegt nahe den Extremen der beobachteten Bandbreite

• extreme Wetterereignisse und extreme Klimaereignisse werden hier gemeinsam als „Klimaextreme“ bezeichnet

• Dürre

• Überschwemmungen/Starkregen

• Hitze

• Kälte/Winterextreme

• Sturm

• Waldbrand

• negative Anomalien der Brutto-Primärproduktion (GPP) als Indikator für reduzierte CO₂-Aufnahme

• dunklere Regionen = stärkere Abnahme der CO₂-Aufnahme

• direkt & sofort: unmittelbare Änderung der CO₂-Flüsse (z. B. Dürre, Hitze, Frost)

• indirekt & sofort: Strukturänderung durch Folgeprozesse (z. B. Feuer, Schädlingsbefall)

• direkt & verzögert: zeitversetzte Reaktion (z. B. nachwirkendes Pflanzensterben/Erholung)

• indirekt & verzögert: kombinierte/wiederholte Extreme (z. B. Dürre → Totholz → Feuer)

• starke Schwankungen der Kohlenstoffflüsse

• werden durch Klimaextreme ausgelöst

• können die Kohlenstoffbilanz von Ökosystemen stören

Klimaextreme:

• seit Mitte des 20. Jh. Zunahme von Häufigkeit, Intensität, Dauer

• Klimawandel verändert nicht nur Mittelwerte, sondern auch Variabilität

• schon kleine Klimaänderungen → mehr Extreme

Kohlenstoffextreme:

• v. a. negative Extreme nehmen zu (geringe CO₂-Aufnahme/Netto-Emissionen)

• positive Extreme (produktive Jahre) gleichen Verluste oft nicht aus

• IAV = jährliche Schwankungen der CO₂-Aufnahme durch Landökosysteme

• Landökosysteme sind CO₂-Puffer, aber Aufnahme variiert stark von Jahr zu Jahr

• 2 Hauptkomponenten:

  • GPP: wie viel CO₂ Pflanzen aufnehmen

  • TER (Gesamt-Ökosystematmung): wie viel CO₂ das Ökosystem abgibt

• Schwankungen sind nicht mehr rein natürlich → Mensch beeinflusst stark

• indirekt (Klimawandel):

  • anthropogene CO₂-Emissionen → Erwärmung, veränderte Niederschlagsmuster

  • besonders deutlich auf Nordhalbkugel (Emissionen, große Landflächen, Treibhausgase/Aerosole)

• direkt (LULCC):

  • Abholzung, Landwirtschaft, Urbanisierung

  • erhöhen Häufigkeit/Intensität von Kohlenstoffextremen → mehr Dürre, Hitze, Starkregen

• mehr Pflanzenmortalität (Wurf/Bruch/Verletzung)

• Vegetationsdecke geht verloren → Bodenqualität sinkt

• Verlust organischer Substanz/Nährstoffe, mikrobielle Gemeinschaft verändert

• Windwurf/Kronenschäden → CO₂-Aufnahme sinkt (weniger Biomasse/Produktivität)

• mehr Totholz → mehr mikrobielle Zersetzung → kurzfristig mehr CO₂-Ausstoß

• umgestürzte/beschädigte Bäume → günstiger für Schädlinge

Fazit: ↓ CO₂-Bindung, ↑ CO₂-Freisetzung → negative Kohlenstoffbilanz

• unterhalb eines „Mortality Threshold“ → erhöhte Pflanzenmortalität

• Landbedeckung verändert sich, Bodenerosion kann zunehmen

• organische Substanz/Nährstoffe gehen verloren; mikrobielle Gemeinschaft verändert

• Zell-/Gewebeschäden → Wachstum/Gesundheit/Veg.-Bedeckung nehmen ab

• Photosynthese (GPP) stark eingeschränkt

• Atmung (R) sinkt während Frostperiode, bis Zersetzung wieder einsetzt

Fazit: ↓ CO₂-Bindung, ↑ CO₂-Freisetzung → negative Kohlenstoffbilanz

• anhaltende Überflutung → Wurzelfäule → Pflanzensterben

• mehr Erosion → Nährstoffverluste, schlechtere Bodenqualität → erschwerte Vegetationsrückkehr

• weniger O₂ an Wurzeln → Nährstoffaufnahme/Enzymaktivität ↓ → Photosynthese ↓

• aerobe Atmung gehemmt → CO₂-Freisetzung ↓

• aber: anaerobe Prozesse → Methan (CH₄)-Bildung

• mehr Pilze/Pathogene

Fazit: ↓ CO₂-Bindung, ↑ CO₂-Freisetzung → vorübergehend negative Kohlenstoffbilanz

• anhaltende Dürre + Hitze → Pflanzensterben → geringere Vegetationsbedeckung

• weniger Verdunstung → Rückkopplungen möglich

• Erosion/Nährstoffverluste/Bodenqualität ↓ → Vegetationsrückkehr erschwert

• Brandgefahr ↑ und Anfälligkeit für Schädlinge ↑

• Stomata schließen → CO₂-Aufnahme ↓ → Photosynthese ↓

• Atmung steigt anfangs mit Temperatur → mehr CO₂-Freisetzung

• bei starker Trockenheit: Mikrobenaktivität ↓ → Zersetzung stoppt

• Wiederbefeuchtung → Birch-Effekt (starker kurzer CO₂-Puls)

Fazit: ↓ CO₂-Bindung, ↑ CO₂-Freisetzung → negative Kohlenstoffbilanz

• Temperaturen ~+5–6 °C über Durchschnitt, ~50 % weniger Niederschlag

• eines der extremsten Klimaereignisse der letzten Jahrzehnte

• Europa wechselte vorübergehend von CO₂-Senke zu CO₂-Quelle

• CO₂-Verlust ~entsprach ca. 4 Jahren normaler CO₂-Aufnahme

• Erholung dauerte mehrere Jahre

• positiv (verstärkend):

  • Erwärmung → mehr Bodenatmung → CO₂-Freisetzung

  • Permafrost taut → CO₂- & CH₄-Emissionen

  • Dürre/Hitzewellen → CO₂-Aufnahme ↓ (Beispiel Europa 2003)

  • Landbiosphäre wird Quelle → Klimawandel verstärkt sich

• negativ (dämpfend):

  • CO₂-Düngungseffekt → Pflanzenwachstum ↑ → CO₂-Aufnahme ↑

  • längere Vegetationsperiode in kalten Regionen → stärkere Senke

  • Landbiosphäre puffert CO₂-Anstieg teilweise ab

Kernaussage: Mit fortschreitender Erwärmung verliert Landbiosphäre tendenziell Senkenfunktion

• NEIN: nur ca. ~36 % der Klimaextreme führen zu einem Kohlenstoffextrem

• oft: stabile oder kompensierte CO₂-Bilanz

• Einflussfaktoren:

  • Art des Extrems: Temperatur-Extreme wirken stärker als Niederschlagsextreme

  • Region: Tropen/mittlere Breiten reagieren stark; boreal/arktisch eher träge/verzögert

Tropen (Amazonas, Kongo, Südostasien):

• empfindlich gegenüber Dürre/Feuer; starke Schwankungen durch El Niño/La Niña

• Dürre/Feuer schwächen tropische CO₂-Senken (teils Umkehr zur Quelle), Erholung nach Regen oft relativ schnell

• Tropen reagieren am stärksten und haben großen Anteil am globalen CO₂-Umsatz

Semiaride & aride Gebiete (Sahel, Australien, Patagonien):

• Wechsel Regen-/Trockenphasen

• stärkste jährliche CO₂-Schwankungen weltweit („atmen im Rhythmus des Regens“)

• trotz ~20 % Landfläche dominanter Einfluss auf kurzfristige globale C-Schwankungen

Boreale & arktische Regionen (Kanada, Sibirien, Skandinavien):

• Erwärmung verlängert Vegetationsperiode; mehr Feuer/Insekten; Permafrost taut

• zunächst mehr CO₂-Aufnahme, aber Permafrost-CO₂/CH₄ + Feuer/Schädlinge können Senkenwirkung kompensieren

• Permafrost-Kohlenstoff als potenzieller „Kipppunkt“

Gemäßigte Breiten (Europa, China, Nordamerika):

• starke Jahreszeiten, intensive Landnutzung

• CO₂-Flüsse schwanken durch Temp./Niederschlag; im Mittel oft stabile Senkenfunktion

• große Wald- & Agrarflächen; Management/Bewässerung erzeugen regionale Unterschiede

• konzeptionelle Analysen (theoretische Modelle/Prozessverständnis)

• Metastudien (Synthese vieler Einzelstudien)

• Fernerkundung (MODIS, SIF zur Vegetationsaktivität)

• Feldmessungen & Eddy-Covariance (FLUXNET: CO₂-, Wasser-, Energieflüsse in Echtzeit)

• atmosphärische CO₂-Daten & Laborversuche (globale Trends, kontrollierte physiologische Reaktionen)

• Beobachtungsunsicherheiten: Messstationen ungleich verteilt → globale Hochrechnungen schwierig

• Satellitendaten: NDVI/FAPAR/SIF erfassen v. a. Oberfläche/Vegetationsaktivität, nicht direkt CO₂-Austausch; Wolken/Schnee/Sensorfehler verfälschen

• Modellunsicherheiten:

  • unterschiedliche Annahmen zu Temp./Feuchte/Dürre → stark abweichende Ergebnisse

  • Prozesse wie Birch-Effekt, Feuer, Schädlingsdynamik oft vereinfacht/fehlend

• Skalenproblem: lokale Messungen präzise, aber schwer übertragbar; globale Modelle glätten regionale Extreme

• Landnutzung/Mensch: Abholzung/Feuer/Landwirtschaft teils unvollständig oder verzögert berücksichtigt