Wie von Menschen verursachte Waldbrände das Klima schon vor 10 000 Jahren beeinflusst haben könnten

Die Erderwärmung führt nicht nur zu mehr Waldbränden – Waldbrände führen auch zu Erderwärmung. In Wäldern sind etwa 30 % des gesamten Kohlenstoffs gespeichert, der sich auf der Erdoberfläche befindet, und durch Brände wird nicht nur dieser Kohlenstoff in die Atmosphäre freigesetzt, sondern auch andere Stoffe, die sich auf das Klima auswirken, etwa in Form von Aerosolen. Die Wirkung dieser Aerosole auf den Klimawandel ist allerdings noch nicht vollständig geklärt.

Im Projekt EARLYHUMANIMPACT wird ein besonderer Ansatz verfolgt: Die Forscher suchen die Antwort in der Geschichte der Erde. Vor über 10 000 Jahren nahm der Mensch die Landwirtschaft auf und rodete zu diesem Zweck Wälder. Die Projektmitglieder sind der Ansicht, dass sich die dabei freigesetzten Aerosole seitdem auf das Klimasystem auswirken.

Um dies zu überprüfen, untersuchten Prof. Carlo Barbante und weitere Forscher von der Universität Venedig klimatologische Daten, die aus Eis- und Seesediment-Bohrkernen von sieben Kontinenten gewonnen wurden, und verglichen sie mit bestehendem Wissen über vergangene Waldbrände. Die Forscher machten von einer neuen Technik Gebrauch, um einen bestimmten molekularen Marker für Biomasseverbrennung nachzuweisen – Levoglukosan – der in Eiskernen und Seesedimenten darauf schließen lässt, dass sich ein Feuer ereignet haben muss. Den bevorstehenden Abschluss des Projekts nimmt Prof. Barbante zum Anlass, über den Verlauf und die Ergebnisse seiner Arbeit zu sprechen.

Warum haben Sie sich entschlossen, Ihre Forschung auf die Rekonstruktion von Bränden zu konzentrieren?

Die Rolle von Aerosolen im Klimasystem ist immer noch unklar, und noch weniger wissen wir über den relativen Einfluss der Biomasseverbrennung.

Brände wirken sich auf das Klimasystem aus, da durch Verbrennungen Kohlenstoff freigesetzt wird, der andernfalls in Holzpflanzen gespeichert wäre. Brände steigern den Anteil verschiedener Aerosole in der Atmosphäre und spielen eine wichtige Rolle dabei, wie dieser Anteil über Jahre hinweg schwankt. Darüber hinaus sind Feuer für das regionale und globale Klima von Bedeutung, da durch sie Treibhausgase entstehen, allen voran Kohlenstoffdioxid und Methan.

Das Schrumpfen der Waldflächen, das vor rund 5 000 bis 7 000 Jahren begann, könnte mit landwirtschaftlicher Aktivität zusammenhängen. So könnten etwa Brandrodungen stattgefunden haben, die sich messbar in Klimaproxys niederschlagen. Unter diesem ERC Advanced Grant möchten wir nun wesentliche Erkenntnisse zum Zusammenspiel zwischen Klima und menschlicher Aktivität gewinnen, insbesondere hinsichtlich der Aufnahme der Landwirtschaft und der Rolle von Aerosolen im Lauf der Zeit.

Warum wissen wir so wenig darüber, wie Aerosole in der Vergangenheit zum Klimawandel beigetragen haben?

Wir verglichen die Treibhausgaskonzentrationen des späten Holozän mit denen der früheren Interglazialzeiten, und laut den Ergebnissen wirken sich anthropogene und natürliche Aerosole möglicherweise schon seit tausenden von Jahren auf das globale Klimasystem aus. Heute verändert sich die Zusammensetzung der Erdatmosphäre durch menschliche Aktivitäten wie die Verbrennung fossiler Brennstoffe und somit das globale Klimasystem Messungen zufolge deutlich schneller als in jedem anderen Erdzeitalter zuvor.

Das Problem besteht darin, dass es anhand der meisten Informationsquellen, auf die Paläoklimatologen zurückgreifen können (z. B. Jahresringe von Bäumen sowie marine oder terrestrische Aufzeichnungen), schwierig ist, die richtigen Transferfunktionen zu finden, über die die Konzentration eines bestimmten Markers innerhalb eines Datensatzes mit seiner früheren Konzentration in der Atmosphäre verbunden ist. Daher muss anhand paläoklimatischer Aufzeichnungen und geeigneter Proxys, bei denen die Beziehung zwischen Ursache und Wirkung bekannt ist, unbedingt die frühere Zusammensetzung der Atmosphäre untersucht werden.

Wie fuhren Sie fort, um Ruddimans Hypothese zu überprüfen?

Seine Hypothese stützt sich auf die Beobachtung, dass die Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid und Methan in der Atmosphäre vor rund 7 000 bis 5 000 Jahren bei einem Minimum lagen und sich dann langsam erhöhten, bis die Industrielle Revolution schließlich zu einem rasanten Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen führte. Die zunehmende Methankonzentration steht mit der Verbrennung von Biomasse und dem Anbau von Reis in den Tropen in Verbindung. Der Anstieg der Kohlenstoffdioxidkonzentration ist schwieriger mit menschlicher Aktivität zu erklären, doch Ruddiman argumentiert, dass Entwaldung und Biomasseverbrennung einen wichtigen Faktor darstellen könnten.

Eis- und Seesediment-Bohrkerne liefern als Klimaproxys quantifizierbare Daten zu früheren Bränden, die sich über alle denkbaren Orte und Epochen erstrecken. Wir möchten die zeitlichen und räumlichen Veränderungen durch Biomasseverbrennung im Holozän anhand der Teile von Eis- und Seesediment-Bohrkernen von sieben Kontinenten beziffern, deren Bildung mit dem Aufkommen der Landwirtschaft zusammenfällt. Zu diesem Zweck entwickelten wir ein neuartiges Verfahren zur Messung eines molekularen Markers für die Verbrennung von Biomasse (Levoglukosan, 1,6-Anhydro-β-D-glukopyranose), der auf der ganzen Welt in Eisbohrkernen und Seesedimenten zu finden ist. Diese pyrochemischen Analysen ergänzten wir durch palynologische Belege für die Auswirkungen früherer Brände.

Welche wesentlichen Erkenntnisse wurden durch die Projektarbeit bislang gesammelt?

Neue Untersuchungen des Grönländischen Eisschilds ergaben beispielsweise, dass sich Klimaveränderungen – einschließlich der thermischen Isolation der nördlichen Erdhalbkugel im Sommer und der Temperaturschwankungen – über Jahrtausende auf die Häufigkeit von Bränden auswirken.

Unsere Ergebnisse zur Brandrekonstruktion im Holozän weisen auf ein bedeutendes Maximum der Brandaktivität vor zwei- bis dreitausend Jahren hin. Die Temperaturen der nördlichen Hemisphäre bleiben (insbesondere im Sommer, der Waldbrandsaison) stabil oder sinken in diesem Zeitraum. Daher kann die erhöhte Levoglukosankonzentration, die in Grönland zwischen Mitte und Ende des Holozäns nachweisbar ist, nicht allein durch wichtige Klimaparameter und Veränderungen der Umwelt erklärt werden.

Da es an plausiblen Klimadaten zu diesem Muster mangelt und es auch keine paläoklimatischen Belege für einen zu dieser Zeit stattfindenden globalen Klimawandel gibt, sind wir der Ansicht, dass sich die beobachteten Entwicklungen der Brandaktivität während des späten Holozäns am besten durch menschliche Aktivität in Form von Landwirtschaft und Rodung erklären lassen. Die umfassende Entwaldung in Europa vor 2 500 bis 2 000 Jahren fällt mit einem brandbedingten Maximum der Levoglukosankonzentration in Grönland zusammen, was quantifizierbare frühe Auswirkungen des Menschen auf die Umwelt darstellt, die vor etwa 4 000 Jahren einsetzten.

Konnten Sie zwischen natürlich entstandenen und durch den Menschen verursachten Bränden unterscheiden?

Hierbei handelt es sich um eine der größten Herausforderungen, mit denen wir uns konfrontiert sehen, und wir arbeiten noch an ihrer Bewältigung. Die Zusammenhänge zwischen Biomasseverbrennung und Landwirtschaft (und den verbundenen höheren Konzentrationen von Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid und Methan) sowie der Verlängerung der interglazialen Epochen lassen sich nur bestätigen, wenn die gemessenen Anstiege bei der Verbrennung eine quantifizierbare Beziehung mit gestiegenen Temperaturen aufweisen, wie sie anhand von Eisbohrkernen festgestellt werden können. Zudem liefern Seesediment-Bohrkerne erforderliche palynologische Belege für durch den Menschen verursachte Brände. Anhand des Sediments kann etwa der Index für anthropologisch verursachte Pollen bestimmt und Pollenindikatoren für Brandrodung gefunden werden, und sie liefern Aufschluss über das Vorhandensein von Spezies, die sich an Waldbrände angepasst haben und auf häufige Feuer hinweisen, sowie über den Zustrom von Baumpollen.

Eis- und Seesediment-Bohrkerne können gleich als mehrere Klimaproxys herangezogen werden, somit sind sie ideal zur Untersuchung der Verbindungen zwischen früher landwirtschaftlicher Aktivität und dem Klimawandel, da Temperatur, palynologische Faktoren und Levoglukosankonzentration an der gleichen Stelle des Bohrkerns gemessen werden können, sodass sichergestellt ist, dass sich diese Messwerte auf dieselbe Zeit beziehen.

Welche Pläne haben Sie bis zum Projektende und darüber hinaus?

Derzeit konzentrieren wir uns tatsächlich auf einen Teil des Projekts, der zur Umsetzung des Projektvorschlags ursprünglich überhaupt nicht vorgesehen war. Neue organische molekulare Proxys werden für die Rekonstruktion von Bränden vorgeschlagen, die mit menschlichen Aktivitäten zusammenhängen. Konkret wurden Fäkalsterole und eine Reihe polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe isoliert und auf ihre Eignung als molekulare Marker für das Vorhandensein von Menschen und Brandaktivität überprüft, um neben Levoglukosan einen weiteren Marker nutzen zu können. Dies sind für paläoklimatische Rekonstruktionen sehr vielversprechende Proxys, und wir möchten in dieser Hinsicht bald weitere Forschungen anstellen. Dank dieses ERC-Zuschusses konnten wir uns mit diesem bisher kaum erforschten und oft vernachlässigten Teil des Klimasystems näher auseinandersetzen.

EARLYHUMANIMPACT
Gefördert unter FP7-IDEAS-ERC.
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