Max-Planck-Institut für Biogeochemie

KI kann Frühwarnsysteme für Extremwetterereignisse unterstützen und Schäden minimieren

Extremereignisse, die durch den Klimawandel häufiger werden, beeinträchtigen die Fähigkeit des Bodens, Wasser zu reinigen

Max-Planck-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben 2024 viele hochkarätige Veröffentlichungen publiziert. Wir haben eine Auswahl getroffen und stellen Ihnen zwölf Highlights vor

Häufigere starke Stürme zerstören immer größere Flächen des Amazonas-Regenwalds. Sturmschäden zwischen 1985 und 2020 wurden kartiert. Die Gesamtfläche der betroffenen Wälder hat sich in diesem Zeitraum etwa vervierfacht

Der Wendepunkt beim globalen Ausstoß des Treibausgases ist noch nicht erreicht, obwohl ein schneller und starker Rückgang nötig ist

Dürren und Starkregen – der Klimawandel verändert auch die Wasserkreisläufe rund um unseren Planeten. Mit erheblichen Folgen für Ökosysteme und damit auch für unsere Versorgung mit Lebensmitteln. Max-Planck-Forschende verfeinern Klimamodelle, um die Zusammenhänge besser zu verstehen und nicht zuletzt regionale Effekte vorherzusagen sowie eine Anpassung an die veränderte Verfügbarkeit von Wasser zu ermöglichen.

Zu viel Stickstoffdünger und Stickoxide aus fossilen Brennstoffen belasten Boden, Luft und Wasser in unterschiedlicher Weise. Wie aber wirken sich die Substanzen auf unser Klima aus? Ein internationales Team unter Leitung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena hat eine Bilanz der verschiedenen Klimaeffekte von Stickstoffverbindungen gezogen.

In politischen Diskussionen über die Energiewende kursieren Halb- und Unwahrheiten – das ärgert Axel Kleidon. Der Physiker, der das Erdsystem am Max-Planck-Institut für Biogeochemie aus thermodynamischer Sicht analysiert, liefert wissenschaftliche Fakten für die Debatte und will auf diese Weise zum Gelingen der Energiewende beitragen.

Klimakrise, Artensterben, Ozonabbau – ökologische Fehlentwicklungen bedrohen das Leben auf der Erde, wie wir es kennen, und damit auch die gesellschaftliche Stabilität. Der Gefahr lässt sich, wie im Fall des Ozonlochs, nur begegnen, wenn die Zusammenhänge durch und durch verstanden sind. Das ist das Ziel des Erdsystemclusters in der Max-Planck-Gesellschaft. An seiner Entstehung haben die beiden späteren Nobelpreisträger Paul J. Crutzen und Klaus Hasselmann maßgeblich mitgewirkt.

Kein Tier, keine Pflanze und kein Einzeller kommt ohne Stickstoff aus, doch der Mensch bringt immer mehr davon in Umlauf – mit diversen Folgen für Gesundheit und Umwelt. Sönke Zaehle, Direktor am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena, untersucht den Stickstoffkreislauf und seine Rückkopplung mit dem Klima. Die Ergebnisse sind auch umweltpolitisch relevant.

Damit Deutschland bis zur Mitte des Jahrhunderts klimaneutral ist, sollen regenerative Quellen viel mehr Strom liefern als die heute insgesamt produzierten rund 500 Terawattstunden. Denn dann müssen auch die fossilen Energieträger, die heute noch für die Wärmegewinnung, im Verkehr und in der Industrieproduktion eingesetzt werden, mithilfe von Strom ersetzt werden. Neben der Frage, wo Fotovoltaik- und Windkraftanlagen gebaut werden dürfen, sollte der Ausbau auch berücksichtigen, welche Leistung die verschiedenen regenerativen Energieformen erbringen können – speziell die Windkraft.

Starke Winde können Bäume entwurzeln oder abknicken, was als Windwurf bezeichnet wird. Durch den Vergleich kontinuierlicher Satellitenbilder von 1985 bis 2020 konnten wir die jährlichen Windwurfflächen von über 30 Hektar im gesamten Amazonasbecken kartieren. Wir fanden heraus, dass sich die Anzahl der Windwürfe in den letzten 35 Jahren nahezu vervierfacht hat, was auf eine erhöhte Sturmaktivität hinweist. Neben der gezielten Abholzung, der Brandrodung und den Waldbränden bedrohen also auch häufigere starke Stürme die Struktur und die Kohlenstoffspeicherung des Amazonas-Regenwaldes.

Klimaforschung wird derzeit hauptsächlich mit komplexen Modellen auf riesigen Computern durchgeführt. Wir gehen in die entgegengesetzte Richtung und versuchen, das Klima so einfach wie möglich mit grundlegenden physikalischen Prinzipien zu erklären. Dabei gehen wir davon aus, dass sich das komplexe Klimasystem einfach beschreiben lässt, weil es an seiner Leistungsgrenze operiert - es arbeitet so stark wie es kann, um Luft bewegt zu halten. Das erklärt etwa, warum Wüsten wärmer als tropische Regenwälder sind, und ermöglicht, Klimaphänomene einfach, aber physikalisch fundiert zu erklären.

Die klimaschädlichen Treibhausgase Kohlendioxid (CO₂) und Methan (CH₄) gelangen sowohl aus natürlichen und als auch aus menschengemachten Quellen in die Atmosphäre. Herauszufinden, wieviel Treibhausgase die verschiedenen Quellen tatsächlich emittieren, war das Ziel der CoMet-2.0-Arktis-Mission mit dem HALO-Forschungsflugzeug im Sommer 2022. Hierfür haben wir HALO mit einem System zur hochgenauen und kontinuierlichen in-situ-Messung von Kohlendioxid und Methan ausgestattet. Unsere direkten Messungen der Treibhausgase in der Atmosphäre versprechen genauere in-situ-Daten als bisherige Modelle.

Die Häufigkeit von extremen Wetter- und Klimaereignissen nimmt mit jedem zusätzlichen Grad der globalen Erwärmung zu. Solche Ereignisse wirken sich auf die Ökosysteme aus und hinterlassen über mehrere Jahre hinweg Spuren. Da sich die Intervalle zwischen den Stressbedingungen verkürzen, ist die Erholungsphase zwischen zwei Ereignissen kürzer. Das gefährdet die Stabilität der Ökosysteme. Mithilfe der Fernerkundung können wir den Zustand der Vegetation und die Folgen von Extremereignissen überwachen. Daraus lassen sich wichtige Erkenntnisse über Managementstrategien ableiten. 

Das Überleben der Menschen auf der Erde hängt von der Funktionsfähigkeit der äußersten Schicht unseres Planeten, der „kritischen Zone“, ab. Im Anthropozän hat der Mensch durch sein Handeln in den Stoffaustausch zwischen Organismen und den Ökosystemsphären eingegriffen und bedroht dadurch die Funktionsweise der kritischen Zone. Wie verringern Biodiversitätsverluste die kontinentale Kohlenstoffspeicherung und beschleunigen so den Klimawandel? Die Welt der Bodenmikroorganismen liegt im Fokus unseres Interesses, da hier der molekulare Antrieb der globalen Stoffkreisläufe verborgen ist.