Moos statt Baum

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Nicht frühe Wälder senkten historische CO2-Level

Vor 450 Millionen Jahren war die Erde noch nicht so grün, wie sie heute ist. Ungefähr zu diesem Zeitpunkt siedelte sich allerdings die erste Landpflanze an und breitete sich kontinuierlich aus. Wahrscheinlich handelte es sich damals um eine frühe Form des Mooses Bärlapp, das nur ein paar Zentimeter über den Boden ragt, schreibt am im Eurpean Scientist. Mithilfe dieser Pflanze konnten Wissenschaftler das Paläoklima nun besser rekonstruieren, als es jemals zuvor möglich war – und brachten eine erstaunliche Erkenntnis ans Tageslicht: Bäume haben offenbar nicht so stark zur Reduktion von Kohlendioxid in der Atmosphäre beigetragen, wie bisher angenommen wurde. Das internationale Team von Wissenschaftlern publizierte die Ergebnisse in Nature Communications.

Neue Methode zur Berechnung von CO2-Level

Todkranke Tannen auf dem Predigtstuhl – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify

Es ist gängige Meinung, dass die Ausbreitung des Waldes der Grund dafür war, dass unsere Luft heutzutage ärmer an CO2 und damit auch kühler ist als vor Millionen von Jahren. Der Wandel begab sich laut Experten aufgrund der tiefen Verwurzelung der Bäume, wodurch das Treibhausgas aufgrund von Bodenverwitterung in größeren Mengen gebunden würde. Doch diese Theorie scheint die Wahrheit nicht so ganz zu treffen. „Wir haben ein mechanistisches Modell für den Gasaustausch von Pflanzenblättern und der Umgebungsluft mit der ältesten Abstammungslinie von Gefäßpflanzen, dem Bärlapp, kalibriert. Mit dieser Herangehensweise konnten wir das CO2-Level in der Luft nur mit Beobachtungen auf dem Pflanzenmaterial berechnen“, erklärt Erstautor und Geo-Biologe Tais Dahl der Universität von Kopenhagen in einer Medienmitteilung der Universität Nottigham. Die Methode besteht einerseits in der Berechnung des Verhältnisses der zwei Kohlenstoffisotopen C-12 und C-13, andererseits in der Größe und Dichte der Stomata, also der Porenlöcher der Pflanzen.

Bäume hatten geringeren Einfluss auf CO2-Abnahme als angenommen

Die Wissenschaftler verglichen diese Parameter mit Fossilien und rezentem Bärlapp. Dafür verwendeten sie fossilisierte Exemplare, die sowohl vor und nach der Ausbreitung der Wälder lebten. „Die neue Methode für die Untersuchung von CO2-Levels in geologischen Zeiträumen ist früheren Ansätzen überlegen“, so Co-Autor Barry Lomax. Alte Methoden würden auf der Annahme von Parametern basieren, die nicht sicher bestimmt werden konnten. Die Informationen, die fossile Pflanzen liefern können, seien hingegen lückenlos mit denen vergleichbar, die heute existieren.

Das Ergebnis war für alle Beteiligten erstaunlich: Die Temperaturen und CO2-Level waren sowohl vor als auch nach dem Aufkommen des Waldes nur geringfügig höher als heute. So habe die Atmosphäre damals ungefähr aus 30 bis 70 Prozent mehr Kohlendioxid bestanden, was deutlich niedriger sei, als es die Wissenschaft bisher annahm. Das Forscherteam stellt zwei Vermutungen an: Einerseits, dass sich das atmosphärische Kohlendioxid primär durch das Aufkommen der Moose verringerte. Andererseits, dass Bäume über lange Zeiträume hinweg eventuell einen geringeren Einfluss auf das CO2-Level haben, als ursprünglich gedacht.

Frühe Wälder haben das atmosphärische CO2 nicht wesentlich verändert

Wissenschaftler haben entdeckt, dass die Atmosphäre vor 400 Millionen Jahren weit weniger CO2 enthielt als bisher angenommen, als Wälder auf unserem Planeten entstanden. Eine neue von der Universität Kopenhagen in Zusammenarbeit mit der Universität Nottingham durchgeführte Untersuchung hat wichtige Auswirkungen auf das Verständnis, wie Landpflanzen das Klima beeinflussen. Die neue in Nature Communications veröffentlichte Untersuchung ändert die bisherigen Erkenntnisse der letzten 30 Jahre.

Die Kontinente der Erde wurden vor etwa 385 Millionen Jahren von hohen Bäumen und Wäldern besiedelt. Davor waren flache, strauchartige Pflanzen mit Gefäßgewebe, Stämmen, flachen Wurzeln und ohne Blüten in das Land eingedrungen. In den Lehrbüchern steht, dass die Atmosphäre damals einen viel höheren CO2-Gehalt hatte als heute und dass ein intensiver Treibhauseffekt zu einem viel wärmeren Klima führte. Früher ging man davon aus, dass das Entstehen von Wäldern den CO2-Abbau in der Atmosphäre förderte und die Erde in eine lange Kühlperiode mit Eisbedeckung an den Polen führte,

„Wir haben ein mechanistisches Modell für den Gasaustausch zwischen Pflanzenblättern und der Umgebungsluft an der ältesten Abstammungslinie von Gefäßlandpflanzen, den Klumpfußgewächsen, kalibriert. Mit diesem Ansatz konnten wir den CO2-Gehalt in der Luft allein aus Beobachtungen am Pflanzenmaterial berechnen“, erklärt Tais W. Dahl, außerordentlicher Professor am Globe Institute der Universität Kopenhagen, der die Studie in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam aus Deutschland, Saudi-Arabien, dem Vereinigten Königreich und den USA leitete.

Die neue Methode stützt sich auf drei Beobachtungen, die sowohl an lebenden Pflanzen als auch an fossilem Pflanzengewebe gemacht werden können, darunter das Verhältnis zweier stabiler Kohlenstoffisotope sowie die Größe und Dichte der Spaltöffnungen, durch die die Pflanze CO2 aufnimmt. Die Forscher kalibrierten die Methode an lebenden Klumpfußgewächsen und stellten fest, dass dieser Ansatz den CO2-Gehalt der Umgebung im Gewächshaus genau wiedergeben kann. Die neu kalibrierte Methode zur Untersuchung des CO2-Gehalts aus der geologischen Aufzeichnung ist früheren Ansätzen überlegen, die Schätzungen mit ungebundenen Fehlerbalken liefern, weil sie von Parametern abhängen, die in der geologischen Aufzeichnung nicht unabhängig bestimmt werden können.

Das Forscherteam wendete die Methode auf einige der ältesten Fossilien von Gefäßpflanzen an, die vor und nach der Entwicklung von Bäumen auf unserem Planeten lebten, und entdeckte, dass das Verhältnis der beiden stabilen Kohlenstoffisotope, Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-12, dem von modernen Pflanzen sehr ähnlich ist. Auch die Dichte und Größe der Spaltöffnungen war derjenigen der lebenden Nachkommen sehr ähnlich. Diese Beobachtungen gaben den Anstoß zu einer gründlicheren Untersuchung der frühen CO2-Aufzeichnungen.

Dahl und seine Kollegen sammelten Daten von 66 Fossilien dreier verschiedener Arten von Keulenmoosen, die an neun verschiedenen Orten in der ganzen Welt im Alter von 410 bis 380 Millionen Jahren gefunden wurden. In allen Fällen war der atmosphärische CO2-Gehalt nur 30-70 % höher (~525 – 715 ppm) als heute (~415 ppm). Das ist weit weniger als bisher angenommen (2000-8000 ppm). Das Team nutzte ein Paläoklimamodell, um zu zeigen, dass die Erde ein gemäßigter Planet mit mittleren tropischen Oberflächentemperaturen von 24,1-24,6°C war. „Wir haben ein vollständig gekoppeltes Atmosphäre-Ozean-Modell verwendet, um herauszufinden, dass die Pole der Erde mit Eis bedeckt waren, als die Wälder entstanden. Dennoch konnten Landpflanzen in den tropischen, subtropischen und gemäßigten Zonen gedeihen“, erklärt Georg Feulner vom Potsdam-Institut für Klimaforschung in Deutschland, der die Studie mitverfasst hat.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Bäume über längere Zeiträume hinweg tatsächlich eine unbedeutende Rolle für den atmosphärischen CO2-Gehalt spielen, weil frühe Bäume tiefere Wurzelsysteme hatten und besser entwickelte Böden produzierten, die mit einem geringeren Nährstoffverlust verbunden sind. Aufgrund des effizienteren Nährstoffrecyclings in den Böden haben Bäume tatsächlich einen geringeren Verwitterungsbedarf als die flache, strauchartige Vegetation, die vor ihnen wuchs. Dieser Gedanke steht im Widerspruch zu der bisherigen Annahme, dass Bäume mit einem tieferen Wurzelsystem den CO2-Abbau durch verstärkte chemische Verwitterung und Auflösung von Silikatgestein fördern.

Dahl und seine Kollegen haben mit Hilfe von Erdsystemmodellen gezeigt, dass primitive strauchartige Gefäßpflanzen bereits zu einem früheren Zeitpunkt in der Geschichte, als sie sich erstmals auf den Kontinenten ausbreiteten, einen massiven Rückgang des atmosphärischen CO2 verursacht haben könnten. Das Modell zeigt, dass Gefäßökosysteme gleichzeitig zu einem Anstieg des O2-Gehalts in der Atmosphäre geführt hätten.

Abstract des Artikels in Nature Communications

„Die Entstehung der Wälder auf der Erde (vor ca. 385 Millionen Jahren) wurde mit einem Rückgang des atmosphärischen CO2-Gehalts um eine Größenordnung und einer globalen Klimaabkühlung durch Veränderung der kontinentalen Verwitterungsprozesse in Verbindung gebracht, aber die Beobachtungen zum atmosphärischen CO2-Gehalt vor der Entstehung der Wälder sind mit großen, oft ungebundenen Unsicherheiten behaftet. Hier kalibrieren wir ein mechanistisches Modell für den Gasaustausch in modernen Lycophyten und bestimmen den atmosphärischen CO2-Gehalt von 410-380 Ma anhand verwandter fossiler Pflanzen mit einer Unsicherheit von etwa ±100 ppm (1 sd). Wir stellen fest, dass die Atmosphäre ~525-715 ppm CO2 enthielt, bevor die Kontinente aufgeforstet wurden, und dass die Erde nach einem Paläoklimamodell teilweise vergletschert war. Ein prozessgesteuertes biogeochemisches Modell (COPSE) zeigt, dass das Auftreten von Bäumen mit tiefen Wurzeln den CO2-Abbau in der Atmosphäre nicht dramatisch erhöht hat. Vielmehr könnten flachwurzelnde vaskuläre Ökosysteme lange vor dem Aufkommen der Wälder gleichzeitig eine abrupte Sauerstoffanreicherung der Atmosphäre und eine Abkühlung des Klimas verursacht haben, obwohl die früheren CO2-Werte noch unbekannt sind.“

->Quellen: