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Hitzewellen von menschgemachtem Klimawandel verursacht

Ohne den vom Menschen ausgelösten Klimawandel hätte es eine so grosse Fläche, die gleichzeitig von Hitze betroffen war wie im letzten Sommer, nicht gegeben. Das schliessen Klimaforscherinnen der ETH Zürich aus Beobachtungs- und Modelldaten.

Von Peter Rüegg.

Der vergangene Sommer bleibt vielen Menschen in Erinnerung, nicht nur in der Schweiz, sondern auch in weiten Teilen Europas, Nordamerikas und Asiens. Vielerorts war es gleichzeitig so heiss, dass Menschen an Hitzeschlägen starben, die Stromproduktion gesenkt werden musste, Schienen und Strassen schmolzen und Wälder in Flammen aufgingen. Das Gravierende: Nicht nur ein Gebiet wie der Mittelmeerraum war von Hitze betroffen, sondern viele Regionen gleichzeitig, in den gemässigten Breiten und dem hohen Norden.

ETH-Forschende kommen nun zum Schluss: Solche gleichzeitig über mehrere Monate von Hitze betroffene Gebiete sind nur aufgrund des vom Menschen in Gang gesetzten Klimawandels möglich. Dies zeigt eine aktuelle Studie, die die ETH-Klimaforscherin Martha Vogel heute in Wien an einer Pressekonferenz der European Geosciences Union vorgestellt hat. Die dazugehörende wissenschaftliche Publikation ist derzeit noch in Begutachtung bei einer Fachzeitschrift.

Modelle und Beobachtungen analysiert

In dieser Studie befasste sich Vogel aus dem Team von ETH-Professorin Sonia Seneviratne mit der Hitzeperiode, die von Mai bis Juli 2018 weite Teile der Nordhalbkugel nördlich des 30. Breitengrades heimsuchte. Die Forschenden konzentrierten sich auf die Schlüsselregionen für die Landwirtschaft oder dicht besiedelte Gebiete. Ausserdem untersuchten sie, wie sich grossflächige Hitzewellen im Zuge der Klimaerwärmung entwickeln könnten.

Dazu analysierten die Forscherinnen und Forscher beobachtungsbasierte Daten von 1958 bis 2018. Weiter simulierten sie die geografische Ausdehnung, die Hitzewellen bis Ende des Jahrhunderts bei weiter steigenden Temperaturen erreichen könnten.

Hitzefläche breitete sich massiv aus

Die Auswertung der Daten aus dem letzten Hitzesommer zeigt, dass zwischen Mai und Juli im Tagesdurchschnitt 22 Prozent der besiedelten oder landwirtschaftlich genutzten Fläche der Nordhemisphäre gleichzeitig von extrem hohen Temperaturen betroffen waren. Die Hitze betraf mindestens 17 Länder, von Kanada über die USA bis Russland, Japan und Südkorea.

Die Messdaten zeigten den Forscherinnen, dass solch grossflächige Hitzewellen in der Nordhemisphäre erstmals 2010 auftraten, dann wieder 2012, und nun 2018. Davor jedoch registrierten Forschende keine solch grossen Gebiete, die zeitgleich von Hitze betroffen waren.

Grossflächige Hitzeextreme immer wahrscheinlicher

Modellrechnungen bestätigen diesen Trend. Grossflächige Hitzeextreme werden immer wahrscheinlicher, je wärmer es auf der Erde wird. Die Flächen in den landwirtschaftlichen Schlüsselregionen oder dicht besiedelten Gebieten der nördlichen Hemisphäre, die gleichzeitig von Hitze betroffen sind, werden laut Modellprojektionen um 16 Prozent pro Grad globale Temperaturerhöhung zunehmen. Nimmt die globale Erwärmung weiter zu und erreicht 1,5 Grad Celsius mehr gegenüber der vorindustriellen Zeit, dann wird für einen Viertel der Nordhemisphäre jeder zweite Sommer so heiss wie 2018. Bei einer globalen Erwärmung von 2 Grad liegt die Wahrscheinlichkeit für so ein Hitzeereignis bei nahezu 100 Prozent. Das heisst, dass fast jedes Jahr eine Fläche wie jene von 2018 von extremer Hitze betroffen sein würde.

«Ohne den vom Menschen angestossenen Klimawandel wäre nicht eine so grosse Fläche gleichzeitig von Hitze betroffen wie in 2018», sagt Martha Vogel. Sie findet die Tatsache, dass bei 2 Grad globaler Erwärmung fast jährlich eine solch grosse Fläche wie im vergangenen Sommer von Hitzeextremen betroffen sein könnten, alarmierend: «Wenn künftig mehr und mehr Flächen in landwirtschaftlichen Schlüsselregionen und dicht besiedelten Regionen gleichzeitig von Hitze betroffen sind, kann das gravierende Konsequenzen haben.»

Hitze gefährdet Ernährungssicherheit

«Sind gleichzeitig mehrere Länder von solchen Naturkatastrophen betroffen, ist keine gegenseitige Hilfe mehr möglich», ergänzt Sonia Seneviratne. Dies hätten die Waldbrände 2018 in Schweden aufgezeigt: Noch konnten mehrere Länder mit Infrastruktur zur Brandbekämpfung aushelfen. Kämpfen jedoch gleichzeitig mehrere Nationen gegen grosse Waldbrände, dann könnten sie andere betroffene Länder nicht mehr unterstützen.

Kritisch könnte es auch für die Ernährungslage werden. Sind weite für die Landwirtschaft zentrale Regionen von Hitze betroffen, könnten Erträge grossflächig einbrechen und Lebensmittel massiv verteuern. Dass dies keine allzu pessimistischen Annahmen sind, darauf weist die Hitzewelle von 2010 in Russland und der Ukraine hin. Damals stellte Russland den Export von Weizen komplett ein. Auf dem Weltmarkt stiegen die Weizenpreise an. In Pakistan, einer der Hauptimporteure für russischen Weizen, stieg der Weizenpreis um 16 Prozent. Weil gleichzeitig die pakistanische Regierung Verbilligungen von Lebensmitteln reduzierte, nahm gemäss einem Bericht der Hilfsorganisation Oxfam die Armut zwischenzeitlich um 1,6 Prozent zu.

«Solche Vorkommnisse lassen sich nicht auf der Ebene einzelner Länder lösen. Letztlich könnten grossflächige Extremereignisse die Versorgung mit Nahrungsmitteln auch von uns hier in der Schweiz gefährden», betont Seneviratne.

Der Klimawandel stabilisiere sich nicht, wenn wir uns nicht sehr anstrengten, sagt sie weiter. Im Moment steuern wir auf eine Drei-Grad-Erwärmung zu. Das Pariser Abkommen strebt eine Obergrenze von 1,5 Grad an. «Und bereits von dem einen Grad, um das die globale Durchschnittstemperatur seit vorindustrieller Zeit gestiegen ist, sind die Konsequenzen deutlich spürbar», sagt die ETH-Professorin.

Literaturhinweis

Vogel MM, Zscheischler J, Wartenburger R, Dee D, Seneviratne SI. Concurrent 2018 hot extremes across Northern Hemisphere due to human-induced climate change. Earth’s Future, in review. 

Dürre erhöht die CO2 -Konzentration in der Luft

In trockenen Jahren steigt die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre schneller an, dies zeigt eine aktuelle Studie von ETH-Forschenden. Grund dafür ist, dass gestresste Ökosysteme weniger Kohlenstoff aufnehmen. Der globale Effekt ist stärker als bisher angenommen und muss in die nächste Generation von Klimamodellen integriert werden.

Trockenheit stresst Ökosysteme
Trockenheit stresst Ökosysteme so, dass sie weniger Kohlendioxid aufnehmen. Weltweit ist dieser Effekt ausgeprägter als bisher angenommen (Bild: Colourbox).

Ökosysteme auf dem Land absorbieren durchschnittlich 30% der menschengemachten CO2-Emissionen und mildern so den Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre. Aber Pflanzen brauchen Wasser um zu wachsen. Wenn eine Dürre auftritt und die Böden austrocknen, reduzieren Pflanzen ihre Photosynthese. Sie reduzieren ihre Aktivität, um Wasser zu sparen und ihr Gewebe zu erhalten. Dadurch können sie kein Kohlendioxid mehr aus der Umgebungsluft abscheiden und es verbleibt mehr in der Luft. Dieser Effekt ist im Labor leicht zu beobachten, seinen Einfluss auf den gesamten Planeten zu messen hat sich allerdings als schwierig erwiesen. Eine der größten Herausforderungen: herauszufinden, wo und wie oft Dürren weltweit auftreten. Vincent Humphrey, Klimaforscher in der Gruppe von Sonia Seneviratne, Professorin für Land-Klima-Dynamik an der ETH Zürich, hat in einer neuen Studie mit innovativer Satellitentechnologie die globale Empfindlichkeit von Ökosystemen gegenüber Wasserstress berechnet. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit dem Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (Frankreich) und der Universität Exeter (Grossbritannien) durchgeführt.

Ökosysteme auf dem Land sind wichtig für die Absorption von menschengemachten CO2-Emissionen.

Mit Satelliten Dürren messen

Pflanzen können dank ihrer Wurzeln auch Wasser aus tiefen Bodenregionen erreichen. Herkömmliche Satelliten sehen aber nur, was an der Oberfläche passiert und können nicht messen, wie viel Wasser tief unter der Erde verfügbar ist. Seit einigen Jahren wird eine neuartige Satellitenmission verwendet, um extrem kleine Veränderungen im Schwerefeld der Erde zu messen. Veränderungen in der Wasserspeicherung verursachen genau solche kleinen Störungen des Gravitationsfeldes. Wenn es in einer bestimmten Region eine große Dürre gibt, ist die Wassermasse dort geringer und die Schwerkraft in dieser Region etwas schwächer. Solche Schwankungen sind so klein, dass sie für den Menschen nicht wahrnehmbar sind. Aber mit Satellitenmessungen sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Lage, grössere Veränderungen in der Wassermasse mit einer Genauigkeit von etwa vier Zentimetern überall auf dem Planeten abzuschätzen.

Diese Karte zeigt Anomalien in der Wasserspeicherung
Diese Karte zeigt Anomalien in der Wasserspeicherung, die aus Störungen des Gravitationsfeldes der Erde geschätzt werden. Das Jahr 2015 war im Durchschnitt besonders trocken, mit intensiven Dürren in Südamerika, Südafrika und Osteuropa. (Daten: NASA-GSFC; Bild: ETH Zürich/Vincent Humphrey).

Schnellerer Anstieg in trockenen Jahren

Dank dieser neuen Satellitenbeobachtungen konnten Humphrey und seine Kolleginnen und Kollegen den globalen Einfluss von Dürren auf die Nettokohlenstoffaufnahme der Ökosysteme messen. Sie verglichen die jährlichen Veränderungen der Gesamtwassermasse über alle Kontinente mit den globalen Messungen des CO2-Anstiegs in der Atmosphäre. In den trockensten Jahren, wie z.B. im Jahr 2015, haben Ökosysteme etwa 30% weniger Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernt als in einem normalen Jahr. Dadurch stieg 2015 die CO2-Konzentration in der Atmosphäre, im Vergleich zu normalen Jahren, schneller an. Im feuchtesten Jahr 2011 war das Gegenteil der Fall. Dank einer gesunden Vegetation verlief der Anstieg der CO2-Konzentration deutlich langsamer. Diese Ergebnisse helfen zu verstehen, warum das atmosphärische CO2-Wachstum von Jahr zu Jahr stark schwankt, obwohl die CO2-Emissionen durch menschliche Aktivitäten im Vergleich dazu recht beständig sind.

Entscheidend bei der Überwachung von Emissionen

Im letzten Jahrhundert ist die CO2-Konzentration in der Atmosphäre aufgrund menschlicher Aktivitäten stetig gestiegen. «Jetzt, da sich die meisten Länder der Welt darauf geeinigt haben, die CO2-Emissionen zu begrenzen, stehen wir vor der Herausforderung, die menschlichen CO2-Emissionen mit einer höheren Genauigkeit als je zuvor zu überwachen», sagt Vincent Humphrey. Um die Auswirkungen der Klimapolitik genau beurteilen zu können, müssen die Forscher zunächst Vegetationsmodelle entwickeln, die die jährlichen Störungen durch natürliche Ökosysteme quantifizieren und vorhersagen können. «Unsere neuen Ergebnisse beweisen, dass die Auswirkungen von Dürren stärker sind als bisher von Vegetationsmodellen geschätzt», betont Sonia Seneviratne. Die Beobachtungen müssen deshalb in die nächste Modellgeneration integriert werden. Diese angepassten Modelle könnten helfen, CO2-Emissionen genauer zu bestimmen und dadurch auch besser zu überprüfen, ob die in internationalen Klimaabkommen festgelegten Emissionsziele erreicht werden.

Literaturhinweis

Humphrey V, Zscheischler J, Ciais P, Gudmundsson L, Sitch S, Seneviratne SI: Sensitivity of atmospheric CO2 growth rate to observed changes in terrestrial water storage. Nature, 30. August 2018. doi: 10.1038/s41586-018-0424-4  

Quelle: ETH Zürich