Ökosysteme im Klimawandel

Robuster durch Muster

Von Hans Christoph Böhringer
28.10.2021
, 14:12
Trockene Erde in der Sahelzone, Senegal. Die gepflanzten Bäume sollen die Wüstenbildung verlangsamen.
Unter welchen Umständen ein Ökosystem in einen anderen Zustand kippen könnte, ist eine brisante Forschungsfrage. Hat man die Rolle von Mustern in der Vegetation dabei unterschätzt?
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Der Teufel steckt im Detail, oder, wie es der Physiker Wolfgang Pauli gesagt haben soll: Gott schuf das Volumen, der Teufel die Oberfläche. Auch die Modellierung von Erdsystemen wie dem Grönland-Eisschild wird komplizierter, wenn man die Systeme in räumlicher Ausdehnung betrachtet: mit spezifischer Geografie, Wärmetransport, Wasserströmung. Für die Autoren einer im Journal Science erschienenen Veröffentlichung sind diese räumlichen Effekte entscheidend für die Frage, ob ein System vor einem Kipppunkt steht. Die Forscher entwickeln diese Überlegung zwar anhand von Savannensystemen, vermuten aber, dass die Gültigkeit sich über viele Erdsysteme erstreckt, wo bisher Kipppunkte vermutet werden.

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Die Idee der Kipp-Elemente im Kontext des Klimawandels geht zurück auf den Physiker Hans Joachim Schellnhuber. Inzwischen erforscht man mit komplexen Modellen für verschiedene Erdsysteme, bei welchem globalen Temperaturanstieg ein Kipppunkt erreicht sein könnte. Zum Beispiel, bei welcher Erderwärmung der Grönland-Eisschild selbstverstärkt abschmilzt oder unter welchen Bedingungen der Golfstrom kollabieren könnte.

Räumliche Muster, etwa kahle Stellen in der Vegetation, wurden oft als Indikatoren eines bevorstehenden Kipppunkts gedeutet. Im Gegenteil, sagen die Science-Autoren. Die Formation von Flecken und Streifen mache ein System stabiler. Statt plötzlich von einem Zustand in den anderen zu wechseln, könne das System in einem Zwischenzustand existieren, also in einem Mischmuster von zwei Zuständen, beispielsweise von Wüste und Savanne. So könne das System widerstandsfähiger sein als angenommen, auch im Klimawandel.

Das Science-Paper betrachtet ein einfaches Modell für Kippverhalten, das sogenannte Bistabilität zeigt. Unter bestimmten äußeren Bedingungen können zwei unterschiedliche Zustände des Systems stabil sein, sie sind gewissermaßen beide im Angebot. Eine tropische Region könnte beispielsweise bei gleichem Niederschlag und gleicher Temperatur entweder als Savanne mit Bewuchs existieren – oder eben als Wüste.

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Musterbildung als Zeichen von Stabilität

Entscheidend ist die Vorgeschichte. Klimaänderungen können dann dazu führen, dass so ein System von einem Zustand in den anderen kippt. Beispiel Sahara: Vor gut 5500 Jahren ist die Vegetation dort verdorrt. Modellsimulationen zeigen, dass der anthropogene Klimawandel wieder Teile der Sahara ergrünen lassen könnte. Diesem Kippverhalten liegen Rückkopplungen zugrunde. Pflanzen speichern Wasser und verbessern das Eindringen des Wassers in den Boden. Wenn der Niederschlag abnimmt, wachsen weniger Pflanzen, wodurch weniger Wasser gespeichert wird. So kann es zu selbstverstärkten Änderungen kommen.

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Die Rückkopplung hat aber auch eine räumliche Abhängigkeit. Vegetation speichert zwar Wasser, zieht es aber aus der nahen Umgebung, dadurch fehlt das Wasser dort. Wenn man die Skalenabhängigkeit der Rückkopplungen berücksichtige, so die Science-Autoren, zeige sich, dass verschiedene Zustände nebeneinander existieren können. In der Übergangszone von Savannen zum Regenwald treten diese Muster auf in Form von fingerartigen Ausläufern der Bewaldung oder als ein Labyrinth aus Bäumen.

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„Wir müssen noch mal zurück auf Anfang“, sagt Hauptautor Max Rietkerk von der Universität Utrecht, „wir müssen herausfinden, welche Systeme durch einen Kipppunkt gefährdet sind und welche nicht.“ Der Utrechter Ökologe sieht Musterbildung generell als ein Zeichen von Stabilität und glaubt, dass diese Betrachtung prinzipiell auch für Systeme wie Eisschilde und Gletscher gültig sei. Die Frage sei offen, wo die Theorie der Musterbildung eine Rolle spiele und wo die Theorie des Kippverhaltens zutreffe. Der Klimaforscher Schellnhuber hingegen sieht zwar die Relevanz von Mischmustern für manche Ökosysteme, verallgemeinern könne man das allerdings nicht.

Quelle: F.A.Z.
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