Pflanzen nehmen Kohlenstoff aus der Atmosphäre auf – aber es ist gar nicht so einfach, die weltweite Menge abzuschätzen. Sophia Walther erklärt, wie Klimaforschende intelligente Computeralgorithmen mit Messungen und Satellitendaten kombinieren, um ein besseres Bild zu erhalten.
Ein Editorial von Dr. Sophia Walther, Max-Planck-Institut für Biogeochemie
Wie wirkt sich unser persönlicher CO2-Fußabdruck eigentlich auf die Atmosphäre aus? Ist er im Winter am größten, wenn die Wohnung geheizt wird und Wege vielleicht lieber mit dem Auto zurückgelegt werden? Oder verursachen wir mehr Emissionen im Sommer, wenn wir zwar häufig Fahrrad fahren, aber dafür die Klimaanlage benutzen und einen Flug in den Urlaub buchen? Darauf eine Antwort zu finden ist komplex. Denn wir dürfen einen Fakt nicht außer Acht lassen: Nicht die ganze emittierte Menge CO2 bleibt in der Atmosphäre.
Wissenschaftliche Studien zeigen, dass nur ein Teil der global vom Menschen verursachten Emissionen in der Atmosphäre gespeichert wird. Denn sowohl Lebewesen im Ozean als auch Pflanzen auf der Erdoberfläche nehmen CO2 aus der Luft auf, um zu leben und zu wachsen – was kurz als Photosynthese bekannt ist. Tatsächlich wirkt die gesamte Biosphäre, das sind alle Pflanzen und Organismen im Boden, dabei mit, der Atmosphäre Kohlenstoff zu entziehen – und damit unseren CO2-Fußabdruck zu reduzieren. Durch diesen natürlichen Effekt gelangt schätzungsweise die Menge Kohlenstoff aus der Atmosphäre in die Landoberfläche, die etwa einem Drittel der gesamten anthropogenen Emissionen entspricht.
Aber Pflanzen sind noch in weiterer Hinsicht essenziell: Sie versorgen uns mit Kleidung, Nahrung, Möbeln, Wohnraum, Heizmaterial und bieten einen hohen Erholungswert, zum Beispiel, wenn wir durch den grünen Wald spazieren. Wir Menschen verändern unsere Tätigkeiten und unser Verhalten und die damit einhergehende Kohlenstoffabgabe sowohl mit den Jahreszeiten als auch abhängig von den aktuellen Wetterbedingungen. Genauso unterliegt auch die CO2-Aufnahme durch die Landoberfläche jahreszeitlichen Variationen und die Aktivität der Pflanzen wird von meteorologischen Bedingungen beeinflusst, wie etwa Kälteeinbrüchen oder Trockenperioden.
Um also zu verstehen, wie die gemessenen Kohlenstoffkonzentrationen in der Atmosphäre zustande kommen, müssen wir verstehen, wann, wo und wie viel CO2 die Pflanzen aus der Atmosphäre aufnehmen. Das Problem hierbei ist, dass wir diesen natürlichen CO2-Austausch nur in kleinen Gebieten messen können. „Klein“ entspricht hier einer Fläche etwa so groß wie ein gewöhnlicher Park in der Nachbarschaft. Wir können diese Art von Messungen an verschiedenen Orten weltweit durchführen, aber jede dieser Beobachtungen ist räumlich stark begrenzt. Direkte Messungen der CO2-Aufnahme einer ganzen Stadt, geschweige denn für einen ganzen Kontinent oder weitläufige Gebiete wie die sibirische Taiga, sind nicht möglich. Die Herausforderung besteht also darin, indirekte Wege zu datenbasierten Antworten zu finden. Künstliche Intelligenz ist ein solcher Weg. Denn Computer können gut von Daten lernen, wenn man ihnen nur viele und relevante Daten gibt. Ein gutes Beispiel dafür sind clevere Algorithmen, die sogar Spracherkennung ermöglichen und für viele Smartphonenutzerinnen und -nutzer nützliche Helfer im Alltag sind.
Genauso können Algorithmen lernen, wie der Stoffwechsel von Pflanzen unter verschiedenen Wetter- und Wachstumsbedingungen beeinflusst wird. Die Computeralgorithmen nutzen dazu die Daten, die von den vielen kleinen Messpunkten im Park in der Nachbarschaft oder in der Taiga stammen. Sobald der Computer also genügend Informationen hat um bestimmte Muster zu lernen, kann er uns helfen abzuschätzen, wie viel Kohlenstoff durch die Pflanzen aus der Atmosphäre aufgenommen wird – auch an solchen Orten, an denen direkte Messungen nicht möglich sind. Dafür werden jedoch noch weitere Informationen benötigt, zum Beispiel wie warm es ist, ob es sich um einen klaren oder bewölkten Tag handelt, und welche Art von Vegetation an einem bestimmten Ort wächst. Hier können Satellitenbeobachtungen Auskunft geben. Sie werden weltweit gewonnen und liefern Messwerte auch in großen und abgelegenen Gebieten wie der sibirischen Taiga oder dem Amazonasregenwald. Intelligente Algorithmen, die Punktmessungen mit Satellitendaten kombinieren, ergeben also ein Rezept für clevere Schätzungen der Menge an CO2, die weltweit auf natürliche Art und Weise zwischen der Landoberfläche und der Atmosphäre ausgetauscht wird.
Bei unserer täglichen wissenschaftlichen Arbeit versuchen meine Kolleginnen, Kollegen und ich, diese Schätzungen zu verbessern, indem wir testen, welche Informationen wirklich relevant sind, damit der Algorithmus effektiv dazulernt. Ist es entscheidend, wie warm es an einem bestimmten Tag oder wie feucht die Erdoberfläche ist? Würden die Simulationen besser werden, wenn wir auch Informationen über die Bodenfeuchte in tieferen Schichten hätten? Wie groß ist der Einfluss der Temperatur von gestern, von vergangener Woche, vom vergangenen Winter? Spielt das Alter der Bäume in der Taiga auch eine Rolle und wenn ja, welche? Und wie verlässlich sind die Schätzungen? Wenn wir den Algorithmus mit falschen Daten füttern, werden auch die Simulationsergebnisse ungenau. Die Frage ist, wie exakt bekannt müssen die Messwerte und Angaben sein, die in den Algorithmus eingespeist werden, damit die Schätzungen der CO2-Aufnahme durch die Pflanzen so genau wie möglich werden.
Unsere Arbeit trägt somit grundlegend dazu bei, die natürlichen und menschgemachten Anteile an den gemessenen atmosphärischen CO2-Konzentrationen zu bestimmen – inklusive unseres persönlichen CO2-Fußabdrucks - und damit zu untersuchen, welch wichtige Rolle die Biosphäre hinsichtlich des Klimawandels spielt. Deren CO2-Aufnahme resultiert aus komplexen Wechselwirkungen zwischen biologischen Prozessen in der Pflanze und im Boden mit unseren anthropogenen Aktivitäten. Die Balance zwischen beiden wird jedoch gestört. Entwaldung und Degradation natürlicher Flächen durch den Menschen schwächen etwa die Kompensation der anthropogenen CO2-Emissionen durch die Biosphäre – mit Nachteilen für uns.
Dieser Text entstand während eines Workshops der DKK-Geschäftsführerin Marie-Luise Beck für Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Biogeochemie zum Thema Klimakommunikation.
Bildnachweis: Sophia Walther
Zurück
