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Wind beeinflusst CO₂-Aufnahme und Wasserverlust von Ökosystemen
Wenn Wind über Wälder, Wiesen oder Felder streicht, beeinflusst er nicht nur die Verdunstung. Eine weltweite Auswertung von Messdaten zeigt, dass mit zunehmender Windgeschwindigkeit das Verhältnis zwischen aufgenommenem Kohlenstoff und abgegebenem Wasser meist sinkt. Der Effekt könnte auch künftige Prognosen zur Reaktion der Vegetation auf den Klimawandel verändern.
Peking (China). Pflanzen nehmen durch Öffnungen an ihren Blättern CO₂ aus der Luft auf. Zugleich entweicht dort Wasserdampf, und auch Böden geben Wasser an die Atmosphäre ab. Wie viel Kohlenstoff ein Ökosystem im Verhältnis zu diesen Verlusten aufnehmen kann, ist eine wichtige Größe für die Beurteilung seiner Reaktion auf Trockenheit und Klimawandel.
Diese Wassernutzungseffizienz hängt unter anderem von Temperatur, Niederschlag, Sonneneinstrahlung und der Trockenheit der Umgebungsluft ab. Die Rolle des Windes blieb dagegen im globalen Vergleich weniger klar. Dabei bestimmt die Bewegung der Luft mit, wie schnell Feuchtigkeit von Blättern und Boden abtransportiert wird.
Forscher des Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research (IGSNRR) um Prof. Zheng Fu haben deshalb weltweite Messreihen zum Austausch von Kohlenstoff und Wasser zwischen Vegetation und Atmosphäre ausgewertet. Zusätzlich nutzten sie Simulationen von Erdsystemmodellen, um die Bedeutung der Windgeschwindigkeit unter veränderten Klimabedingungen zu untersuchen. Die Beobachtungsdaten umfassten Wälder, Grasland, Ackerflächen und weitere Lebensräume.
Bei knapp 80 Prozent der untersuchten Standorte ging stärkerer Wind mit einer geringeren Wassernutzungseffizienz einher. Dieser Zusammenhang bestand auch dann, wenn die Wissenschaftler andere Einflussgrößen wie Temperatur, Niederschlag, Strahlung, Lufttrockenheit und CO₂-Gehalt berücksichtigten. Im Vergleich der standardisierten Reaktionen fiel die Veränderung der Wassernutzungseffizienz in Abhängigkeit vom Wind im Median größer aus als bei den übrigen untersuchten Umweltfaktoren.
Die Messwerte stammen aus Stationen, die den Austausch von Gasen und Wasserdampf zwischen der Landoberfläche und der Atmosphäre erfassen. Dafür wird die sogenannte Eddy-Kovarianz-Methode genutzt, bei der rasche Schwankungen der Luftbewegung und der Stoffkonzentrationen miteinander verrechnet werden. So lässt sich die Bilanz der Vegetation auf der Ebene ganzer Ökosysteme untersuchen.
Eine wichtige Erklärung liegt im schnelleren Luftaustausch unmittelbar über Blättern und anderen Oberflächen. Wenn Wind feuchte Luft fortträgt, kann weiterer Wasserdampf leichter in die Atmosphäre gelangen. Die gesamte Wasserabgabe durch Pflanzen und die Verdunstung von Boden und anderen Oberflächen, zusammen als Evapotranspiration bezeichnet, nimmt dadurch zu.
Nach der Auswertung war diese erhöhte Wasserabgabe der wichtigste Grund für das sinkende Verhältnis zwischen Kohlenstoffaufnahme und Wasserverlust. Hinzu kam eine geringere Bruttoprimärproduktion, also eine niedrigere gesamte Kohlenstoffaufnahme durch Photosynthese, doch dieser Beitrag fiel schwächer ins Gewicht. Besonders empfindlich reagierten immergrüne Nadelwälder und Ökosysteme in feuchten Regionen.
Die Studienergebnisse deuten zudem darauf hin, dass stärkerer Wind den Austausch zwischen Vegetation und Atmosphäre intensiviert und so den Transport von Wasserdampf erleichtert. Dies betrifft die sogenannte aerodynamische Leitfähigkeit, ein Maß dafür, wie leicht Stoffe zwischen Pflanzenbestand und Atmosphäre ausgetauscht werden. Wind ist damit mehr als eine Begleiterscheinung der übrigen Wetterbedingungen.
Die Forscher haben ihre Beobachtungsergebnisse mit Simulationen von Erdsystemmodellen verglichen. Auch die Modelle bildeten den Zusammenhang ab, dass die Wassernutzungseffizienz bei stärkerem Wind im Allgemeinen sinkt. Für die Zukunft deuteten die Berechnungen darauf hin, dass Veränderungen der Windgeschwindigkeit die Entwicklung dieses Verhältnisses wesentlich mitbestimmen könnten.