Erde speichert mehr Wärme als bisher gedacht
Überschüssige Wärme, die durch den Klimawandel nicht entweichen kann, wird in Ozeanen und an Land gespeichert. Ein Helmholtz-Forschungsteam hat Verteilung und Menge der zusätzlichen Wärme untersucht. Die Ergebnisse sind ein Warnsignal – mögliche Auswirkungen auf Ökosystemen lassen sich aktuell nur erahnen.
Die Erde heizt sich immer stärker auf. Ein Teil der überschüssigen Wärmeenergie wird im Erdinneren gespeichert.
Foto: panthermedia.net/hecke
Das Prinzip des Klimawandels ist menschengemacht: Treibhausgase wie Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan sammeln sich in der Atmosphäre und erzeugen einen ähnlichen Effekt wie ein Schutzschirm. Sie verhindern, dass überschüssige Wärme ins All abgegeben werden kann. Die Erde muss daher mehr Sonnenstrahlung aufnehmen, als sie über Wärmestrahlung abgegeben kann, weswegen sich die Temperatur sukzessive erhöht.
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Forschende prüfen Verteilung der Wärmeenergie
Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass diese zusätzliche Energie an verschiedenen Orten gespeichert wird: zu 89 Prozent in den Ozeanen. Die Landmasse der Kontinente hat bisher etwa fünf bis sechs Prozent Wärmeenergie eingesammelt, während weitere vier Prozent in Eis und Gletschern eingelagert sind und ein bis zwei Prozent in der Atmosphäre verbleiben. Details sowie die genaue Verteilung der Wärmeenergie an Land waren bislang jedoch nicht bekannt.
Unter der Leitung des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) hat ein internationales Team aus Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen jetzt genauer ermittelt, wie viel Wärme zwischen 1960 und 2020 in den kontinentalen Landmassen gespeichert wurde. Beteiligt waren neben dem UFZ auch Forschende des Alfred-Wegener-Instituts, des Helmholtz-Zentrums für Polar- und Meeresforschung (AWI), der Vrije Universiteit Brussel und weiterer Forschungszentren.
Klimawandel: Menge der gespeicherten Wärmeenergie steigt überproportional
Das Ergebnis zeigt ein überraschend großes Ausmaß: Insgesamt wurden zwischen 1960 und 2020 23,8 x 1021 Joule Wärme aufgenommen. Das entspricht in etwa dem 1.800-fachen Stromverbrauch Deutschlands in der gleichen Zeit – diese Werte beziehen sich nur auf die Landmassen. Dabei wird der größte Teil der Wärme (rund 90 Prozent) in einer Tiefe von bis zu 300 Metern in der Erde gespeichert. Neun Prozent der Energie sammeln sich in der Arktis, was dazu führt, dass die dortigen Permafrostböden auftauen. 0,7 Prozent heizen Binnengewässer wie Seen und Stauseen auf.
„Obwohl die Binnengewässer und Permafrostböden weniger Wärme speichern als die Böden, müssen sie dauerhaft beobachtet werden, denn die zusätzliche Energie sorgt für bedeutsame Veränderungen der Ökosysteme“, sagt Francisco José Cuesta-Valero vom UFZ.
Die Gesamtmenge der von den Landmassen gespeicherten Energie ist sehr hoch. Hinzu kommt, dass sie sich pro Dekade seit den 1960er-Jahren kontinuierlich erhöht hat. Das heißt im Detail: Die Wärmeenergie, die von 2010 bis 2020 in der Erde gespeichert wurde, nahm um das 20-fache zu im Vergleich zu der Speichermenge von 1960 bis 1970.
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Gespeicherte Wärmeenergie beeinflusst Ökosysteme
Für die Berechnung der Wärmemengen in bis zu 300 Meter Tiefe nutzten die Forschenden weltweit mehr als 1.000 Temperaturprofile. Komplizierter sah ihre Arbeit in Bezug auf die Permafrostböden und Binnengewässer aus. Hier setzen sie Modelle ein, um die Werte zu schätzen. Für die Modellierung der Gewässer kombinierten sie beispielsweise globale Seenmodelle, hydrologische Modelle und Erdsystemmodelle. Um die Wärmespeicherung in Permafrostböden abzuschätzen, nutzten sie ein Permafrostmodell, das verschiedene plausible Verteilungen des Bodeneises in der Arktis berücksichtigt.
Die Erkenntnisse des Teams zeigen einerseits, wie dringend Treibhausgase in der Atmosphäre reduziert werden müssen. Andererseits wird durch die detaillierten Berechnungen deutlich, mit welchen Veränderungen zu rechnen ist. Cuesta-Valero, der auch Erstautor der Studie ist, nennt als Beispiel die Permafrostböden: „In Permafrostböden mag die Wärmemenge zwar nur neun Prozent der kontinentalen Wärmespeicherung ausmachen, der Anstieg in den letzten Jahren verstärkt aber durch das Auftauen des Permafrostes die Freisetzung von Treibhausgasen wie Kohlendioxid und Methan.“
Nimmt die gespeicherte Wärmeenergie im Boden weiter zu, steigt die Temperatur der Erdoberfläche und gefährdet damit unter anderem die Stabilität des Kohlenstoffpools im Boden. Das könnte zu einem Problem für Ernten auf landwirtschaftlichen Flächen werden und somit langfristig die Ernährung der Bevölkerung gefährden. Die Auswirkungen auf die komplexen Ökosysteme lassen sich aus Sicht der Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen noch gar nicht abschätzen.
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