In der Arktis ist der Klimawandel besonders intensiv. Um die Folgen abzuschätzen und festzustellen, welche Rolle diese Region bei der globalen Erwärmung spielt, haben sich zwei Teams von Wissenschaftlern der EPFL in die Arktis begeben. Das eine, um die Zusammensetzung der Luft in der Region besser zu verstehen, das andere, um die Treibhausgase zu quantifizieren, die in den von Gletscherwasser gespeisten Fjorden gebunden werden.
In der Arktis steigen die Temperaturen drei- bis viermal so schnell wie anderswo auf der Erde. In diesem Zusammenhang vermehrt sich das "Leben" im Arktischen Ozean und verändert die Produktion von biologischen Aerosolen, die in die Luft aufsteigen. Diese haben wiederum einen Einfluss auf die Wolkenbildung, ein wesentlicher Prozess, den das Team um Julia Schmale, Leiterin des Laboratoire de recherches en environnements extrêmes (EERL) an der EPFL, zu quantifizieren versucht. Denn eine Zunahme der Wolken könnte die Arktis erwärmen oder abkühlen, je nachdem, wie weit sich das auf dem Meer gebildete Eis ausdehnt.
"Wir wissen, dass die Wolken in der Arktis hauptsächlich aus Wassertröpfchen und Eiskristallen bestehen, aber wir wissen noch nicht, wie sie genau zusammengesetzt sind und wie sie entstehen", erklärt Julia Schmale. Sie nennt einige offene Fragen: "Was enthalten zum Beispiel die Samen dieser Eiströpfchen und -kristalle? Ist es Meersalz? Organische oder anorganische Partikel? Mineralischer Staub? Und vor allem: Stammen die Samen aus natürlichen Quellen oder sind sie durch menschliche Aktivitäten entstanden?"
Eine Antwort
Zwei wissenschaftliche Publikationen, die von seinem Labor mitverfasst und vor kurzem veröffentlicht wurden, liefern erste Antworten auf dieses spezielle und strategische Thema. Die Studien konzentrieren sich speziell auf natürlich vorkommende Aerosolpartikel, die potenziell die Wolkenbildung ermöglichen. Die erste, die in der Zeitschrift Elementa veröffentlicht wurde, quantifiziert auf neuartige Weise biologische Aerosole, die in der arktischen Luft enthalten sind. Bei diesen Aerosolen handelt es sich hauptsächlich um Bakterien und aminosäurehaltige Partikel aus dem Ozean oder vom Land. Diese Partikel sind sehr effektiv bei der Bildung von Eiskristallen in den Wolken, da diese bereits bei -9°C auftreten, während beispielsweise Mineralstaub erst ab -20°C Eis bildet.
Die Studie basiert auf einer Datenerhebung, die über ein ganzes Jahr (zwischen 2019 und 2020) an Bord eines Eisbrechers im Rahmen der MOSAIC-Expedition durchgeführt wurde. "Wir haben ein Laserinstrument verwendet, um Sekunde für Sekunde die Fluoreszenz von Luftpartikeln zu messen. Diese fluoreszierenden Partikel sind in der Regel biologischen Ursprungs", erklärt Julia Schmale. Anhand dieser Daten konnten wir die Konzentration natürlicher biologischer Aerosole in der Luft abschätzen und Hypothesen über ihren Ursprung aufstellen.
Diese Partikel werden sich in den nächsten Jahrzehnten wahrscheinlich drastisch verändern. Daher sind weitere Forschungen dringend erforderlich, um zu verstehen, wie die Arktis in Zukunft aussehen wird.
Julia Schmale
Im Winter zum Beispiel beobachteten die Wissenschaftler "Explosionen" dieser Aerosole, was überraschend ist, da der Ozean in dieser Zeit gefroren ist und die biologische Aktivität fast auf Null reduziert ist. Ihrer Meinung nach könnten diese Aerosole aus weit entfernten Gebieten transportiert worden sein. Ab Juni beginnt die Konzentration der biologischen Aerosole dramatisch anzusteigen, was mit den hohen Chlorophyllwerten im Wasser zusammenfällt. Gleichzeitig stellen die Wissenschaftler fest, dass die Eispartikel, die bei -9°C gefrieren, ab diesem Zeitpunkt ebenfalls stark ansteigen. Auch wenn kein direkter kausaler Zusammenhang festgestellt werden konnte, ist dies ein klarer Hinweis darauf, dass biologische Partikel lokalen Ursprungs zur Bildung von Wolken mit Eiskern in der zentralen Arktis beitragen. Ähnliche Prozesse wurden das ganze Jahr über beobachtet: "Interessanterweise nimmt die Größe der fluoreszierenden Aerosole ab, während die Chlorophyllproduktion im Herbst abnimmt und die größeren Mikroben im Meerwasser durch kleinere ersetzt werden. Dies zeigt einen jahreszeitlich bedingten mikrobiellen Übergang in der Atmosphäre", erklärt die Forscherin.
Die Zukunft vorhersagen
Der zweite Artikel, der in Climate and Atmospheric Science, veröffentlicht wurde, ist eine maschinelle Lernanalyse der Vergangenheit. Genauer gesagt, von Aerosolbeobachtungen und Wetterdaten der letzten zehn Jahre. Es ist die erste Studie, die zeigt, welche Wetterfaktoren in der Arktis für die Produktion eines wichtigen marinen Aerosols namens Methansulfonsäure verantwortlich sind, das durch die Vermehrung des Phytoplanktons im Ozean entsteht. Es ist auch die erste Studie, die zeigt, wie sich diese Säure in den nächsten 50 Jahren entwickeln wird. Methansulfonsäure ist eine Schlüsselzutat für die Samenbildung der Tröpfchen in den Wolken. Die Vorhersage ihrer Menge ist daher entscheidend, um die Zukunft des arktischen Klimas vorherzusagen.
Die Wissenschaftler des EERL-Labors arbeiteten mit dem Swiss Data Science Center zusammen, um die Feldbeobachtungen mit Daten über die Flugbahnen der Luftmassen und vergangene Wetterbedingungen zu kombinieren. Das auf diesen Daten basierende neue Modell wurde dann verwendet, um die Faktoren zu verstehen, die derzeit für die Produktion von Methansulfonaerosolen verantwortlich sind. Insbesondere die Sonneneinstrahlung, die Wolkenbedeckung und der Wassergehalt der Wolken erwiesen sich als wesentlich, was auf spezifische atmosphärische chemische Prozesse hindeutet.
Die Wissenschaftler berechneten dann die Trends dieser Faktoren während des letzten Jahrzehnts und extrapolierten sie für die Zukunft, um das Vorkommen von Methansulfonsäure im Laufe der Jahreszeiten in der Arktis zu quantifizieren. "Das Hauptergebnis ist, dass es im Frühjahr relativ weniger Methansulfonsäure und im Herbst deutlich mehr geben wird. Dies hängt mit den jahreszeitlichen Veränderungen der Niederschläge im Frühjahr und dem abrupten Rückgang des Meereises im Herbst zusammen", erklärt Julia Schmale. Dieses Ergebnis bedeutet, dass der Klimawandel die Aerosole beeinflusst, die einen Einfluss auf die Wolkenbildung haben. Diese wiederum beeinflussen den Klimawandel ...
Sammlungen das ganze Jahr über
"Die Fortschritte dieser beiden Studien sind faszinierend, denn sie zeigen, wie wichtig natürlich vorkommende Aerosolpartikel für das arktische Klimasystem sind", schließt Julia Schmale. "Nun sehen wir aber, dass sich diese Partikel in den nächsten Jahrzehnten wahrscheinlich drastisch verändern werden. Daher sind weitere Forschungsarbeiten dringend erforderlich, um zu verstehen, wie die Arktis in Zukunft aussehen wird. Schließlich werden uns diese Ergebnisse dabei helfen, die richtigen Fragen zu stellen, um zukünftige Expeditionen vor Ort auszurichten." Um ihre Forschungen fortzusetzen, planen die Expertinnen und Experten für extreme Lebensräume für 2026 eine weitere internationale Expedition in die Arktis. Im Hafen von Cherbourg wird die "Tara Polar Station" gebaut, ein Laborschiff, das in den nächsten 20 Jahren das ganze Jahr über atmosphärische Daten sammeln soll.
Im Juni 2024 durchwanderte ein weiteres Team von Wissenschaftlern zwei völlig unberührte Fjorde in Grönland. Ihr Ziel war es, die Menge an Treibhausgasen auf dem Grund dieser Meeresarme zu messen, die von jahrhundertealten Gletschern gespeist werden. Insbesondere wollen sie herausfinden, ob diese Gase die globale Erwärmung über einen noch unbekannten natürlichen Rückkopplungsmechanismus verstärken könnten. Das Projekt ist Teil der internationalen Expedition "GreenFjord", die von 2022 bis 2026 geplant ist, vom Swiss Polar Institute finanziert wird und unter der wissenschaftlichen Leitung von Julia Schmale steht.
"Wir bringen unsere technische Expertise nach Grönland, entwerfen Ad-hoc-Instrumente zur Analyse der in der aquatischen Umwelt gelösten Treibhausgase und dokumentieren ihre räumliche Variabilität. Unser Ziel ist es, grundlegende Fragen über die Rolle Grönlands in der Zukunft des globalen Klimawandels zu beantworten", erklärt Jérôme Chappellaz, Leiter des Labors für intelligente Sensoren für extreme Umgebungen (SENSE) .
Während früherer Zwischeneiszeiten, als Grönland teilweise eisfrei war, könnte die so entdeckte Region boreale Wälder und Tundren beherbergt haben , die dafür bekannt sind, Böden zu erzeugen, die reich an organischer Substanz sind. Wenn diese organisch reichen Böden zerfallen, setzen sie Kohlendioxid und Methan frei. Dies ist einer der Gründe, warum Wissenschaftler so sehr daran interessiert sind, wie viel Grönland zu den globalen Emissionen beiträgt. Dies ist bei den Alpengletschern nicht der Fall. "Es ist sehr unwahrscheinlich, dass wir mit den Schweizer Gletschern das gleiche Phänomen erleben, da sie sich in sehr hohen Lagen gebildet haben, wo es praktisch keine Vegetation gibt", erklärt Jérôme Chappellaz.
Auswirkungen auf die Mikrobiologie
Fjorde sind schmale, tiefe Meeresarme, die von hohen Klippen umschlossen werden und typischerweise durch die Überflutung eines Gletschertals entstehen. Jérôme Chappellaz und sein Team entwickelten hochmoderne Instrumente, die speziell für die Messung von gelöstem Methan (CH4) und Lachgas (N2O) in unterschiedlichen Tiefen in zwei Fjorden im Südwesten Grönlands in bis zu 700 Metern Tiefe bestimmt sind.
Der erste Fjord wird von einem Gletscher gespeist, der im Meer endet, und besteht aus den Fjorden Ikersuaq, Brederfjord und Sermilik. Das Gletscherwasser gelangt von unterhalb des Gletschers, der auf dem Fjord schwimmt, zu ihm und fließt dann in die Labradorsee, wo es allmählich eine Schicht auf der Oberfläche des Meerwassers bildet. Im Gegensatz dazu wird der Tunulliarfik-Fjord, der von der 1783 gegründeten Igaliku-Siedlung bewohnt wird, von einem Gletscher gespeist, der auf dem Festland endet; das geschmolzene Gletscherwasser dringt an seinem Ende in die Wasseroberfläche des Fjords ein.
"Die unterschiedlichen Eigenschaften dieser beiden Konfigurationen führen zu erheblichen Unterschieden in der physikalischen Struktur der Wassersäule sowie in der Nährstoffzufuhr. Diese beiden Parameter wirken sich auf die Mikrobiologie dieser beiden Fjorde aus und letztlich auch auf den Verbleib der beiden Treibhausgase. Das wollen wir vergleichen und quantifizieren", erklärt Jérôme Chappellaz.
In einer Situation, in der die grönländische Eiskappe zerfällt, bleibt die Frage offen, ob solche Mechanismen eine weitere, unerwartete Quelle für Treibhausgasemissionen zusätzlich zu den vom Menschen verursachten hinzufügen können .
Jérôme Chappellaz
Eine unerwartete Quelle von Treibhausgasen?
Der Forscher und sein Team besuchten beide Fjorde - den, dessen Gletscher im Meer endet, und den, der auf dem Festland endet - an Bord des ozeanographischen Schiffes Sanna. An Bord des Schweizer Segelschiffs Le Forel widmeten sie sich dem ersten. Die Wissenschaftler konnten der Gletscherfront, die im Meer liegt, nahe genug kommen, um die Menge an Methan zu messen und, wie sie hoffen, zu charakterisieren, die durch das subglaziale Wassersystem in den Fjord gelangt.
In einem Artikel aus dem Jahr 1995 zeigte Jérôme Chappellaz, dass die Böden Grönlands eine große Menge an Treibhausgasen produzieren, aber auch, dass große Konzentrationen von Kohlendioxid (CO2) und Methan im Basaleis im Herzen des grönländischen Eisschildes gespeichert sind. "Wie viel von diesen Treibhausgasen wird freigesetzt, wenn das Gletscherwasser schmilzt? Das ist die Frage, die sich natürlich aufdrängt. Wie viel davon gelangt an die Küste und trägt potenziell zu den großen Flüssen bei, die in die Atmosphäre gelangen? In einer Situation, in der sich der grönländische Eisschild auflöst, bleibt die Frage offen, ob solche Mechanismen eine weitere, unerwartete Quelle von Treibhausgasemissionen zusätzlich zu den vom Menschen verursachten hinzufügen können", erklärt der Forscher.
Die Zukunft des Klimawandels hängt von zwei wichtigen Beiträgen ab: einerseits von den Emissionen durch menschliche Aktivitäten und andererseits von der Verstärkung durch natürliche Quellen in einer Welt mit höheren Temperaturen. Mit anderen Worten, was und wie schnell die menschliche Gesellschaft an Treibhausgasemissionen hinzufügt und an welchem Punkt die Verstärkung auf einem wärmeren Planeten durch natürliche Rückkopplung einsetzt. "Unsere Arbeit in Grönland erforscht mögliche natürliche Rückkopplungsmechanismen. Sie bietet einen Einblick in dringende grundlagenwissenschaftliche Fragen über die Zukunft unseres Klimas, in einem Kontext, in dem es noch viele Unsicherheiten und unbekannte Prozesse gibt", erklärt Jérôme Chappellaz.
"GreenFjord" und der Klimawandel
Greenford ist ein auf vier Jahre angelegtes Forschungsprogramm, das im März 2022 begann. Es soll untersuchen, wie sich der Klimawandel auf die Ökosysteme in Südgrönland auswirkt und welche Folgen dies für die biologische Vielfalt und die Lebensgrundlagen der Menschen hat.
Gemeinsame Expedition
Im vergangenen Juni nahm das Schweizer Segelschiff Forel die EPFL-Wissenschaftler Julia Schmale, Koordinatorin von Greenfjord, Minhea Surdu vom EERL, die atmosphärische Aerosole untersucht, sowie Jérôme Chappellaz, Sébastien Lavanchy und Christel Hassler vom SENSE-Labor an Bord, die sich mit den Treibhausgasen in den beiden Fjorden sowie mit den physikalischen und chemischen Strukturen ihres Wassers befassten. An Bord des EPFL-Schiffs Sana befanden sich auch Minhea Surdu von der EERL, die ihre Arbeit über atmosphärische Aerosole fortsetzte, sowie Christel Hassler und Sébastien Lavanchy von SENSE. Die EERL und das SENSE sind Teil des Forschungszentrums ALPOLE der EPFL.
Julia Schmale ist Inhaberin des von Ferring Pharmaceuticals gesponserten Ingvar-Kamprad-Lehrstuhls für extreme Umgebungen.
Jérôme Chappellaz ist Inhaber des Ferring Pharmaceuticals Margaretha Kamprad Lehrstuhls für Umweltwissenschaften .
Referenzen
Jakob Boyd Pernov, Eliza Harris, Michele Volpi, Tamara Baumgartner, Benjamin Hohermuth, Stephan Henne, William H. Aeberhard, Silvia Becagli, Patricia K. Quinn, Rita Traversi, Lucia M. Upchurch, and Julia Schmale, "Pan-Arctic methanesulfonic acid aerosol: source regions, atmospheric drivers, and future projections", Climate and Atmospheric Science, 13 July 2024. https://doi.org/10.1038/s41612’024 -00712-3
Ivo Beck, Alireza Moallemi, Benjamin Heutte, Jakob Boyd Pernov, Nora Bergner, Margarida Rolo, Lauriane L. J. Quéléver, Tiia Laurila, Matthew Boyer, Tuija Jokinen, Hélène Angot, Clara J. M. Hoppe, Oliver Müller, Jessie Creamean, Markus M. Frey, Gabriel Freitas, Julika Zinke, Matt Salter, Paul Zieger, Jessica A. Mirrielees, Hailey E. Kempf, Andrew P. Ault, Kerri A. Pratt, Martin Gysel-Beer, Silvia Henning, Christian Tatzelt, and Julia Schmale, "Characteristics and sources of fluorescent aerosols in the central Arctic Ocean," Elementa, 30 May 2024. https://doi.org/10.1525/elementa.2023.00125
