Beiträge von Pfaelzer

istorische Quellen und natürliche Umweltarchive lassen vermuten, dass im vergangenen Jahrtausend mehrere Vulkanausbrüche großflächige Wetterextreme hervorriefen, denen vielerorts Missernten und verheerende Hungersnöte folgten. Hochreichende Aschewolken breiteten sich über weite Teile der Atmosphäre aus, absorbierten Sonnenlicht und sorgten so in weiten Teilen der nördlichen Hemisphäre für außergewöhnliche Klimaanomalien mit kalten und verregneten Sommern. Eines der am besten dokumentierten Beispiele ist der Tambora-Ausbruch in Indonesien im Jahr 1815. Ihm folgte in Europa das „Jahr ohne Sommer“, in dem Ernteausfälle Wirtschaftskrisen und Notstände auslösten. Ein solches Ereignis könnte auch die moderne Gesellschaft vor große Herausforderungen stellen.

Um ein besseres Verständnis über die Bandbreite und Häufigkeit von klimawirksamem Vulkanismus zu generieren, hilft der Blick in die Vergangenheit. Bislang geben nur historische Aufzeichnungen und Ascheablagerungen in Eisbohrkernen Aufschluss über die vulkanische Geschichte. Beide Archive haben jedoch Schwächen: Dokumentierte Beobachtungen von Vulkanausbrüchen lassen sich oft schwer hinsichtlich der Größe und Klimarelevanz quantifizieren. Eisbohrkerne hingegen sind oft schwer zu datieren, was die Zuordnung nachfolgender Klimaschwankungen erschwert.

Einer internationalen Forschergruppe um Dr. Lea Schneider (Institut für Geographie an der JLU) ist es gelungen, in Baumringen die „Signaturen“ von Vulkanausbrüchen zu identifizieren und die Geschichte des Vulkanismus unabhängig von historischen Archiven nachzuzeichnen. Das Team hat die Dichte der Jahrringe gemessen und daraus die Temperaturen in der Nordhemisphäre rekonstruiert.

Bemerkenswert an der in der Fachzeitschrift „Environmental Research Letters“ erschienenen Studie ist, dass sie eine Methode aus der Ökonometrie auf erdwissenschaftliche Daten anwendet und damit zu ganz neuen Erkenntnissen kommt. Es konnten 14 Ausbrüche identifiziert werden, in deren Folge die Jahrestemperatur deutlich kühler war, als es durch die normale Variabilität des Klimas zu erklären wäre. Die festgestellte Vulkanaktivität hilft auch, Daten aus anderen Quellen zu validieren. Auffällige Unstimmigkeiten gegenüber Daten aus polaren Ascheablagerungen zeigten sich vor allem in den 1450er und 1690er Jahren.

Obwohl diese Eruptionen wohl zu den größten im vergangenen Jahrtausend zählen, ist ihr Ursprung bisher ungeklärt. Eine präzisere Datierung und räumliche Einordnung aufgrund der Informationen aus den Jahrringen ist hier von großer Bedeutung, um Ursache und Wirkung besser in Einklang zu bringen.

Anhand der neu entwickelten Methode lässt sich auch besser abschätzen, ob Klimamodelle in der Lage sind, vulkanische Abkühlung realistisch wiederzugeben. Im Vergleich zum rekonstruierten Temperaturrückgang scheinen einige Klimamodelle derzeit den Effekt von Vulkanen zu überschätzen. Eine genauere Kenntnis der atmosphärischen Prozesse im Zusammenhang mit Vulkanismus könnte jedoch in einer Anpassung der Klimamodelle resultieren. Somit ließe sich auch die Qualität von zukünftigen Szenarien und Vorhersagen steigern, denn statistisch gesehen könnte der nächste klimarelevante Vulkanausbruch schon in naher Zukunft liegen.

Zwar rechnen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht unbedingt mit lokalen Kälterekorden, gravierende Folgen könnte der Temperaturrückgang eher aufgrund seiner außergewöhnlichen räumlichen Ausdehnung haben: „Wenn die gesamte Nordhalbkugel betroffen wäre, ließen sich zum Beispiel Ernteausfälle, die im Normalfall regional begrenzt bleiben, nur sehr schwer ausgleichen“, betont Dr. Schneider.

Mit mehr als 250 Stundenkilometern fegte an Weihnachten 1999 Orkan Lothar über Europa. Die höchste Windgeschwindigkeit im deutschen Flachland wurde mit immerhin 151 Stundenkilometern in Karlsruhe gemessen. Allein in Deutschland verursachte Lothar Schäden von über einer Milliarde Euro. Zwar gilt er als „Jahrhundertsturm“, weitere schwere Sturmtiefs folgten allerdings bereits. Ihre Vorhersage zu verbessern, ist Ziel von Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Im Winter 2016/2017 beobachten sie die Entstehung von Windböen mit Messinstrumenten auf dem Karlsruher Energieberg.

Die Messkampagne ist Teil des Sonderforschungsbereichs „Waves to Weather“, in dem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus ganz Süddeutschland daran arbeiten, Wettervorhersagen noch genauer und zuverlässiger zu machen. Dabei geht es insbesondere darum, die Verbindung zwischen großräumigen Wellen in den Luftbewegungen und dem lokalen Wetter zu erforschen, um die physikalisch bestmögliche Wetterprognose zu erstellen. Ein Schwerpunkt am Institut für Meteorologie und Klimaforschung des KIT (IMK) sind dabei Spitzenböen, also die stärksten während eines Sturms auftretenden Windstärken, die oft in wenigen Sekunden einen Großteil des Schadens anrichten.

„Winterstürme zählen zu den schlimmsten Naturkatastrophen in Europa, häufig mit Todesopfern und Versicherungsschäden in Milliardenhöhe. Zwar haben sich die Vorhersagen der Zugbahnen und der Stärke von Stürmen in den vergangenen Jahrzehnten deutlich verbessert, sicher und genau vorherzusagen, wann, welches Gebiet wie stark betroffen sein wird, bleibt aber eine große Herausforderung. Für die Warnung der Bevölkerung und zur Abschätzung der Schäden ist diese Information jedoch enorm wichtig“, sagt Sturmforscher Dr. Florian Pantillon vom IMK. Ziel der Forscherinnen und Forscher des KIT ist es daher, das Entstehen und die Bewegung von Böen durch genaue und systematische Beobachtung noch besser zu verstehen. Die Erkenntnisse sollen dann in neue Vorhersagesysteme einfließen.

In der Messkampagne WASTEX (steht für engl. „Wind and Storms Experiment“) erfassen sie mit einer Reichweite von bis zu acht Kilometern vertikale und horizontale Luftbewegungen. Dazu hat das Team des KIT unter der Leitung von Professor Peter Knippertz und Dr. Ulrich Corsmeier am Energieberg im Karlsruher Stadtteil Knielingen ein Doppler-LIDAR aufgebaut (LIDAR steht für engl. Light detection and ranging). Ein LIDAR sendet Laserpulse aus. Anhand des rückgestreuten Signals lassen sich durch den Doppler-Effekt – der auf der Frequenzverschiebung des gestreuten Lichts an bewegten Objekten beruht – Informationen über den Wind ableiten. „Wir können damit Windgeschwindigkeiten räumlich bis auf 70 Meter und zeitlich bis auf 0,1 Sekunde genau erfassen“, erläutert Projektwissenschaftlerin Dr. Bianca Adler vom IMK. Nähert sich ein Sturm, lässt sich das Gerät per Fernsteuerung einschalten.

Langfristig geht es im gesamten Sonderforschungsbereich/Transregio „Waves to Weather“ darum, den „Unsicherheitsfaktor“ bei der Vorhersage durch genauere Daten und die Kombination verschiedener Beobachtungs- und Modellierungsmethoden weiter zu reduzieren. Dazu arbeiten Wissenschaftler des KIT, der Ludwig-Maximilians-Universität München als Koordinator, der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz, der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, der Technischen Universität München und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt überregional zusammen.

Bochum (idw) - Eine neue Forschergruppe untersucht, wie extreme Hochwasser entstehen und wie sich ihr Risiko besser voraussagen lässt. Sprecher der Gruppe ist Prof. Dr. Andreas Schumann von der Ruhr-Universität Bochum. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert die Arbeiten des Teams mit 2,2 Millionen Euro für drei Jahre. Weitere 400.000 Euro steuert der österreichische Wissenschaftsfonds bei.

Die DFG gab die Bewilligung auf der Wintersitzung des Senats im Dezember 2016 bekannt. Das Projekt namens „Space-Time Dynamics of Extreme Floods (Spate)“ beginnt Mitte 2017.

Unterschied zu normalem Hochwasser

„Extreme Hochwasser sind in den vergangenen 20 Jahren in Deutschland gehäuft aufgetreten“, sagt Schumann, Leiter des Bochumer Lehrstuhls für Hydrologie, Wasserwirtschaft und Umwelttechnik. Seine Kollegen und er analysieren in sechs großen Flussgebieten in Deutschland und Österreich, welche Bedingungen seit Beginn des 20. Jahrhunderts zu besonders starken Hochwassern geführt haben.

Das Team berücksichtigt zum Beispiel extreme Großwetterlagen und den Einfluss der Alpen. Auch die sich anhäufenden Effekte vieler lokaler Eingriffe in die Gewässer durch Baumaßnahmen kalkulieren die Forscher ein. Im Vergleich zu normalen Hochwasserereignissen möchten sie herausfinden, welche Kombinationen von Einflussfaktoren für extreme Überschwemmungen verantwortlich sind.

Die Erkenntnisse fließen in Computersimulationen und stochastische Modelle ein. Diese spiegeln dann zum einen wider, welche Kombinationen natürlicher Bedingungen in der Atmosphäre und im Flussgebiet besonders risikoträchtig sind. Zum anderen reflektieren sie den Einfluss des Menschen und die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Faktoren. Schlussendlich sollen es die Modelle ermöglichen, das Risiko für künftige Hochwasser und deren Stärke besser zu beurteilen.

Extreme Überschwemmungen in Deutschland

„Das Weihnachtsfest 1993 dürfte vielen Bürgern der Stadt Köln noch in schlechter Erinnerung sein – die Altstadt und andere Stadtteile waren überflutet“, so Andreas Schumann. „Diese Katastrophe war der Beginn einer Reihe extremer Hochwasserereignisse, die in den folgenden 20 Jahren in weiten Teilen Deutschlands Milliardenschäden verursacht haben – aber auch Todesopfer und viel menschliches Leid zur Folge hatten.“

Im Jahr 1995 trat der Rhein erneut über seine Ufer; 1997 wurde der Oderbruch überflutet, in den Jahren 1999, 2002, 2005, 2006 und 2013 traf es das Flussgebiet der Donau und in den Jahren 2002, 2006 und 2013 das Gebiet der Elbe.

Kooperationspartner

Das Bochumer Team kooperiert mit Kolleginnen und Kollegen der Universitäten in Hannover, Stuttgart und Frankfurt am Main, der Technischen Universität Wien sowie dem Geoforschungszentrum in Potsdam und dem Umweltforschungszentrum in Halle. Wissenschaftler aus den Fachbereichen Hydrologie, Meteorologie, Wasserbau, Statistik, Agrarwissenschaften und Umweltgeschichte arbeiten zusammen.

Marburg (IDW) - Das Treibhausgas Kohlendioxid könnte sich künftig mit einem neuen biologischen Mittel aus der Atmosphäre entfernen lassen. Denn ein Team um Tobias Erb, Leiter einer Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg hat nach dem Vorbild der Fotosynthese einen künstlichen, aber komplett biologischen Stoffwechselweg entwickelt, der Kohlendioxid aus der Luft mit 20 Prozent höherer Effizienz bindet, als das Pflanzen fotosynthetisch schaffen. Die Forscher haben das neue System, das sie in dieser Woche im Wissenschaftsmagazin Science vorstellen, zunächst am Reißbrett geplant – und dann im Labor in die Realität umgesetzt.

Eine der drängendsten Herausforderungen unserer Zeit ist der Klimawandel. Seit Beginn der industriellen Revolution ist die Konzentration an Kohlendioxid (CO2) in der Luft durch den Menschen stetig angestiegen. Diese Zunahme heizt nach aller wissenschaftlichen Erkenntnis den Treibhauseffekt an und verändert das Klima. Die Konsequenzen sind bereits spürbar. Um die ökologische, aber auch soziale Herausforderung des Klimawandels zu meistern, „müssen wir also neue Wege finden, um das überschüssige CO2 nachhaltig aus der Luft zu entfernen und in etwas Nützliches umzuwandeln“, betont Erb, der im Marburger Max-Planck-Institut eine Nachwuchsgruppe leitet.

Theoretisch könnte man das Problem mit einer höheren land- und forstwirtschaftlichen Produktivität angehen. Denn Pflanzen fixieren über die Fotosynthese Kohlendioxid aus der Luft. Aus dem CO2 produzieren sie über einen schrittweisen Prozess, den sogenannten Calvin-Zyklus, Zucker für ihre Ernährung. Jeder einzelne biochemische Schritt hin zum Zucker wird von einem eigenen Enzym angestoßen beziehungsweise beschleunigt. Die verschiedenen Biokatalysatoren sind dabei genau aufeinander abgestimmt, damit sie zusammenarbeiten können. Doch es gibt ein Problem: Das CO2-bindende Enzym des Calvin-Zyklus in Pflanzen, in Fachkreisen RuBisCo genannt, ist vergleichsweise langsam. Außerdem irrt es sich häufig: Bei jeder fünften Reaktion schnappt sich RuBisCo statt eines CO2- ein Sauerstoffmolekül.

Ein Bakterien-Enzym bindet CO2 fehlerfrei und mit Turbo
„Da gibt es in der Natur CO2-fixierende Enzyme ganz anderer Qualität“, betont Erb. Solche Enzyme, die schneller und effizienter sind als die RuBisCo in Pflanzen, arbeiten natürlicherweise im Stoffwechsel von Mikroorganismen. Eines dieser Enzyme, mit dem unaussprechlichen Namen „Crotonyl-CoA Carboxylase/Reductase“, hat Erb selbst aus einem Bakterium isoliert. Dieses Enzym irrt sich so gut wie nie – und arbeitet zudem gewissermaßen mit einem Turbo, denn es funktioniert zwanzigmal schneller als sein Gegenstück aus der Pflanzenwelt.

Noch in seiner Zeit an der ETH Zürich begannen Erb und sein Team darüber nachzudenken, wie man das Turbo-Enzym nutzen könnte, um damit CO2 in organische Kohlenstoffverbindungen umzuwandeln. Doch dafür braucht es, wie im Calvin-Zyklus, weitere Enzyme. Diese konnten die Forscher aber nicht einfach aus dem Calvin-Zyklus übernehmen, weil dessen Biokatalysatoren nicht zum Turbo-Enzym passen.

Ein Stoffwechselweg mit 17 Enzymen aus neun Organismen
Daher hat Tobias Erb zunächst theoretisch einen neuen, auf den Namen CETCH getauften Zyklus (für Crotonyl-CoA/Ethylmalonyl-CoA/Hydroxybutyryl-CoA) mit möglichen passenden Enzymen und sämtlichen biochemischen Reaktionen entworfen. Aus Datenbanken mit 40.000 bekannten Enzymen hat er dann ein paar Dutzend Kandidaten gefischt, die die geplanten Aufgaben erfüllen könnten.

Anschließend hat Erbs Team in nur zwei Jahren sämtliche Enzyme in einem Reagenzglas zu einem „robust funktionierenden, optimierten Zyklus“ zusammengefügt. Dabei haben die Forscher immer wieder neue Biokatalysatoren getestet, oft gentechnisch verändert und neue Kombinationen von Enzymen ausprobiert, um das System zu finden, indem die Komponenten optimal zusammen arbeiten.

Am Ende stand ein künstlicher CO2-fixierender Zyklus – etwas, das in dieser Art nach Erbs Wissen „noch niemand geschafft haben dürfte.“ Beteiligt sind 17 verschiedene Enzyme, darunter drei „Designer-Enzyme“, aus neun verschiedenen Organismen bis hin zum Menschen. Unterm Strich bindet der CETCH-Zyklus, mit dem die Marburger Forscher die Dunkelreaktion der Fotosynthese nachahmen, CO2 mit 20 Prozent höherer Effizienz als der Calvin-Zyklus der Pflanzen.

Der CETCH-Zyklus kann verschiedene Substanzen produzieren
Der synthetische Stoffwechselweg des Marburger Max-Planck-Teams ist somit eine Pionierarbeit auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie. In deren Zuge wollen Wissenschaftler unter anderem nach biologischen Prinzipien neue, für den Menschen nützlichen Systeme und Organismen bauen.

In Erbs Modell-Zyklus zieht seine Energie derzeit aus einer chemischen Reaktion und nicht aus Licht wie bei der Fotosynthese der Pflanzen, und am Ende kommt dabei die sogennante Glyoxalsäure heraus. „Der CETCH-Zyklus“, sagt der Marburger, „kann aber so verändert werden, dass dabei zum Beispiel Rohstoffe für Biodiesel entstehen.“ Oder ein Antibiotikum oder viele andere Substanzen.

Anwendung in Bakterien, Algen oder kombiniert mit Solarzellen
Für die praktische Anwendung könnten die nötigen Gene für den Zyklus in ein Bakterium oder eine Alge verfrachtet werden. Diese veränderten Mikroorganismen würden dann das jeweils gewünschte Produkt herstellen – und könnten dazu einfach das CO2 aus der Atmosphäre verwenden. Sie würden also das atmosphärische Treibhausgas nutzbringend umwandeln. Der CETCH-Zyklus könnte sich aber auch an Solarzellen koppeln lassen und die Elektronen, die diese liefern, zur Umwandlung von CO2 in nützliche chemische Verbindungen verwenden.

Technisch erscheinen derlei Visionen nicht mehr unmöglich. Das Verständnis, wie man biologische Prozesse von Grund auf neu konstruieren kann, wird momentan innerhalb des MaxSynBio-Netzwerkes der Max-Planck-Gesellschaft intensiv erforscht. Tobias Erb möchte seinen Teil dazu beitragen, die grundlegenden Konstruktionsprinzipien des Metabolismus zu verstehen. „Unsere Wissenschaft zielt darauf ab, die Umwandlung von unbelebtem CO2 in organische Materie neu zu erfinden. Unser Traum ist es, mithilfe von maßgeschneiderten Enzymen einen synthetischen Metabolismus 2.0 zu erschaffen, der jede beliebige Verbindung aus CO2 herstellen kann.“