Bäume als Klimaarchiv

Forscher haben anhand der Sauerstoffisotope in Baumringen die Niederschlagsmengen über dem Amazonasgebiet rekonstruiert. Mit ihrem Verfahren geben sie einen Einblick in die Dynamik des Wasserkreislaufs des weltgrößten Flusssystems.

Das Amazonasgebiet ist das größte Drainagebecken der Welt. Hier fällt ein Fünftel des globalen Landflächenniederschlags und fließt über den Amazonas in den Atlantik ab. Der Amazonasregenwald ist ein riesiges Gewächshaus mit hoher Biomasseproduktivität, eine wichtige CO2-Senke und ein Hotspot der Artenvielfalt. Eine starke atmosphärische Konvektion (Austauschprozesse) und kräftige Niederschläge, tropische Temperaturen und eine hohe Verdünstung prägen die Region. Dieser gigantische Wasserkreislauf spielt eine zentrale Rolle für das globale Klima und die atmosphärische Zirkulation auf der Erde. Über die klimatische Vergangenheit des Amazonas und mögliche Auswirkungen des Klimawandels ist bislang jedoch wenig bekannt. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung des Deutschen GeoForschungsZentrums hat nun eine Methode entwickelt, mit der präzisere Analysen und damit Aussagen über globale Veränderungen möglich sind. 

Ein Fenster in die Vergangenheit

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass Baumringe die Isotopenzusammensetzung des Regens konservieren. In der Natur kommen Wassermoleküle in verschiedenen Isotopenverhältnissen vor. Wasser mit einem hohen Anteil sog. „schwerer“ Sauerstoffatome (18 O) verdampft in der Atmosphäre langsamer und kondensiert schneller wieder. Im Wasserdampf reichern sich so die „leichten“ Sauerstoffatome (16 O) an. Ein höherer Anteil „schweren“ Wassers regnet ab oder verbleibt im Oberflächenwasser (vgl. Isotopenfraktionierung). Mit einer Isotopenanalyse können diese Masseunterschiede gemessen und so die Herkunft, das Alter und der Fluss von Wasser bestimmt werden. Die Zusammensetzung von Regen variiert je nach Niederschlagsmenge. Diese wird durch die Temperatur, die Luftströmung und die Transpiration der Vegetation beeinflusst. Die Sauerstoffisotope im Niederschlag sind daher ein guter Indikator für den atmosphärischen Anteil des Wasserkreislaufs im Amazonasgebiet. Die Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass nicht nur die Isotopenanalyse von Regenwasser einen Rückschluss auf das Klima zulässt. Die Niederschlagsdynamik spiegelte sich auch in der Zusammensetzung der Sauerstoffisotope in den Baumringen wider.

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Baumringe konservieren den Regen

Die Forscher erfassten das Verhältnis der Sauerstoffisotope in den Jahresringen von acht tropischen Bäumen der Art Cedrela odorata. Die Westindische Zedrele eignet sich gut zur Messung von Niederschlägen, da ihre flachen Wurzeln auf das oberflächennahe Regenwasser angewiesen sind. Die ca. 150 Jahre alten Bäume wurden 2002 in einem Tieflandwald im Norden Boliviens gefällt. Die Forscher isolierten das Holz von jedem individuellen Jahresring entlang der einzelnen Radien mit einem Messer, extrahierten und homogenisierten die Zellulose und wogen deren Masse. Dann pyrolisierten sie die Zellulose bei 1.000 Grad Celsius und analysierten die Isotopenzusammensetzung in einem Elementeanalysator mit kombiniertem Isotopspektrometer. 

Die Zusammensetzung der Jahresringe verglichen die Forscher mit den Isotopenprofilen von Boden- und Regenwasser aus verschiedenen Regionen sowie mit Gletscherwasser aus den Anden. Das Sauerstoffprofil der Jahresringe war dem aller Wasserproben aus dem Amazonasgebiet sehr ähnlich. Besonders gut erfasste es die Isotopenzusammensetzung des Niederschlags während der Regenzeit. Die Analyse von nur acht Bäumen eines Standortes im oberen Einzugsgebiet des Amazonas spiegelte nicht nur die lokalen Niederschlagsverhältnisse, sondern die des gesamten Einzugsbereichs des Amazonas wider – einer Fläche von ca. 5 Millionen Quadratkilometer. 

Einblick in den Wasserkreislauf

Die Jahresringdaten eröffneten auch Einblicke in das Klima und den Wasserkreislauf der Region über einen Zeitraum von 100 Jahren. Die Forscher verglichen die Jahresringdaten für die Jahre 1900 bis 2000 mit Daten zu Niederschlagsmengen sowie zum Wasserabfluss des Amazonas an seiner engsten Stelle bei Obidos. Es zeigte sich, dass die Jahresringe ein guter Indikator für die Niederschlagsmenge sind und zudem Hinweise über die Menge des Regens geben, der in den südlichen Atlantik geführt wird. Denn die Isotopenverhältnisse in den Jahresringen variierten mit der Niederschlagsmenge über dem Amazonasbecken und dem Wasserstand des Amazonas. Dieser Zusammenhang war in der Regenzeit besonders stark und relativ stabil über mehre Jahre und Jahrzehnte. 

Deutlich kleiner war der Einfluss lokaler Niederschläge, Temperaturen und des Wasserdampfdrucks in der Luft auf die Jahresringe. Das Isotopenprofil des Niederschlags scheint damit in erster Linie den Wasserdampftransport über dem Amazonasbecken in Richtung Westen abzubilden. Während des Lufttransports über das Amazonasbecken regnen die schweren Isotope schneller ab als die leichten Isotope im Wasserdampf. In Jahren mit hohen Niederschlagsmengen regnen verhältnismäßig mehr schwere Isotope aus dem Wasserdampf ab als in Jahren mit weniger Niederschlag. Der in der Luft verbleibende Wasserdampf enthält dann einen höheren Anteil leichter Isotope. Verstärkt wird dieser Prozess durch die sog. Evapotranspiration. Bis zu 60% des jährlichen Niederschlags gelangt über Verdunstung und Transpiration der Vegetation wieder in die Atmosphäre zurück. Das recycelte Wasser erhöht den Anteil leichter Isotope im Wasserdampf weiter.

Klimawandel im Amazonas?

Obwohl der aktuelle Datensatz relativ klein ist, zeigt sich über das 20. Jahrhundert hinweg ein Anstieg der Sauerstoffisotopenwerte, der mit der Beobachtung eines leichten Anstiegs der Abflussraten des Amazonas einhergeht. Beides deuten die Forscher als Hinweis auf ein feuchteres Klima, also eine Intensivierung des Wasserkreislaufs im Amazonasgebiet. Eine Ursache hierfür könnte der Klimawandel sein. Weitere Studien müssen diese Hypothese nun überprüfen.

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Die etwa 150-jährigen Bäume lieferten auch eindeutige Nachweise von Extremereignissen. So sticht beispielsweise der durch das Klimaphänomen El Niño im Jahr 1926 hervorgerufene Tiefstwasserstand des Amazonas deutlich aus der Isotopen-Zeitreihe der Jahresringe hervor.

Baumringe als hochauflösendes Klimaarchiv

Baumringe konservieren die Isotopenzusammensetzung des Regens. Mit dem neu entwickelten Messverfahren kann dieses hochaufgelöste Klimaarchiv nun geborgen werden und neues Wissen zur Funktionsweise des weltgrößten Wasserkreislaufs liefern. Über den Umweg der Sauerstoffisotopen-Messung in Jahresringen konnte die Niederschlagsdynamik über dem Amazonasgebiet mit hoher Genauigkeit rekonstruiert werden. Ihr Verfahren haben die Forscher bereits zu einer kombinierten Isotopenanalyse von Sauerstoff und Kohlenstoff in Jahrringen weiterentwickelt. In Zukunft wollen sie weitere Untersuchungen an zusätzlichen Standorten im Amazonasbecken durchführen. Das Verfahren kann klassische Messgrößen wie Jahresringbreiten- oder Holzdichtemessungen ersetzen. Diese Verfahren sind den Forschern zufolge für hochauflösende Rekonstruktionen der Klimaverhältnisse in tropischen Gebieten ungeeignet.