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Unsere Atmosphäre enthält einige Gase, die den Energietransport durch Strahlung, auch zwischen ihr und dem Erdboden, kräftig beeinflussen. Diese sind in der Reihenfolge ihrer Wirksamkeit Wasserdampf, Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Lachgas (N2O), Ozon (O3) und Chlorfluorkohlenwasserstoffe (CFCs). Bis auf den Wasserdampf sind sie teilweise oder ganz anthropogen. Der Wasserdampf entsteht weitgehend durch Verdunstung. Seine maximal mögliche Konzentration wird über die Temperatur der Umgebungsluft geregelt.
Die Strahlungswirkung dieser Gase ergibt im Wechsel mit der gesamten Dynamik der Atmosphäre und den Austauschprozessen am Boden und in den Ozeanen das bekannte mittlere vertikale Temperaturprofil mit einer Abnahme der Temperatur vom Erdboden (etwa + 15 °C) bis zur oberen Begrenzung der Troposphäre in 8 bis etwa 17 km Höhe um etwa 6,5 K pro Höhenkilometer. Mit zunehmender Höhe nimmt die Temperatur bis zu etwa 0 °C in 50 km Höhe zu, um darüber rasch abzufallen auf Werte um − 80 bis − 90 °C in etwa 85 km Höhe. Für diese Wirkung in Erdbodennähe hat sich der Begriff “Treibhauseffekt” eingebürgert. Zusätzlich bewirken die Krümmung der Erde sowie Unterschiede im Reflexionsvermögen der Kontinente große regionale Unterschiede, die zu Ausgleichsströmungen anregen. Deswegen fasst man die Wirkungen der Treibhausgase als “Antriebe” des Klimas auf.
Es liegt nun nahe, eine Änderung des Klimas auch einer Änderung der Konzentration dieser Treibhausgase zuzurechnen. Befunde über historische Abläufe des Klimas auf der Erde haben bestätigt, dass bei einer Temperaturzunahme auch eine Zunahme der Konzentrationen von CO2, CH4 und N2O zu beobachten war. Die zeitliche Auflösung der aus “Proxydaten” abzuleitenden Werte reicht selten aus, um eine Ursachen-Wirkungskette eindeutig festzulegen. Die Eis- und Warmzeiten während der vergangenen 400 000 Jahre sind eindeutig Änderungen der solaren Einstrahlung durch Änderungen der Bahnparameter unserer Erde (Milanković-Zyklen) zuzuordnen. Die Dichte der seit zirka 2000 Jahren bekannten Sonnenflecken beeinflusst die Einstrahlung und kann mit als Ursache wärmerer und kälterer Kurzperioden in den vergangenen beiden Jahrtausenden herangezogen werden.
Seit Beginn des Industriezeitalters im 19. Jahrhundert haben CO2 und die anderen Treibhausgase gegenüber den Werten vor etwa 150 Jahren um zirka 75 Prozent und mehr zugenommen. Die mittlere Lufttemperatur in Bodennähe ist im gleichen Zeitraum um etwa 1,5 K angestiegen, allerdings mit einer Verzögerung von mindestens 50 bis 60 Jahren. Andere “äußere” Antriebe böten Änderungen in der Umlaufbahn unserer Erde, die aber nach genauen Rechnungen weitgehend ausgeschlossen werden. Die gegenwärtige Klimaforschung hat sich nun die Aufgabe gestellt, die Ursachen der beobachteten Erwärmung zu erklären. Numerische Simulationen erlauben viele der oben geschilderten Zusammenhänge zu erklären. Die Forschung hat für diese Zwecke Modelle entwickelt, die nicht das Wetter, aber dessen statistische Eigenschaften mit einer zeitlichen Auflösung von etwa einem Monat und länger berechnen. Die räumliche Auflösung beträgt bereits etwa 5 bis 10 km in der Horizontalen und weniger als 1 km in der Vertikalen. In jedem der vielen Millionen Gitterelemente in der Atmosphäre, an deren Unterrand noch die Kontinente und Ozeane angekoppelt sind, werden darin ablaufende Prozesse weitgehend simuliert. Und trotzdem müssen viele der bekannten Prozesse, etwa die Bildung von Wolken und Niederschlag, mit geprüften Prozessmodellen nachvollzogen werden.
Die Modellergebnisse werden zunächst an Klimadaten der letzten 50 bis 70 Jahre getestet, wofür Messdaten aus allen Regionen der Erde zur Verfügung stehen. Vergleiche mit der gemessenen Wirklichkeit sind ermutigend. Je nach Zunahme der Treibhausgase kann die mittlere Temperatur der Luft in Bodennähe bis zum Jahr 2100 um bis zu 3 bis 7 K ansteigen mit Konsequenzen für die Wetterabläufe und auch den Wasserhaushalt. Die Politik muss solche Szenarien mit denen der Zunahme der Bevölkerung zu einem Gesamtbild vereinen, um daraus Maßnahmekataloge zur Sicherung der Bewohnbarkeit unseres Planeten abzuleiten.


Ehrhard Raschke, Jahrgang 1936, war Professor für Meteorologie an den Universitäten Köln und Hamburg und arbeitet seit seiner Emeritierung im Jahr 2001 am Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg an der Überprüfung von Klimadaten.

Artikel

“Nein, tun sie nicht”

Unsere Atmosphäre enthält einige Gase, die den Energietransport durch Strahlung, auch zwischen ihr und dem Erdboden, kräftig beeinflussen. Diese sind in der Reihenfolge ihrer Wirksamkeit Wasserdampf, Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Lachgas (N2O), Ozon (O3) und Chlorfluorkohlenwasserstoffe (CFCs...

Blickpunkt

Der Filmregisseur und -produzent James Cameron besuchte im vorigen Jahr als dritter Mensch (und als erster seit dem Jahr 1960) den Boden des Marianengrabens. Obwohl wir also immer noch wenig darüber wissen, was auf jenen 72 % der Erdoberfläche vorgeht, die von Ozeanen bedeckt sind, wissen wir immerhin, dass es dort in den tiefsten Abgründen und im Sediment selbst Leben gibt. Zwar dringt kein Sonnenlicht in jene Tiefen vor, und die Versorgung mit organischen Nährstoffen ist nicht großzügig bemessen, aber chemisch versierte Mikroben nutzen Redoxreaktionen zwischen reduzierten Verbindungen aus der Erdkruste (Sulfide, Methan) und Oxidationsmitteln aus dem Meerwasser (Sauerstoff, Sulfat), um Energie zu gewinnen.
Unter geeigneten Bedingungen, etwa in der Umgebung von Hydrothermalschloten, ernährt die Chemosynthese ganze Ökosysteme. Zwei in kurzem Abstand erschienene Publikationen zeigen nun neue Aspekte der Redoxchemie am Meeresboden, die auch für das Klimageschehen und damit für uns Landratten relevant sind.


<h2>Archäen als Klimaretter</h2>
Sedimente am Meeresboden enthalten gewaltige Mengen Methan. Würde dieses austreten, dann könnte es eine katastrophale Erwärmung auslösen. Es gibt Hinweise darauf, dass dieser Fall in der wechselhaften Geschichte des Erdklimas durchaus schon vorkam.
Unsere Schutzengel, die dies zumindest in den letzten 35 Millionen Jahren verhindert haben, sind Mikrobengemeinschaften, die das Methan in den oberen Schichten der Sedimente oxidieren und verstoffwechseln. Der überwiegende Anteil des Methans wird dabei auf anaerobe Weise abgebaut, also in Abwesenheit von Sauerstoff, mit der anaeroben Oxidation (AOM).
Bisher glaubte die Wissenschaft, dass für diesen Prozess immer eine Mikrobengemeinschaft erforderlich ist, die sowohl Methan oxidierende Archäen als auch Sulfat reduzierende Bakterien enthält (Abbildung 1). Dies folgerten die Forscher daraus, dass Mikroorganismen beider Sorten gewöhnlich gemeinsam auftraten und sich mit gleicher Geschwindigkeit vermehrten. Auch fehlten den Methan oxidierenden Archäen die Enzyme, die gewöhnlich zur Sulfatreduktion gehören. Jana Milucka und Kollegen vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen wiesen allerdings nach, dass die Archäen die Redoxchemie der AOM alleine meistern können.1 Die Bremer hatten Sedimentproben von dem Schlammvulkan Isis, der im Mittelmeer vor der Küste Ägyptens liegt, acht Jahre lang im Labor kultiviert, um die für AOM zuständige Mikrobengemeinschaft möglichst rein zu erhalten.
Mit Isotopenmarkierung und Untersuchungen an einzelnen Zellen fanden sie heraus, dass die Archäen aus der großen Gruppe ANME-2 auch ohne die bakteriellen Partner Methan oxidieren können. Sie gleichen das Redoxpotenzial aus, indem sie Schwefel aus Sulfationen (+6) auf die Oxidationsstufe Null reduzieren, also zu Di- und Polysulfiden und elementarem Schwefel. Diese Entdeckung einer neuen Stoffwechselreaktion beantwortet auch die seit Jahrzehnten ungeklärte Frage nach der Herkunft des elementaren Schwefels in solchen anaeroben Sedimenten.
Eine zweite überraschende Entdeckung machten Milucka et al., als sie sich die Rolle der Bakterien näher ansahen. Diese verarbeiten nämlich den Schwefel der Oxidationsstufe Null, indem sie ihn disproportionieren. Sie produzieren also Sulfat, das die Archäen ihrerseits wieder reduzieren, und die stöchiometrisch entsprechende Menge an Sulfid.
Diese exotisch anmutende Redoxchemie ist vermutlich keine Seltenheit. Ähnliche anaerobe Sedimente finden sich vielerorts am Meeresboden und AOM setzt 90 % des austretenden Methans um. Man schätzt, dass sich das Phänomen auf 300 Millionen Tonnen Methan pro Jahr beläuft. Die Bedeutung dieses mikrobiellen Klimaschutzes ist also enorm, insbesondere in unserer Zeit, da wir mit der rasanten Zunahme von anthropogenen Treibhausgasen zu kämpfen haben und Verstärkungseffekte aus geobiologischen Systemen befürchten müssen.


<h2>Bakterien auf Draht</h2>
Die Arbeitsgruppen von Nils Risgaard-Petersen und Lars Peter Nielsen von der Universität Aarhus in Dänemark kultivierten Sedimente aus der Bucht von Aarhus.2 Auch die Dänen interessierten sich für Redoxreaktionen, und zwar spezifisch dafür, wie der beobachtete Abstand von ein bis zwei Zentimetern zwischen der Reduktion des Sauerstoffs an der aeroben Oberfläche des Sediments und der Oxidation von Sulfiden im anaeroben Inneren des Meeresbodens zu überbrücken ist.
Sie reproduzierten die charakteristische Schichtstruktur durch Inkubation von Sedimentproben. Als sie eine Probe des Materials, das die mysteriöse Fernwirkung aufwies, reinigten, fanden sie Bakterienfilamente von bis zu 1,5 Zentimetern Länge (Abbildung 2). Es handelte sich um eine bisher unbekannte Art aus der Familie Desulfobulbaceae in der Klasse der Deltaproteobacteria.
Diese mikrobiellen Fasern vermittelten den Ladungstransport zwischen den beiden Hälften der Redoxreaktion. Wenn die Forscher zum Beispiel horizontal durch die Sedimentprobe schnitten, kam der Ladungsausgleich für längere Zeit zum Erliegen. Experimente mit Filtern verschiedener Porengröße zeigten, dass die Ladungsträger von der Größe der Filamente waren und nicht etwa gelöste Ionen. Strukturuntersuchungen ergaben, dass die Bakterienzellen eines solchen Filaments sich die äußere Membran teilen. Elektronenmikroskopie an Faserquerschnitten zeigte, dass sich zwischen der gemeinsamen Außenmembran und der inneren Membran des einzelnen Bakteriums jeweils 15 oder 17 Kanäle mit einem Durchmesser von 70 bis 100 Nanometern befanden.
Die Autoren stellten die Hypothese auf, dass diese Kanäle die elektrischen Leiter sind, die den Elektronentransport zwischen den chemisch unterschiedlichen Schichten des Sediments vermitteln. Sie stellen sich das so vor, dass dasselbe Bakterienfilament am unteren (anaeroben) Ende Sulfide oxidiert, die frei werdenden Elektronen durch die Kanäle zum oberen (aeroben) Ende transportiert und dort den Sauerstoff reduziert. Zum Ladungsausgleich diffundieren Eisenionen.3


<h2>Vorstoß ins Unbekannte</h2>
Selbst elementare Fragen danach, welche Mikroben in welchen Lebensräumen vorkommen, sind am Meeresboden schwer zu untersuchen und bleiben deswegen weit gehend unbeantwortet. Die Arbeitsgruppen von Steffen Leth Jørgensen vom Zentrum für Geobiologie der Universität Bergen und Christa Schleper von der Universität Wien erstellten erstmals eine systematische Zuordnung von Mikrobengemeinschaften zum geologischen Umfeld über zahlreiche Schichten.4
Die Forscher wählten einen Standort zwischen der Ostküste Grönlands und Norwegen, wo wechselnde Materiallieferungen von einer Flussmündung und von einem nahegelegenen Feld von Hydrothermalschloten zu einer vielschichtigen Struktur führen. An zwei Standorten, jeweils 15 Kilometer von den Hydrothermalschloten entfernt, führten die Forscher Bohrungen bis in drei Meter Tiefe durch. In den Bohrkernen fanden sie 15 geologische Schichten und identifizierten die darin vorkommenden Arten anhand der Gensequenzen der ribosomalen RNA.
Welche Arten in einer gegebenen Sedimentschicht angetroffen werden, so die Erkenntnis aus diesen Analysen, hängt vor allem von der Verfügbarkeit von organischem Kohlenstoff und von Mineralien wie Eisen und Mangan ab. Im Gegenzug beeinflussen die Mikroben selbst die chemische Zusammensetzung der Sedimente, etwa das Vorkommen von Sulfaten.
Solche Verallgemeinerungen helfen, Hypothesen über die unermesslichen Weiten des Meeresbodens zu erzeugen, die nicht direkt erforscht wurden. Da der Meeresboden eine Schlüsselposition in der globalen Redoxchemie unseres Planeten und damit auch für die Zusammensetzung unserer Atmosphäre hat, ist jeder Einblick, den wir in seine geobiologische Funktion gewinnen, wichtig.
Michael Groß ist freier Wissenschaftsautor in Oxford, England. <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.michaelgross.co.uk" target="_blank">www.michaelgross.co.uk</a></ext-link>



<ul>
<li>
1 

 
J. Milucka, 
T. G. Ferdelman, 
L. Polerecky et al., 
<source>Nature 
(2012), 
491, 
541. 
</li>
<li>
2 

 
C. Pfeffer, 
S. Larsen, 
J. Song et al., 
<source>Nature 
(2012), 
491, 
218.
</li>
<li>
3 

 
N. Risgaard-Petersen, 
A. Reviel, 
P. Meister, 
L. P. Nielsen, 
<source>Geochim. Cosmochim. Acta 
(2012), 
92, 
1.
</li>
<li>
4 

 
S. L. Jorgensen, 
B. Hannisdal, 
A. Lanzén et al., 
<source>Proc. Natl. Acad. Sci. USA 
(2012), 
109, 
E2846.
</li>
</ul>

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