Modelle – und Schlamm – in Amazonien

Merkmale|Januar-Februar 2011

Die Schüler setzen sich mit dem Schicksal des Regenwaldes in einem sich verändernden Klima auseinander.

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Sehen Sie sich ein Video von Harvard-Wissenschaftlern bei ihrer Arbeit im Amazonasgebiet und einigen der Pflanzen und Tiere an, denen sie begegnet sind

Robert Newell kletterte vorsichtig, Hand in Hand, an der Seite eines 14-stöckigen Wetterturms mitten im Amazonas-Dschungel hinauf. Oben war eine Riemenscheibe blockiert. Mehr als eine Stunde lang kletterte er an der Metallstruktur auf und ab und installierte flexible Kunststoffschläuche in Höhen von 5, 10, 20, 30 und 40 Metern – Teil der Vorbereitungen für ein Experiment, bei dem mit der Probenahme von atmosphärischem Kohlenstoff begonnen werden sollte Kohlendioxid (CO2) und das Sammeln von Wetterdaten an diesem Abend. Er und einige der anderen Studenten des Studiengangs Erd- und Planetenwissenschaften 74 („Felderfahrungen“) mussten die ganze Nacht wach bleiben, um die Arbeit zu erledigen.

Der Plan bestand darin, die Atmung des Waldes mithilfe eines Wetterballons zu überwachen, um CO2 zu messen und meteorologische Bedingungen aufzuzeichnen. Doch bei einer Reihe von Pannen gelang es einem leichten Analysator zur Messung des Gases nicht, den brasilianischen Zoll zu passieren, und sein Ersatz – eine ältere, schwerere Version der Ausrüstung – wog zu viel, als dass der Wetterballon ihn hätte anheben können. Daher ist es notwendig, den Gasprobenteil des Experiments zum Turm zu verlegen, während der Ballon und seine Wetterinstrumente von der nahegelegenen Straße aus gestartet werden. Newell, ein Junior mit Schwerpunkt Evolutionsbiologie (der in diesem Moment möglicherweise darüber nachdachte, warum sich Menschen nicht besser an das Klettern angepasst hatten), konzentrierte sich auf die Rolle, die entscheidend war, um die Schläuche auf dem Turm auf die richtige Höhe zu bringen. Unter der äquatorialen Mittagssonne war er bereits leicht dehydriert, und seine Arme ermüdeten, weil er sich so lange am Metallskelett des Turms festklammerte. Er ging vorsichtig vor und löste abwechselnd ein Paar Karabiner, die an seinem Körpergurt befestigt waren, wie es ihm beigebracht worden war. Schließlich erreichte er die Rolle und befreite das Seil. Die Luft über dem Blätterdach des Regenwaldes war still, aber er erinnerte sich kürzlich: „Der Turm wackelte ein wenig, wann immer ich mich bewegte.“

Newell und seine Kommilitonen – insgesamt zwei Studenten und 18 Doktoranden von mehreren amerikanischen und brasilianischen Universitäten, die mit Wissenschaftlern aus beiden Ländern zusammenarbeiteten – erlebten aus erster Hand die großen und kleinen praktischen Herausforderungen der Wissenschaft auf diesem Gebiet . Ihre Forschung zeigte unterdessen, wie die richtigen kleinen Dinge einen großen Einfluss auf ein großes Problem haben können: zu verstehen, wie sich der globale Klimawandel auf das Amazonasgebiet auswirken wird.

Allein der Weg zur Forschungsstation – im zentralen Amazonasbecken, etwa zwei Autostunden von der Stadt Manaus entfernt – war nicht einfach gewesen. Elf Tage zuvor war Newell von Denver nach Atlanta geflogen, nachdem ihn Visumskomplikationen dazu gezwungen hatten, einen Flug abzubrechen, um die anderen amerikanischen Studenten und Ausbilder des Feldkurses zu treffen. Von Atlanta aus flogen sie nach Manaus, einer Stadt mit zwei Millionen Einwohnern, die nur über wenige Straßen mit dem Rest Brasiliens verbunden ist – die einzige ununterbrochene Autobahn führt nach Norden ins mehr als tausend Meilen entfernte Caracas in Venezuela. Der praktische Weg hinein oder hinaus ist mit dem Boot – eine 900-Meilen-Reise auf dem Amazonas – oder mit dem Flugzeug. Die Studenten landeten nach Mitternacht und zogen an den Geldautomaten des Flughafens brasilianische Real ab, damit sie am nächsten Tag auf dem örtlichen Markt Moskitonetze und Hängematten (redes, auf brasilianischem Portugiesisch „Hedgies“ ausgesprochen) kaufen konnten.

Sobald sie im Dschungel wären, hätten die Schüler keine Verwendung mehr für Bargeld. Von Manaus aus wurde die Gruppe etwa 30 Kilometer zum Basislager Ducke gefahren, einem Regenwald-Forschungsreservat, das von einer Behörde der brasilianischen Regierung betrieben wird. Dort verbrachten sie eine praktische Woche damit, Feldforschungsmethoden zu erlernen: zum Beispiel, wie man die wissenschaftlichen Instrumente bedient, die Daten über die Komplexität des Gasaustauschs zwischen Pflanzen, dem Boden und der Atmosphäre sammeln. Sprachbarrieren behinderten die Kommunikation nicht wesentlich: Die Amerikaner erlernten die Grundlagen des portugiesischen Brasileiro, während ihre Gastgeber Gelegenheit hatten, Englisch zu üben.

In der zweiten Woche teilten sie sich in vier Gruppen auf, von denen sich jede auf ihr eigenes Projekt konzentrierte. Marcos Longo, ein Harvard-Doktorand aus Brasilien, der typischerweise mit mathematischen Modellen von Ökosystemen arbeitet, schloss sich einer Gruppe an, die sich auf den Weg zu einem Stück intakten Waldes machte, der von verlassenen Weiden umgeben war, um Unterschiede in der Emission flüchtiger organischer Verbindungen zwischen Pflanzen zu untersuchen, die an den Rändern des Regenwalds wachsen und diejenigen, die sich in seinem Zentrum befinden. „Für mich war der Amazonas ein Haufen Zahlen auf einem Computerbildschirm“, sagte er, als er vor dem Kurs über seine Beziehung zu seinem Thema nachdachte. „Das war eine großartige Gelegenheit, weil es Fragen zu Dingen aufwarf, die auf Ihrem Computer Sinn ergeben, aber wenn Sie in den Wald kommen, wird Ihnen klar: ‚Nun, ganz so ist es nicht.‘“ Eine zweite Gruppe untersuchten Unterschiede in der Photosynthesekapazität von zwei Arten von Unterholzpalmen rund um Ducke: eine kommt häufig in tief schattigen Tieflandgebieten vor, die andere kommt häufiger in Berglebensräumen vor. Der Harvard-Doktorand Matthew Hayek, ein ursprünglich in Physik ausgebildeter Atmosphärenforscher, schloss sich der dritten Gruppe an und maß die natürliche Emissionsrate des starken Treibhausgases Lachgas aus Regenwaldböden, um eine Basislinie festzulegen, die Forschern helfen würde, anthropogene Quellen davon zu unterscheiden Gas. Die vierte Gruppe, darunter Newell und Hannah Horowitz '11, eine Spezialistin für Geo- und Planetenwissenschaften, machte sich auf den Weg zum Forschungsstandort ZF-2, um zu lernen, wie man die Aufnahme und Freisetzung von Kohlenstoff durch den Regenwald misst und wie man Informationen über das Waldwachstum damit verknüpft Meteorologische Daten.

Den Studenten wurde schnell klar, dass Forscher im Amazonasgebiet mit viel mehr zu kämpfen haben als mit hoher Luftfeuchtigkeit und Hitze. Das Reisen auf örtlichen Zufahrtsstraßen kann schwierig sein: Ihre Lehmoberflächen sind bei Nässe rutschig, sodass der Transport von professionellen Fahrern in Fahrzeugen mit Allradantrieb übernommen wurde. Und weil der Wald selbst dynamisch ist – Bäume wachsen und sterben schnell –, ist es nicht ungewöhnlich, einen von Weinreben umrankten Stamm auf dem Weg zu finden, der mit Axt und Machete gerodet werden muss.

Als Vorsichtsmaßnahme mussten sich die Schüler gegen Typhus, Gelbfieber und Hepatitis impfen lassen. Sie trugen Anti-Malaria-Medikamente und übergossen sich mit Insektenschutzmitteln, um sich vor dem durch Mücken übertragenen Dengue-Fieber (gegen das es keinen Impfstoff gibt) und Leishmaniose (einer möglicherweise entstellenden Krankheit, die von den örtlichen Sandmücken übertragen wird) zu schützen. Schlangen kommen im Wald häufig vor und tauchen auch im Lager auf – eine giftige Schlange wurde eines Morgens von Mitgliedern des Lagerpersonals vor Horowitz‘ Hütte getötet – daher wurde jeder angewiesen, Schlangengamaschen zu tragen, die von den Knöcheln bis zu den Knien reichen. Sie bestäubten ihre Knöchel mit Schwefeldioxid, um lästige Chigger abzuschrecken, und gingen vorsichtig, um nicht auf Vogelspinnen, Tausendfüßler oder Skorpione zu treten. Newell, der anfangs Schwierigkeiten hatte, in einer Hängematte zu schlafen, erwachte eines Nachts auf seiner Matratze auf dem Boden und verspürte ein Stechen im Rücken: Er war voller Ameisen. (Er gewöhnte sich an die Hängematte.) Eines Tages entdeckte er auch ein Wildschwein, größer als ein Pony, auf einem Seitenweg, als er mit Rafael Tapajós, einem der brasilianischen Studenten, am ZF-2 spazieren ging. Solche Wildschweine reisen häufig in Rudeln und zertrampeln alles, was sich ihnen in den Weg stellt. Dieser war glücklicherweise allein und ohne Stoßzähne. Der Camp-Hund hatte weniger Glück: Er hatte im Monat zuvor ein Auge durch einen Jaguar verloren.

„Feldarbeit kann gefährlich sein“, räumt Rotch-Professor für Atmosphärenwissenschaften Steven Wofsy ein, Leiter des Kurses und einer der weltweit führenden Sammler empirischer Daten über die Wechselwirkungen zwischen Biosphäre und Atmosphäre. Nachdem er jedoch jahrzehntelang an Standorten auf der ganzen Welt und mehr als 20 Jahre lang im Amazonas geforscht hat, ist er mit den wahrscheinlichen Gefahren bestens vertraut, ebenso wie die anderen Ausbilder, die hart daran arbeiten, diese zu mindern. „Ich bin stolz auf unsere Sicherheitsbilanz“, sagt er. „Dies ist keine Unterrichtsstunde. Dadurch werden die Schüler mit unterschiedlichen Kulturen, Umgebungen und Vorgehensweisen vertraut gemacht, da Menschen ein unausweichlicher Teil des Systems sind. Der Kurs kombiniert diese Erfahrungen mit einem wissenschaftlichen, wissensorientierten Rahmen.“

Die an Harvard, der University of Arizona, der Universidade de São Paulo, der Universidade Estadual de Campinas und der Universidade Federal do Oeste do Pará eingeschriebenen Studenten kamen unter anderem aus den USA, Mexiko, dem Vereinigten Königreich und Brasilien eines von der US National Science Foundation und der brasilianischen Regierung finanzierten Partnership in International Research and Education (PIRE)-Programms. PIRE-Projekte zielen darauf ab, Studierende in internationalen Forschungskooperationen auszubilden und auszubilden. Diese Veranstaltung, die bereits im dritten Jahr stattfindet, wird von der University of Arizona organisiert und gemeinsam mit Harvard durchgeführt, um sich auf eine sehr wichtige Frage zu konzentrieren: Was wird aus dem Amazonas-Regenwald unter dem Klimawandel?

Wofsy zeigte den Studenten von ZF-2, wie man vertikale Profile der Atmosphäre unter und über dem Blätterdach des Waldes erstellt: Messung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck, Windgeschwindigkeit und -richtung sowie der Konzentration von atmosphärischem CO2. Solche Messungen ermöglichen es Wissenschaftlern, meteorologische Bedingungen mit der Atmungsrate und dem langfristigen Pflanzenwachstum zu verknüpfen.

Da die Schüler die ganze Nacht Daten sammeln mussten, verbrachten sie den Tag mit der Vorbereitung. Während Newell an der CO2-Messausrüstung auf dem Turm arbeitete, lernten die anderen Studenten – Horowitz und die Brasilianer Kenia Wied-emann, Tapajós und Bernardo Flores –, die unter dem Ballon hängende Sonde zu kalibrieren und zu bedienen. (Wie eine instrumentierte Wetterfahne sammelt die Sonde meteorologische Daten und sendet sie drahtlos an einen Computer am Fuß des Turms.) Das Anheben des Ballons direkt neben dem Turm würde es ihnen ermöglichen, die Wetter- und CO2-Messungen zu integrieren. Die Schüler testeten die Winde, die den Ballon hob und senkte, und führten zahlreiche Übungsflüge durch; Es wurden kleine Fehler gemacht, etwa das Vergessen, den Strom der Sonde einzuschalten oder das Licht einzuschalten, das es den Forschern ermöglicht, den Ballon in der Dunkelheit zu verfolgen. Sie mussten auch die Windgeschwindigkeit über dem Walddach sorgfältig überwachen. Obwohl in Bodennähe im Regenwald kaum oder gar keine Brise weht, können die Nachtwinde über den Baumwipfeln lebhaft mit einer Geschwindigkeit von fünf oder mehr Metern pro Sekunde wehen; Der leichte Wetterballon konnte leicht in die nahegelegenen Bäume geblasen werden und beendete das Experiment, bevor es überhaupt begonnen hatte. Vor Einbruch der Dunkelheit war es an der Zeit, mögliche Probleme auszuräumen.

Die Feldarbeit erfordert echte Vielseitigkeit – sorgfältige Vorbereitung, die Kreativität, Probleme aller Art zu lösen, Hartnäckigkeit und den Willen, lange zu arbeiten. Die klirrende Hitze machte alles schwieriger. Tagsüber hatte sich außer den Forschern kaum etwas bewegt: ein blutsaugender Blutegel, der sich langsam über die Straße bewegte, ein meterlanger Regenwurm, der sich in der Nähe wand, und Armeeameisen, die geschäftig in Doppelreihen vorbeiströmten. Am späten Nachmittag, als die Schüler endlich ihre ersten Aufgaben erledigten, war ihr Tag noch nicht vorbei: Es galt, eine ganze Reihe zusätzlicher technischer Fähigkeiten zu erlernen – notwendig für den Umgang mit den Daten, die auf Disketten (fast ein Jahr) gesammelt waren Steinzeittechnologie an diese jungen Studenten) – sowie den nächsten Tag zu planen. Während einer Pause brachte Wofsy ihnen die Grundlagen von „R“ bei, einer Programmiersprache, in der er schnell ein Skript schrieb, um die Daten von den Disketten zu extrahieren.

Um 18:15 Uhr, kurz nach Sonnenuntergang, kamen die Fledermäuse heraus. Tapajós hob den Ballon auf 60 Meter, dann auf 80, dann auf 100. Vom Fuß des Turms rief Horowitz die Windgeschwindigkeit aus: „Vier Meter pro Sekunde, 4,5, 5,2.“ Nach all den Vorbereitungen war Spannung in den Stimmen der Studierenden zu hören. „Relative Luftfeuchtigkeit 87 Prozent, Temperatur 24,81 °C, Druck 990 Millibar.“ Nachdem die CO2-Messungen um 20 Uhr durchgeführt worden waren, machte die Gruppe eine Pause zum Abendessen und kehrte um 10 Uhr zurück, als die Luft dunstig und feucht war. Am Horizont zuckten Blitze. Um 11 und Mitternacht führten sie weitere CO2-Messungen durch. Aber die nächste Messung war negativ – eine Unmöglichkeit, die darauf hindeutete, dass die Ausrüstung nicht mehr richtig funktionierte. Dann schaltet sich das Gerät komplett ab. Da sie nichts dagegen tun konnten, setzten sie die meteorologischen Beobachtungen mit dem Ballon fort. Um 1 Uhr klarte die Atmosphäre auf und die Sternformationen der südlichen Hemisphäre erschienen, ein atemberaubender Anblick. Unter Wofsys Aufsicht verbrachten die Schüler die Zeit zwischen den Lesungen mit Lachen und Scherzen und machten viel Lärm, um wilde Tiere zu verscheuchen. Wofsy erzählte, wie einmal ein tief fliegendes Flugzeug unter einem seiner Ballons vorbeigeflogen sei und dabei nur knapp der Drahtleine ausgewichen sei. Später erfuhr er, dass der Pilot berichtet hatte, er habe ein UFO gesehen.

Um 4 Uhr morgens döste die Hälfte der Schüler in Plastikstühlen, die sie aus dem Lager mitgebracht hatten; Die Aufregung war in Erschöpfung abgeklungen. Gegen 5 Uhr morgens erklangen in der Ferne die Schreie von Brüllaffen, die in unheimlichem Gleichklang auf- und abstiegen. Dann, eine halbe Stunde vor Sonnenaufgang, registrierten die Instrumente einen unmerklichen Temperaturanstieg. Infrarotstrahlung der Sonne wird von der Atmosphäre reflektiert und erwärmt den Boden, noch bevor das sichtbare Licht eintrifft, erklärte Wofsy. Schließlich, bei Sonnenaufgang, nachdem die Arbeit erledigt war und sich nicht ein paar Meter geschleppt hatten, schlenderten alle zum Frühstück den Hügel hinunter. „Dieser Ballonstart war mein Lieblingsteil des Kurses“, sagte Horowitz später. „All die kleinen Schritte, die wir unternehmen mussten, um dorthin zu gelangen, und die Begeisterung aller, auch wenn wir mittendrin unsere Pläne ändern mussten – das passiert oft.“

„Messungen funktionieren nicht immer so, wie man es erwartet“, sagte Wofsy während eines Interviews in Cambridge. „Tatsächlich ist das normalerweise nicht der Fall.“ Dies ist eine der Lehren aus einem Feldversuch, bei dem „die Schüler herausgefordert werden, Messungen vorzunehmen und dann tatsächlich etwas damit zu tun“. Darüber hinaus stellte er fest: „Niemals Erfahrungen mit Menschen in anderen Kulturen gemacht oder in deren Umfeld gearbeitet zu haben, ist ein großer Nachteil für Studenten, die Naturwissenschaften oder etwas anderes studieren möchten.“

„Die Wissenschaftspädagogik ist von entscheidender Bedeutung“, fuhr er fort. „Wir versuchen, den Schülern eine Ausbildung zu bieten, die von der Erfahrung über das Erlernen der Verwendung statistischer Anwendungen bis hin zum Erlernen der Instrumentierung und der Durchführung eigener direkter Messungen reicht. Und dann müssen sie versuchen herauszufinden, was sie aus diesen Daten mit all ihren Unvollkommenheiten machen können. Es deckt ein ganzes Spektrum ab, es gibt viel zu tun in zweieinhalb Wochen und ich denke, es war ziemlich erfolgreich.“

Wofsy selbst betreibt Feldforschung seit den 1970er Jahren, als er als außerordentlicher Professor Treibhausgasquellen in aquatischen Systemen untersuchte und die Flüsse Delaware und Potomac – Mündungen der Städte Newark, Philadelphia und Washington, DC – besuchte. Seine erste Reise in den Amazonas , 1983 an Bord der Calypso von Jacques Cousteau, beinhaltete ein ähnliches Studienprogramm. Mittlerweile leitet er mehrere Forschungsstandorte, die seit zwei Jahrzehnten die Kohlenstoffaufnahme in Wäldern auf der ganzen Welt verfolgen. (Die Biosphäre speichert etwa ein Viertel aller vom Menschen verursachten CO2-Emissionen, hauptsächlich in Wäldern mittlerer Breite). Der Amazonas ist von besonderem Interesse, da jüngste Klimamodellsimulationen vorhergesagt haben, dass dieses tropische Regenwald-Ökosystem – Heimat der größten Vielfalt an Lebewesen auf dem Planeten – bis zur Mitte dieses Jahrhunderts zusammenbrechen und durch Grasland ersetzt werden könnte, das seine Umwelt zerstört außergewöhnliche Artenvielfalt mit sich.

Die Umwandlung des Regenwaldes in eine Savanne würde nicht nur zum Aussterben Zehntausender Pflanzen- und Tierarten führen, die es sonst nirgends gibt, sondern auch der brasilianischen Wirtschaft schweren Schaden zufügen: Die Anden-Amazonas-Region ist das größte Flusseinzugsgebiet der Welt, und Die Quelle eines Fünftels des Süßwassers der Erde liefert Wasserkraft für Küstenstädte wie São Paulo und Wasser für die Bewässerung der riesigen Agrarregion Mato Grosso. (Brasilien ist der weltweit größte Exporteur von Sojabohnen und der zweitgrößte Exporteur von Rindfleisch.) Der Verlust des Regenwaldes könnte sogar den gesamten südamerikanischen Kontinent erheblich austrocknen. Daher ist es von großer Bedeutung, die nächste Generation von Wissenschaftlern auszubilden, um herauszufinden, was im Amazonasgebiet geschieht.

Die Vorhersagen einer möglicherweise katastrophalen Dürre haben die Aufmerksamkeit der Gordon and Betty Moore Foundation erregt, die eine Anden-Amazonas-Initiative betreibt, die darauf abzielt, die ökologische Funktion und die repräsentative Artenvielfalt des Amazonasbeckens zu erhalten. Die Stiftung hat Millionen ausgegeben, um Biodiversitäts-Hotspots in der Region zu erwerben, um zu verhindern, dass sie abgeholzt werden (hauptsächlich durch Viehzüchter), aber selbst diese Strategie wird scheitern, wenn die Vorhersagen zum Klimawandel für die Region korrekt sind – und so begann die Stiftung darüber nachzudenken Es ist durchaus möglich, dass das Amazonasbecken austrocknet.

Vor zwei Jahren wandte sich die Stiftung an Wofsys Kollegen Paul Moorcroft, Professor für Organismen- und Evolutionsbiologie und Ökologe, und bat ihn herauszufinden, ob die Vorhersagen des am weitesten verbreiteten Klimawandelmodells zur Savannenbildung im Amazonas richtig waren. Moorcroft untersucht die langfristige Dynamik terrestrischer Ökosysteme: Er arbeitet mit empirischen Daten, die sorgfältig an kleinen, intensiv untersuchten Ökosystemstandorten gesammelt wurden, und fügt die Daten hinzu, die beschreiben, was darüber bekannt ist, wie verschiedene Arten von Pflanzen unter verschiedenen Umweltbedingungen wachsen und miteinander konkurrieren Bedingungen in ein Modell umwandeln. Anschließend nutzt er mathematische Ansätze, um diese Informationen sowohl zeitlich als auch räumlich formal zu skalieren, um das Verhalten ganzer großräumiger Ökosysteme über Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte hinweg zu beschreiben.

Dieser Ansatz unterscheidet sich stark von der Darstellung von Ökosystemen in aktuellen Klimawandelmodellen (die ihren Ursprung in globalen Computermodellen des Wetters haben, die erstmals in den 1980er Jahren entwickelt wurden). Letztere stellen Ökosysteme dar, indem sie die Erde in Gitterzellen unterteilen, die typischerweise zwei Längengrade und zwei Breitengrade abdecken – was Zehntausenden Quadratkilometern entspricht – und alles in diesem Gebiet als eine einzige Pflanze behandeln. Es sind diese älteren, sogenannten Big-Leaf-Modelle, die die Austrocknung des Amazonas-Regenwaldes bis zur Mitte des Jahrhunderts vorhersagen. Aber wie Marcos Longo, ein Doktorand, der sowohl bei Moorcroft als auch bei Wofsy arbeitet, betont: „Wenn man ein komplexes Ökosystem wie den Amazonas wie einen großen grünen Teppich behandelt, gehen Heterogenitäten verloren.“ Darüber hinaus lassen sich Big-Leaf-Modelle nicht einfach mit tatsächlichen, detaillierten Daten über Waldwachstum, Kohlenstoffaufnahme und lokales Wetter verknüpfen, wie sie Wofsy seit Jahrzehnten sammelt.

Moorcroft hat intensiv mit Wofsys Daten aus nördlichen gemäßigten Wäldern gearbeitet und ein „Ökosystemdynamik“-Modell entwickelt, das das Waldwachstum nicht nur am Standort, für den es entwickelt wurde, sondern auch an anderen Standorten in Nordamerika mit unterschiedlichen Nadel- und Hartholzmischungen genau vorhersagt - und Weichholzbäume. Obwohl er den Großteil seiner Modellierungsarbeiten in Harvard durchführt, besucht Moorcroft häufig den Amazonas und andere Regenwälder, wo er mit der Einrichtung meteorologischer Datenerfassungsstationen begonnen hat. Feldkursleiter Scott Saleska, ein Wofsy-Postdoktorand vor seinem Wechsel an die University of Arizona, lud Moorcroft nach Ducke ein, um mit den Studenten darüber zu sprechen, wie seine Modellierungsarbeit zur Verbesserung der Analyse und Sammlung empirischer Daten genutzt werden kann.

Die Begründung für die Dürrevorhersagen der Big-Leaf-Klimamodelle für die Region sei relativ einfach, erklärte Moorcroft den Schülern. Im Amazonasgebiet stammt bis zu die Hälfte des Niederschlags direkt aus der lokalen Biosphäre: Wenn die zahlreichen Pflanzen während der Photosynthese „atmen“ (transpirieren), geben sie Feuchtigkeit an die Atmosphäre ab, die dann als Regen auf die Erde zurückfällt. Höhere Mengen an atmosphärischem CO2 drohen diesen Kreislauf jedoch zu stören, da Pflanzen ihre Stomata (die winzigen Gasaustauschlöcher, die sich meist auf der Unterseite der Blätter befinden) nicht mehr so ​​lange offen halten müssen, um das CO2 zu erhalten, das sie für die Photosynthese benötigen. Geschlossene Spaltöffnungen verhindern, dass Feuchtigkeit aus den Pflanzen entweicht, wodurch die Atmosphäre austrocknet, was wiederum einen Rückkopplungseffekt hervorrufen kann: Die Pflanzen schließen ihre Spaltöffnungen als Reaktion auf Dürrestress noch mehr. Die große Frage, die Moorcroft den angehenden Wissenschaftlern vor Augen führte, ist also, ob tatsächliche Wälder so reagieren werden, wie es die aktuellen Modelle zum Klimawandel vermuten lassen. Da ein Hektar (ca. 2,5 Acres) Amazonas-Regenwald etwa 100-mal vielfältiger ist als ein Hektar nördlicher gemäßigter Wälder, erklärte er: „Von den Tausenden Arten hier könnten einige unter Dürrebedingungen überleben oder sogar gedeihen, was das bedeuten könnte.“ Der Wald könnte überleben, wenn auch mit einer deutlich veränderten Zusammensetzung und Struktur.“ In jedem Fall vermutet Moorcroft, dass die CO2-Emissionen in die Atmosphäre „erheblich sein werden“. Doch die Auswirkungen des Verlusts dieses Ökosystems auf Pflanzen, Tiere und Menschen seien „beispiellos“, behauptete er.

Moorcroft zeigte den Schülern, wie sein Ökosystemdynamikmodell, das mit nur zwei Jahren Artendaten aus dem Harvard Forest kalibriert wurde, ein Jahrzehnt des Wachstums in mehreren verschiedenen Wäldern mittlerer Breite genau vorhersagen konnte, wenn meteorologische Daten (z. B. Niederschlag, Sonnenschein, Temperatur) beobachtet wurden ) angeschlossen waren. Sein Modell kann das Waldwachstum von Connecticut bis Kanada annähern – aber kann er eines entwickeln, das die Ökosystemdynamik des Amazonas beschreibt?

In einem nördlichen gemäßigten Wald leben etwa 25 Baumarten: Die meisten sind Laubbäume, einige Nadelbäume kommen alle in bevorzugten Lebensräumen vor. Die Ökosysteme des Amazonasbeckens sind wesentlich vielfältiger und die Bäume haben andere Eigenschaften als ihre nördlichen Gegenstücke. Die Böden sind arm, die meisten Nährstoffe befinden sich im lebenden Ökosystem und nicht im Boden. Die Jahreszeiten wechseln zwischen nass und trocken statt heiß und kalt. Und unter den aktuellen Klimabedingungen ist Feuchtigkeit kein wesentlicher limitierender Faktor für das Pflanzenwachstum.

Um eine glaubwürdige Vorhersage für das Schicksal des Amazonas zu entwickeln, erklärte Moorcroft, dass er wissen müsse, wie verschiedene Arten im Wald auf eine bestimmte Veränderung der Umwelt – zum Beispiel eine Dürre – reagieren. Zu diesem Zweck, sagte er den Studenten, beziehe er Daten aus einem zweijährigen Experiment ein, bei dem Wasser aus einem Hektar großen Forschungsgelände im Tapajós-Nationalforst in der Nähe von Santarem, Brasilien, ausgeschlossen wurde – mithilfe eines ausgeklügelten Systems aus Paneelen und Dachrinnen und Abflüsse, um zu verhindern, dass Regen den Boden erreicht – um zu sehen, wie der Wald reagiert. In den nächsten zwei Jahren wird sein Team die Messungen vor Ort nutzen, um ein quantitatives Modell zu erstellen, das beschreibt, wie sich das Verhalten und die Zusammensetzung des Regenwaldes unter diesen experimentell auferlegten Dürrebedingungen ändern, und das Modell dann anhand von Daten aus einem achtjährigen Dürreexperiment testen an einem anderen tropischen Waldstandort mehrere hundert Kilometer nördlich. Anschließend werden sie das kalibrierte Modell verwenden, um die wahrscheinlichen regionalen Auswirkungen von Dürrestress im Amazonasgebiet in den kommenden Jahrzehnten abzuschätzen.

„Im Allgemeinen sind viele Wissenschaftler, die Messungen durchführen, von Natur aus misstrauisch gegenüber Modellen, aber man kann keine Experimente zum Klima durchführen“, betonte Moorcroft während der Fahrt nach Ducke, „also muss man Modelle verwenden.“ Wir haben gezeigt, dass die formalen Skalierungsansätze, die wir in unserem Ökosystemmodell verwenden, bei der Erfassung der unter dem aktuellen Klima beobachteten Ökosystemdynamik besser funktionieren als die Big-Leaf-Modelle. Dies gibt uns gute Gründe zu der Annahme, dass unsere Ansätze auch besser als die Big-Leaf-Modelle darin sein sollten, die Bandbreite möglicher Ergebnisse für einen Wald unter verschiedenen Klimawandelszenarien zu erfassen.“ Dies liegt im Wesentlichen daran, dass sie einen direkteren Bezug zu tatsächlichen Messungen darüber haben, wie Pflanzen wachsen und auf ihre Umgebung reagieren. „Indem wir Modelle und Daten zusammenbringen“, betonte er, „können wir langsam aber sicher das Gesamtbild erfassen und es richtig machen“ – so betonte er gegenüber den Studierenden die Bedeutung empirischer Arbeit: „Wir brauchen mehr meteorologische Daten und.“ Wir brauchen gute Daten zur Waldzusammensetzung im gesamten Amazonasbecken.“

Durch die Einbeziehung von Ökosystemmodellen in einen Feldkurs wurden die Studierenden mit einem wichtigen wissenschaftlichen Werkzeug vertraut gemacht. Wie Wofsy bereits in der Vergangenheit gesagt hat (siehe „Das große globale Experiment“, November-Dezember 2002, Seite 34), gilt dies nicht für das übliche Paradigma, bei dem ein Wissenschaftler eine Hypothese aufstellt und dann ein Experiment ausarbeitet, um sie zu testen Halten Sie im Bereich der Klimawissenschaften fest: Da das System viele natürliche Schwankungen aufweist, müssten Forscher mehrere Erden Treibhausgasen aussetzen und mehrere andere als Kontrollen in Ruhe lassen. Die Modelle ermöglichten es den Schülern auch, ihre empirischen Beobachtungen in „eine Schlussfolgerung aus langfristigen, großräumigen Ökosystemreaktionen“ zu übersetzen, so Moorcroft später. „Ich denke, es ist wichtig, den Schülern zu zeigen und zu verstehen, wie das Puzzleteil, an dem sie arbeiten, Teil eines größeren Bildes ist und über die nationale Herkunft hinausgeht.“

„Die Modelle haben die Arbeit auf eine andere Ebene gehoben“, sagte Newell. Gleichzeitig unterstrichen sie die Tatsache, dass die künftigen Klimaauswirkungen in den Vereinigten Staaten voraussichtlich deutlich weniger schwerwiegend sein werden als in Brasilien. „Für die Brasilianer steht mehr auf dem Spiel als für uns“, sagte er. „Der Klimawandel ist ein globales Problem, aber der Amazonas ist ihr Hinterhof.“ Dennoch war er durch das Treffen mit den Brasilianern optimistischer hinsichtlich der Chancen, diese Herausforderung zu meistern. „Es war toll, so viele kluge Leute zu treffen, denen die gleichen Dinge am Herzen liegen.“

Die Unterstützung durch eine großzügige Spende für die internationale Berichterstattung ermöglichte es dem Chefredakteur Jonathan Shaw '89, nach Brasilien zu reisen, um diesen Artikel zu recherchieren.

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