Natur und Umwelt | Philipp Schuler

Die atmosphärische Trockenheit – eine unterschätzte Grösse im Klimawandel

Published 5. Januar 20213. Januar 2021

In der Diskussion um die Auswirkungen des Klimawandels liegt der Fokus heutzutage auf der sich erhöhenden Temperatur und auf Änderungen im Niederschlag. Für den Wasserhaushalt von Pflanzen und einer Region ist aber eine weitere Grösse von zentraler Rolle, welcher sich viele nicht bewusst sind: Das Sättigungsdefizit der Luft an Wasserdampf (kurz VPD, Vapour-pressure deficit), welche die Trockenheit der Atmosphäre beschreibt. Trockener Boden erschwert oder verunmöglicht die Wasseraufnahme von Pflanzen, atmosphärische Trockenheit entzieht der Vegetation und dem Boden Wasser und trocknet diese somit weiter aus.

Ein häufiger Anblick im 2020: Die Blätter von Bäumen vertrockneten aufgrund von Hitze und Trockenheit

Luft kann nur eine gewisse Menge an Wasserdampf aufnehmen – je näher der Wassergehalt der Luft an diesem Grenzwert ist, desto langsamer verdunstet Wasser aus dem Boden oder wird langsamer von Pflanzen transpiriert und wenn dieser Grenzwert erreicht wird, verdunstet gar kein weiteres Wasser. Wie viel Wasserdampf von der Luft aufgenommen werden kann, hängt dabei von ihrer Temperatur ab und steigt exponentiell mit steigender Temperatur an (Grafik 1, kann online z.B. hier berechnet werden).

Grafik 1: Maximaler Wassergehalt in Gramm (= in Milliliter) eines Kubikmeter Luft in Abhängigkeit der Temperatur.

Steigt also die Lufttemperatur an, kann diese wesentlich mehr Wasser aufnehmen. Zwar verdunstet bei einer höheren Temperatur auch mehr Wasser, jedoch ist z.B. an Land die Menge an Wasser begrenzt. Dadurch weist der Wassergehalt der Luft tendenziell ein höheres Defizit auf, je höher die Temperatur ansteigt. Dieses Defizit ist die Differenz zwischen des potentiell maximalen Wassergehalts der Luft und ihres tatsächlichen Wassergehalts (Grafik 2 a und b) – in der Fachsprache spricht man vom Sättigungsdefizit der Luft, auf englisch Vapour-pressure deficit oder kurz VPD (in kPa). Dieser VPD kann als eine «Kraft» verstanden werden, welche die Verdunstung von Wasser aus dem Boden und Gewässern oder die Transpiration (das «Schwitzen) bei Pflanzen vorantreibt. Als Faustregel gilt, dass ein VPD von 1 kPa für Pflanzen optimal ist – sie verdunsten nicht zu viel Wasser, aber genug, damit sie ausreichend Nährstoffe zu den Blättern transportieren können.

Grafik 2 a und b: Darstellung des VPD bei sich erhöhender Temperatur aber gleichbleibender Luftfeuchte. Obere Linie: Maximaler Wasserdampfdruck bei einer gegebenen Temperatur, untere Linie der Wasserdampfdruck bei 20% Luftfeuchte bei einer bestimmten Temperatur. Die Differenz ist die Grösse des VPD – je grösser, desto stärker wird der Vegetation und dem Boden Feuchtigkeit entzogen. Quelle: Grossiord et al. 2020.

Gewisse Regionen haben aufgrund ihres Klimas auf natürliche Weise ganz unterschiedliche Voraussetzungen, wie gross der VPD sein kann. Wenn man sich die Grafiken 3 und 4 ansieht erkennt man, dass der VPD bei einer Temperatur von 20 °C nur wenig höher als 2 kPa steigen kann und dass bei einer hohen relativen Luftfeuchtigkeit die Temperatur sehr hoch werden muss, damit ein hoher VPD erreicht wird. Man kann sich also gut vorstellen, dass in relativ kühlen und feuchten Regionen wie den Alpen, der französischen Atlantikküste oder in Grossbritanien die Luft nie sehr trocken werden kann. Die dort vorkommende Vegetation ist an diese Bedingungen angepasst, sie haben also meistens keinen speziellen Schutz vor verstärkter Verdunstung durch eine trockene Atmosphäre.

Grafik 3: Verlauf des VPD bei einer konstanten Temperatur und sich ändernder relativen Luftfeuchte

Grafik 4: Verlauf des VPD bei einer konstanten Luftfeuchte und sich ändernder Temperatur

Steigt nun durch den Klimawandel die Temperatur stark an oder verringert sich die relative Luftfeuchtigkeit durch geringere Niederschläge, wird die Luft auch viel trockener und Pflanzen verdunsten mehr Wasser (Grafik 5). Dadurch wird einerseits dem Boden Wasser entzogen, andererseits können Pflanzen auch direkten Schaden nehmen, wenn sie mehr verdunsten, als das sie wieder aufnehmen können. Als Resultat füllen sich ihre Leitbahnen, mit denen sie Wasser und Nährstoffe zu den Blättern transportieren, mit Luft, wodurch dieser Transport unterbrochen wird und die Pflanzen beginnen zu welken. Dadurch können Pflanzen absterben, obwohl der Boden eigentlich noch genügend Wasser enthalten würde.

Grafik 5 A bis D: Änderung des Sättigungsdefizits zwischen Blattinneren (100% relative Luftfeuchte (RH)) und Luft bei einer Verringerung der relativen Luftfeuchte (A vs. B und C vs. D) und bei steigender Temperatur (A vs. C und B vs. D).

Die atmosphärische Trockenheit gibt uns also weitere Informationen darüber, wie stark Pflanzen an Trockenheit leiden und ob gewisse Pflanzenarten in einer Region in Zukunft noch überleben können. Wie bei allen klimatischen Parametern spielt hierbei nicht die Mittelwerte sondern die Extremwerte eine entscheidende Rolle. Ist z.B. die Wasserversorgung im Sommer im Durchschnitt zwar gegeben, vertrocknen viele bei uns vorkommenden Pflanzenarten trotzdem, wenn der Wassergehalt des Bodens auch nur für ein paar Tage unter einen gewissen Schwellenwert sinkt oder die Luft für eine längere Zeit im Sommer den Pflanzen zu viel Wasser entzieht (Bild 1).

Bild 1: Grundlage des Vertrocknen von Pflanzen. Die Pflanze verdunstet mehr Wasser, als das sie aus dem Boden aufnehmen kann. Dadurch entstehen in ihren Leitbahnen Gasblasen, welche bei anhaltender Trockenheit mehr und mehr Leitbahnen füllen kann, wodurch der Wassertransport immer mehr abnimmt. Ab einem gewissen Schwellenwert (Artabhängig) sterben die Pflanzen ab.

System Change not Climate Breakdown

Published 30. Juni 202030. Juni 2020

Warum wir einen grundlegenden Wandel in unserem Wirtschaftssystem dringend brauchen

Das heutige Wirtschaftssystem ist ein auf endlosem Wachstum und steigendem Ressourcenverschleiss basierendes Konstrukt. In der Natur kommen solche Systeme normalerweise nicht vor und wenn sie vorkommen, meist nur sehr kurzfristig, wenn der Mensch ein System zum Beispiel durch einen übermässigen Nährstoffeintrag stark verändert hat.

Als ein gutes Beispiel dafür kann man eine Bakterienkultur heranziehen. Hat man eine Mischung verschiedener Arten mit unterschiedlichen Eigenschaften in einem Kulturgefäss und stellt ihnen ausgeglichene Bedingungen zur Verfügung, kann diese Kultur lange überleben. Erhöht man jedoch das Wachstum einer Art zum Beispiel durch die Zugabe von Zucker erheblich, verbraucht diese alle Nährstoffe des Systems innert kürzester Zeit, es werden hohe Konzentrationen an giftigen Abfallprodukten gebildet und das System kollabiert. Ähnlich verhält es sich bei sich stark ausbreitenden Krankheiten, die ihre Wirte töten – nach einer exponentiellen Ausbreitung bricht ab einem gewissen Punkt die Epidemie zusammen, da keine Wirte mehr vorhanden sind.

Mir ist bewusst, dass dies sehr drastische Vergleiche sind. Jedoch ist es aufgrund der Dringlichkeit der heutigen Situation unumgänglich, denn genau so verhält sich das heutige Wirtschaftssystem auf der Welt. Schon heute taut der Permafrost, wie es eigentlich erst auf das Ende dieses Jahrhunderts vorausgesagt wurde. Riesige Waldflächen brennen, sei es nun in der Arktis oder in den tropischen Regenwäldern Afrikas und Südamerikas.

In Europa sterben Millionen Bäume aufgrund der Trockenheit, die Bestände von Insekten und Vögeln befinden sich in einem dramatischen Sinkflug. Heute sind 105’000 Arten auf der Roten Liste der IUCN, alleine 2019 kamen 7000 Arten neu dazu. In den kommenden Jahrzehnten wird diese Liste wohl auf rund eine Million Arten anwachsen, wenn wir nicht sofort etwas dagegen tun.

Das grundlegende Problem unseres heutigen Wirtschaftssystems ist klar: Es basiert auf einem unendlichen Wachstum, bei dem Ressourcen planmässig verschwendet werden, eine Überproduktion einkalkuliert ist und sich der Wohlstand in den Händen einiger weniger anhäuft, währenddessen der Grossteil der Bevölkerung schlecht dasteht und teilweise um ein halbwegs menschenwürdiges Leben kämpfen muss.

Wie widerwärtig dieses System ist, können wir gut am Beispiel der Rüstungsindustrie sehen. Nur damit sich diese Konzerne weiter bereichern können, exportieren sie aus der Schweiz Kriegsmaterial in die ganze Welt. Kriegsmaterial ist bekanntlich nicht dazu da, Menschenleben zu schützen und die Gesellschaft weiter zu bringen – Kriegsmaterial tötet. Dies sollte allen klar sein und niemand sollte dies mit dem eigenen Gewissen vereinbaren können, aber unter der Doktrin des Wirtschaftswachstums wird in Kauf genommen, dass Menschen abgeschlachtet werden.

Dass wir gemeinsam dieses System von Grund auf ändern müssen, liegt auf der Hand. Wir müssen schnellstmöglich davon abkommen, dass wir in einer auf Wachstum und Ausbeutung basierenden Gesellschaft leben. Dafür müssen wir einerseits den Handel von Aktien, Rohstoffen und Nahrungsmitteln in seine Schranken weisen oder unter Umständen gleich ganz verbieten. Denn der Aktienkurs ist heutzutage an das stetige Wachstum einer Firma gekoppelt und eine Firma verliert gleich an Wert, wenn diese auch nur weniger wächst als prognostiziert.

Die Wirtschaft wird deswegen durch kurzsichtige Restrukturierungs- und Auslagerungsstrategien geprägt, durch die es immer häufiger zu Massenkündigungen und der Verlagerung von festen hin zu temporären Arbeitsstellen kommt. Dies alles nur, damit Grossaktionär*innen hohe Dividendenausschüttungen und das Management exorbitante Boni einkassieren können.

Der Grossteil der Bevölkerung leidet darunter und die gnadenlose Ausbeutung der natürlichen Ressourcen schreitet im Eiltempo voran. Zeitgleich werden an den Börsen Grundnahrungsmittel gehandelt, wodurch deren Preise derart steigen, dass sich viele Menschen auf der Welt diese nicht mehr leisten können und akut an Unterernährung leiden. Diese neoliberale Wirtschaftsdoktrin des Kapitalismus, die sich gerne unter dem Deckmantel der freien Wirtschaft verkauft, führt unweigerlich zur Anhäufung des Wohlstandes bei einigen wenigen und der zunehmenden Verarmung und Ausbeutung des Grossteils der Bevölkerung und einem Zusammenbrechen der natürlichen Systeme.

Es ist anzunehmen, dass sich diese Entwicklung bei einem weiteren Voranschreiten der Digitalisierung und Robotisierung noch weiter zuspitzen wird.Auf Kosten der arbeitnehmenden Bevölkerung werden viele Stellen verschwinden und es ist blauäugig zu glauben, dass in unserem heutigen System diese Stellen durch neue Arbeitsplätze ersetzt werden. Szenarien, welche wir bisher nur aus dystopischen Büchern oder Filmen kennen, werden immer wahrscheinlicher. Schreitet diese Entwicklung weiter voran, wird der Grossteil der Menschen unter prekären Umständen in einer zerstörten Welt leben, währenddem sich eine Parallelgesellschaft von Superreichen abspaltet. Um ein weiteres Voranschreiten in eine solche Zukunft zu verhindern, müssen wir als Gesellschaft nun schnellstmöglich handeln.

Ein wichtiger Schritt wäre, eine Gegenbewegung zur neoliberalen Privatisierungswelle zu starten. So gehört einerseits die Grundversorgung in die Hände des Staates -es kann nicht sein, dass sich beispielsweise unsere Wasser-, Energie- und Gesundheitsversorgung in privaten Händen befinden. Zudem soll der Staat viel mehr in die Forschung und Entwicklung neuer Technologien investieren, diese dann aber in staatlichen Forschungsinstituten und Unternehmen behalten.

Es ist essentiell, dass wir als Bevölkerung diese Technologien in den eigenen Händen haben, die Gewinne und Errungenschaften aus diesen auch der Bevölkerung zugutekommen und dass diese Betriebe nicht an den Aktienmärkten mitspielen. Denn der Staat ist kein Fremdkörper, der über uns entscheidet – der Staat sind wir als vereinte Bevölkerung.

Mir ist bewusst, dass ich hier keine vollumfängliche Anleitung für den Systemwandel liefere. Dies muss ich als Einzelperson auch nicht. Es muss uns aber klar sein, dass unser heutiges neoliberales Wirtschaftssystem, auch als Kapitalismus bekannt, uns im Eiltempo auf den Abgrund zusteuert. Es ist höchste Zeit, dass wir gemeinsam das Ruder herumreissen und ein System aufbauen, welches nicht mehr auf einem desaströsem Wachstum beruht und in dem die Gewinnmaximierung über dem Wohl von Mensch und Umwelt steht.

Den Wald heute an das Klima von morgen anpassen

Published 1. Oktober 202031. Januar 2020

Spätestens seit dem Dürresommer 2018 ist klar, dass unsere heutigen Wälder nicht für den aktuellen und bevorstehenden Klimawandel gewappnet sind. Schon mit der aktuellen Erhöhung von rund 2.0 °C in der Schweiz kommen regional gewisse Baumarten an ihre Grenzen. Sie werden anfällig gegenüber Extremereignissen, die durch das sich ändernde Klima häufiger werden. Damit dies nicht zu einem grossflächigen Absterben der Bäume in unseren Wäldern führt, muss schnellstmöglich gehandelt und schon heute die Baumartenzusammensetzung an das wesentlich wärmere und trockenere Klima angepasst werden.

Kahlschlagsfläche in der Basler Lange Erlen. Die ehemalige Fichtenmonokultur ist dem Dürresommer 2018 zum Opfer gefallen © Philipp Schuler

Klimawandel der Region Basel
In Basel stieg die jährliche Durchschnittstemperatur innerhalb eines Jahrhunderts von 9.6 °C um 1.6 °C auf 11.2 °C an (Durchschnitt 1900-1919 bzw. 2000-2019, Messstation Basel-Binningen ¹). Somit ist Basel in dieser Zeit vom temperierten zum submediterranen Klima gewechselt.

Der Dürresommer von 2018 hat schweizweit schon unter den heutigen klimatischen Bedingungen tausende Bäume zum Absterben gebracht – sei es direkt durch Vertrocknen oder vor allem indirekt durch Langzeitschäden wie Infektionen durch Krankheitserreger oder Parasiten, welche bei den stark geschwächten Bäumen leichtes Spiel hatten.

In den kommenden 30 Jahren wird die hiesige jährliche Durchschnittstemperatur voraussichtlich auf rund 13 °C ansteigen und somit wie Locarno vom submediterranen ins mediterrane Klima wechseln. Dies jedoch mit weniger als der Hälfte des jährlichen Niederschlags, was den Wald in der Region Basel noch anfälliger auf das geänderte Klima macht. Wenn wir die globalen Treibhausgasemissionen nicht umgehend stark reduzieren, wird bis zum Ende dieses Jahrhunderts die hiesige Jahresdurchschnittstemperatur um weitere 1 bis 3 °C auf 14 bis 16 °C steigen.

Bäume können mit dem Klimawandel nicht mithalten
Keine der bisher regional vorkommenden Baumarten wird diesen Klimaveränderungen gewachsen sein². Die Frage ist nur, wie schnell und wie weit wir den Temperaturbereich verlassen werden, den unsere heutigen Baumarten verkraften können.

«Wenn wir jetzt nicht handeln und unsere Wälder fit für den Klimawandel machen, werden wir relativ bald vor einem Desaster stehen.»

Praktisch alle heute in Europa natürlich vorkommenden Pflanzen- und Tierarten haben die letzten eiszeitlichen Kälteperioden in einem mehr oder weniger schmalen Streifen rund um das Mittelmeer überdauert³ – mit Ausnahme der an Kälte angepassten Arten, die wir heute noch in der Tundra, Taiga und dem Hochgebirge finden⁴.

Von der Geschichte der Europäischen Wälder lernen
Biogeographisch und ökologisch bildeten die europäischen Arten also über lange Zeit mehr oder weniger eine Einheit und überschneiden sich in den Übergangszonen vom temperierten zum mediterranen Klima noch heute. Es ist anzunehmen, dass viele unserer heimischen Tierarten auch heute noch eine potentielle Anpassung an Arten aufweisen, welche heute gar nicht mehr mit ihnen im gleichen Gebiet vorkommen.

Als Beispiel hierfür ist beispielsweise die Esskastanie (Marroni/Castanea sativa) zu nennen. Sie überdauerte ebenfalls am Mittelmeer in mindestens zwei Refugialgebieten in der Region von Griechenland und der Türkei im Osten und in der Region von Italien und Spanien im Westen⁵. Erst durch die Römer wurde sie wieder nördlich der Alpen im geringen Umfang verbreitet. Trotz der (von einem menschlichen Blickwinkel betrachtet) langen Trennung der Verbreitungsgebiete konnte nachgewiesen werden, dass Esskastanien in Deutschland eine mit den heimischen Eichen vergleichbare Biodiversität an Käfer- und Pilzarten beherbergen⁶.

Biogeographisch ähneln sich noch heute die Waldgemeinschaften in Europa, dem nahen Osten und im Iran in vielen Aspekten, so sind auch unsere heimischen Eichenarten in diesen Regionen zu finden ⁷. Rund um das Mittelmeer gibt es unzählige Baumarten, welche uns in Mitteleuropa nur wenig oder gar nicht bekannt sind⁸. Viele dieser Arten haben heute oft nur noch ein relativ kleines Verbreitungsgebiet und sind teilweise selbst vom Aussterben bedroht. Jedoch haben viele von ihnen das Potential, den notwendigen Waldumbau so zu gestalten, dass er sowohl ökologisch als auch forstwirtschaftlich Erfolgreich durchzuführen wäre.

Eichen aus dem Mittelmeerraum sind sehr resistent gegen Hitze und Trockenheit und bieten unzähligen heimischen Tierarten Nahrung und Lebensraum © Philipp Schuler

Alte Fehler werden Wiederholt
Leider werden jedoch in der Forstwirtschaft auch heute oft die gleichen Fehler begangen, wie sie schon im letzten Jahrhundert gemacht wurden. Zur Anpassung an den Klimawandel werden Bäume wie die nordamerikansche Douglasie verwendet. Ihre forstwirtschaftliche Eignung im Zusammenhang mit dem Klimawandel ist jedoch fragwürdig, vor allem die in Europa verwendeten Herkunft, welche an relativ feuchtes Gebirgsklima angepasst ist⁹. Zudem beherbergt diese Art tendenziell eine weniger hohe Biodiversität bzw. vor allem bei Arten, welche keine grossen Ansprüche an ihren Lebensraum haben¹⁰.

Auch sonst in der Forstwirtschaft oft auf Arten mit nordamerikanischer Herkunft gesetzt¹¹, welche sich bei genauer Betrachtung weder für ein wärmeres und trockeneres Klima eignen, ökologisch fragwürdig sind und sich höchstens als Beimischung in einen Waldbestand eignen.

Durch den Klimawandel hat sich unsere Umwelt schon stark geändert. In Basel herrscht jetzt submediterranes Klima und es wird sich in Zukunft noch viel stärker erwärmen.

Es wäre mir auch lieber, wenn wir jetzt noch 200 Jahre Zeit hätten, die ökologischen Auswirkungen der verschiedenen Baumarten des Mittelmeerraumes und des nahen Ostens im Waldbau genau zu studieren. Leider haben wir aufgrund der akuten Situation nicht die benötigte Zeit die dazu nötig wäre. Aufgrund diverser biogeographischer und ökologischer Erkenntnisse können wir aber mit einer sehr grossen Sicherheit sagen: mit Baumarten aus dem Mittelmeerraum ist es möglich, welche eine hohe ökologische Vielfalt mit einem forstwirtschaftliche Mehrwert zu verbinden.

Wir haben jetzt schon keine Zeit mehr – handeln wir jetzt!

Stark degradierte Landschaft am Beispiel des östlichen Mittelmeerraums. Übernutzung, Erosion und Trockenheit verunmöglichen eine Regeneration der natürlichen Ökosysteme © Philipp Schuler

Und der Umbau unserer Wälder muss sehr bald beginnen. Wenn wir jetzt nicht handeln und unsere Wälder fit für den Klimawandel machen, werden wir relativ bald vor einem Desaster stehen. Im besten Fall bezieht sich dies nur auf die schon heute relativ warmen Tieflagen oder Karstregionen wie dem Jurabogen. Wenn wir den weltweiten Ausstoss an Treibhausgasen nicht bald in den Griff bekommen, werden davon jedoch voraussichtlich ein Grossteil der Schweiz akut betroffen sein.