Mitte der 2000er Jahre hatten sich die Modelle so weit verbessert, dass die Wissenschaftler die Rolle der Pflanzen im Klimasystem genauer untersuchen konnten. Fung schlug Swann vor, dass die Arktis in einem Klimamodell aufzuforsten. Bäume kolonisieren höhere Breitengrade, während sich die Erde erwärmt, so dass es vernünftig erschien, die Auswirkungen auf das Klima der Region zu analysieren. Andere Forscher hatten zuvor die möglichen Folgen ausgeweiteter Fichtenwälder im Norden untersucht: Wenig überraschend fanden sie heraus, dass die Arktis wahrscheinlich wärmer werden würde, weil die Blätter dieser Bäume dunkel sind und mehr Sonnenlicht absorbieren würden als die Tundra, Eis und Sträucher, die sie ersetzen. Swann wollte wissen, was passieren würde, wenn die neuen Wälder aus Laubbäumen mit helleren Blättern wie Birke oder Espe bestünden.

In ihrem Modell erwärmte sich die Arktis noch immer – um etwa ein Grad Celsius und damit mehr als erwartet. Swann stellte fest, dass ihre simulierten Wälder viel Wasserdampf abgaben, der wie Kohlendioxid ein Treibhausgas ist, das die Infrarotstrahlung der Erde absorbiert und einen Teil davon wieder zurückwirft. Der Dampf ließ dadurch das Eis an Land und auf See schmelzen und enthüllte dunklere Oberflächen, die wiederum mehr Sonnenlicht aufnahmen und noch wärmer wurden. Die neuen Wälder hatten eine Rückkopplung ausgelöst, die die Auswirkungen des Klimawandels verstärkte. Das Ergebnis deutete auf die Kraft hin, die Pflanzen auf das Klima einer Region ausüben könnten.

Laden... © swisoot / Getty Images / iStock (Ausschnitt) Dampfender Regenwald

In einer anderen Studie verwandelte Swann alle Vegetationsflächen der gemäßigten Breiten Nordamerikas, Europas und Asiens in Wald. Erneut übertrieb die Simulation einen Prozess, der in der Realität bereits stattfindet: Satellitendaten haben gezeigt, dass diese Kontinente grün werden, da sich ehemalige Ackerflächen in Wald zurückverwandeln, eventuell unterstützt durch mehr atmosphärisches Kohlendioxid und längere Vegetationsperioden. Wie in der Arktisstudie absorbierten die neuen Bäume Sonnenlicht, erwärmten sich und fügten so dem Klimasystem Energie hinzu. Atmosphärische Strömungen verteilten diese Wärmeenergie dann rund um den Planeten. Im südlichen Amazonasgebiet herrschten Dürren, und in der Sahara regnete es. Diese Effekte wurden durch eine Neupositionierung der Hadley-Zelle verursacht – das massive Förderband aus Luft, das am Äquator aufsteigt, Regen über die Tropen bringt und als trockene Luft etwa bei 30 Grad nördlicher und südlicher Breite absteigt, wo sich die meisten Wüsten der Welt befinden. Allein durch den Einfluss von Pflanzen hatte sich die Hadley-Zelle nach Norden verschoben.

Swann hatte anscheinend eine versteckte Fernverbindung entdeckt – eine Region, die durch subtile atmosphärische Mechanismen weit entfernte Gebiete beeinflusste. Fung war nicht so überrascht: Atmosphärenforscher haben sich schon länger mit solchen Ferneinflüssen vertraut gemacht. Bei periodischen El-Niño-Ereignissen, die seit den 1920er Jahren verstanden sind, löst ungewöhnlich warmes Oberflächenwasser im östlichen Pazifik starke Regenfälle im westlichen Südamerika und in Afrika sowie Dürren in Südostasien und Australien aus. Das Neue in Swanns simulierten Ereignissen war, dass Wälder und nicht Ozeane als Einfluss auftauchten. »Für mich war das eine wirklich interessante Perspektive«, gesteht Gordon Bonan, Geowissenschaftler am National Center for Atmospheric Research in Boulder, Colorado, der auch den Einfluss von Pflanzen auf die Atmosphäre untersucht. »Wenn man genügend Bäume pflanzt, kann man tatsächlich die Zirkulationsmuster ändern.«

Fernwirkungen von Waldveränderungen

Szenarien wie eine grüne Arktis oder eine wieder großflächig aufgeforstete, gemäßigte Zone sind nicht so weit hergeholt, wie es scheint. Laut einer Studie in »Nature« hat während der letzten dreieinhalb Jahrzehnte die Baumbedeckung in diesen Regionen um mehr als zwei Millionen Quadratkilometer zugenommen. Doch auch massive Baumverluste gehören zu unserer modernen Welt. In etwa der gleichen Zeit, in der gemäßigte und boreale Wälder an Raum gewannen, wurden etwa 20 Prozent des Amazonasregenwalds abgeholzt. Und seit 2010 sind allein in Kalifornien fast 130 Millionen Bäume gestorben, vor allem durch Dürre und Brände.

Viel Aufwand floss in die Frage, wie sich der zukünftige Klimawandel auf Wälder auswirken wird. Basierend auf den schweren Dürren der Jahre 2005, 2010 und 2015 glauben einige Wissenschaftler, dass sich der Amazonas einem Wendepunkt nähern könnte, an dem ein Großteil des Regenwalds in Savanne übergeht – mit potenziell verheerenden Folgen für die Kohlenstoffspeicherung, die biologische Vielfalt und das lokale Klima. Ein Studie Ende 2017 lieferte Hinweise darauf, dass die zukünftige Erwärmung die Dürren für Wälder des amerikanischen Südwestens noch kritischer machen würde. Einige Wissenschaftler sagen voraus, viele der Wälder im Südwesten könnten zu Savannen oder Grasland werden, und mindestens einer – Nate McDowell vom Los Alamos National Laboratory – wurde zitiert, dass ein großer Teil der Bäume der Region sterben könnte.

Doch die Frage, wie veränderte Wälder das Weltklima beeinflussen könnten, wurde bislang kaum berücksichtigt. »Seit Jahrzehnten haben wir es so betrachtet: Wie gut können wir das Klima modellieren, ohne Einflüsse der Vegetation berücksichtigen zu müssen?«, erläutert Williams. »Die Vegetation wurde irgendwie hintangestellt.«

Die Arbeiten von Swann und Fung legen dagegen nahe, die Pflanzen in den Vordergrund zu schieben. Und andere Wissenschaftler haben das endlich zur Kenntnis genommen. Anfang 2018 haben zwei Arbeitsgruppen, darunter eine mit Swann, Studien darüber verfasst, wie sich der von Wäldern angetriebene Wassertransport mit steigendem Kohlendioxidgehalt verändern wird. Studien an einzelnen Blättern haben gezeigt, dass Pflanzen in kohlendioxidreicher Umgebung weniger Stomata pro Blatt ausbilden müssen. Und sie schließen die bereits ausgebildeten über längere Zeiten. Diese Anpassungen helfen den Bäumen, Wasser zu sparen, aber sie reduzieren die Menge an abgegebenem Wasserdampf, der als Regen andernorts fallen könnte. Außerdem kühlen transpirierende Pflanzen die Erdoberfläche und erwärmen die Luft, so wie verdunsteter Schweiß den Körper an einem heißen Tag kühlt. Veränderte Gesamtblattflächen in kontinentalem Maßstab enthalten der Atmosphäre also Luftfeuchtigkeit und erwärmen die Oberfläche des Planeten.

Für Michael Pritchard, einen Klimatologen an der University of California in Irvine, waren die Ergebnisse von Swann »sehr provokativ (…) und ein lauter Weckruf«, unterstreicht er. »Dieser Effekt schien die Prognosekarten zukünftiger Dürreaussichten neu zu zeichnen.«

Vorher habe er nicht von den Auswirkungen der stomatären Verschlüsse gewusst, so Pritchard. Das Wissen bewegte ihn dazu, sich einer Gruppe unter der Leitung von Gabriel Kooperman – einem Klimaforscher, der damals an der University of California in Irvine war – anzuschließen und die zukünftigen Folgen erhöhter Kohlendioxidkonzentrationen auf die drei großen Tropenwaldregionen Amazonas, Zentralafrika und Südostasien zu untersuchen. In einer im April 2018 in »Nature Climate Change« veröffentlichten Studie stellten die Forscher fest, dass das Schließen der Spaltöffnungen die Hälfte der Niederschlagsänderungen verursachen würde, welche die Regionen bis 2100 erleben sollen. Darüber hinaus würde der Amazonas – die Heimat des kohlenstoffreichsten und artenreichsten Regenwalds der Welt – von den stärksten Rückgängen betroffen sein.

Swann untersucht nun die Auswirkungen von Waldveränderungen auf verschiedene Größenordnungen. 2016 berichtete sie, dass die Zerstörung von Wäldern im westlichen Nordamerika die Wälder im östlichen Südamerika kräftiger wachsen ließ und gleichzeitig das Wachstum in Europa reduzierte. Und in einer im Mai 2018 veröffentlichten Studie stellte sie die Frage, wie sich Waldsterben in Teilen der USA auf Wälder an anderer Stelle im Land auswirken würden. In ihren Modellen ließ sie Wälder in 13 stark bewaldeten Regionen absterben, die die National Science Foundation als unterschiedliche Ökosysteme identifiziert hatte. Die Ergebnisse waren dramatisch. Als sie Bäume im pazifischen Südwesten vernichtete, litten die Wälder im Mittleren Westen und Osten der USA. In den letzten Jahren hat der pazifische Südwesten in der Tat schätzungsweise 100 Millionen Bäume verloren, vor allem durch Dürren und Insektenplagen.

Aber Auswirkungen des Waldsterbens können auch positiv sein. In Swanns Studie half das Entfernen von Bäumen an der Atlantikküste der USA den Wäldern andernorts, indem es die Sommer in diesen Regionen kühler oder feuchter machte. Swann betont, dass dies nicht bedeutet, dass Menschen Wälder abholzen sollten, da sie unzählige weitere Vorteile bieten, etwa Kohlenstoffspeicherung, Lebensraum für Wildtiere und Wasserspeicherung. Doch sie merkt an, dass Umweltgruppen oft Bäume als Lösung für den Klimawandel pflanzen, ohne darüber nachzudenken, ob diese Wälder an anderer Stelle schaden könnten – oder den Planeten durch geringere Reflexion von Sonnenstrahlung erwärmen.

Ausgedehnte, von der Regierung geförderte Baumpflanzungen haben beispielsweise in China und im afrikanischen Sahel stattgefunden. Niemand weiß, welche Auswirkungen sie auf das globale Klima hatten. »Wir würde gerne sagen, dass diese Aufforstungen die globale Erwärmung verringert hätten«, betonte Bonan. »Wir haben diese Antworten jedoch noch nicht wirklich.«

Für Swann war es aufregend, überhaupt einen Effekt zu sehen. »Je kleiner wir in der Größenordnung gehen, desto schwieriger und schwieriger würde es, diese Klimaänderungen und die daraus resultierenden Waldveränderungen zu identifizieren«, meinte sie. »Die kleineren Waldverluste haben immer noch große Auswirkungen, und tatsächlich skalieren die Folgen nicht nur mit der verlorenen Baumfläche.«

Die Unsicherheiten sind immer noch wichtig

Nicht jeder ist von den Fernwirkungen zwischen Ökologie und Klima überzeugt. Sheil steht den Ergebnissen der von Kooperman geleiteten Studie skeptisch gegenüber. Er glaubt nicht, dass Klimamodelle exakt genug sind, um die Pflanzenbiologie und die Physik der Luftströmungen und des Niederschlags darzustellen, damit man etwas Sinnvolles über die reale biologische Welt sagen kann. Er stellt zum Beispiel fest, dass verschiedene Simulationen bei gleichem Input oft unterschiedliche Vorhersagen treffen.

Andere weisen darauf hin, dass sich die Ökoklimaforscher weitgehend auf ein einziges Modell namens CESM (Community Earth System Model) gestützt haben. Typischerweise sind Klimawissenschaftler erst dann davon überzeugt, dass ein Phänomen real ist, wenn sie es in zahlreichen Modellen gesehen haben; so berücksichtigt beispielsweise der neueste Bericht des IPCC die Ergebnisse von mehr als 30 Modellen. Es ist möglich, dass das CESM ungewöhnlich empfindlich auf Vegetation reagiert, so Pritchard.

Swann fügt selbst kritisch hinzu: Sie und ihre Kollegen waren nicht immer in der Lage, die gesamte physikalische Kausalkette zusammenzusetzen, durch die Wälder entfernte Regionen in ihren Modellen beeinflussen. In ihrem jüngsten Beitrag über die Wälder in den USA zum Beispiel gab es zu viele unterschiedliche Mechanismen, um einen nach dem anderen zu untersuchen, sagt sie. Die Situation erinnert an den hypothetischen Schmetterling, der in Brasilien mit den Flügeln schlägt und in Texas einen Tornado auslöst: Swann und ihre Kollegen können den Schmetterling flattern lassen und sehen, wie der Tornado Gestalt annimmt, aber sie verstehen nicht ganz, was dazwischen passiert. Die Aufklärung solcher Mechanismen wird ein Schwerpunkt der zukünftigen Arbeit sein.

Die Lösung wird jedoch nicht über Nacht erfolgen. Die meisten Modelle können, im Gegensatz zum CESM, nur von einer Hand voll Wissenschaftler, die sie erstellt haben, in einem großen Rechenzentrum betrieben werden. Diese Personen sind damit beschäftigt, Simulationen für den nächsten Bericht des IPCC durchzuführen, der 2022 erscheinen soll. Keines der verwendeten Modelle berücksichtigt vollständig den Einfluss der Pflanzen auf das Klima, urteilt Swann. Die historische Ansicht, dass es bei der Klimawissenschaft vor allem um physikalische Phänomene geht, schlägt noch durch. Seit mehr als einem Jahrzehnt sehen Klimatologen Wolken als die größte Unsicherheitsquelle in Modellen. Wolken kühlen den Planeten, indem sie einfallendes Sonnenlicht reflektieren, aber sie erwärmen den Planeten auch, weil sie aus dem Treibhausgas Wasserdampf bestehen. Die Modelle unterscheiden sich stark in der Frage, wie viele Wolken in Zukunft zur Kühlung oder Erwärmung beitragen werden und ob damit eine Verdoppelung des atmosphärischen Kohlendioxidgehalts problematisch, aber beherrschbar, oder wirklich katastrophal ist.

Wie viel Regen allerdings wann in einer bestimmten Region fällt und wie stark er von Saison zu Saison oder von Jahr zu Jahr variiert, wird bestimmen, welche Orte bewohnbar bleiben und welche nicht. Und die Ergebnisse von Swann und Fung legen zumindest nahe, dass Pflanzen die Antworten darauf ebenso beeinflussen könnten wie die Wolkenphysik. Außerdem, so Fung, sind die Modellierungsprobleme nicht einmal unabhängig: Wälder erzeugen Wolken. Ohne ein genaues Bild der Wälder bleiben Wolkenmodelle unvollständig. Deshalb startet Swann ein neues Projekt, um zu quantifizieren, wie stark Pflanzen zur Unsicherheit der Klimamodellergebnisse beitragen. Mit dieser Zahl könnte sie ein noch stärkeres Werkzeug in der Hand haben, um andere Forscher davon zu überzeugen, dass Ökologie und Atmosphärenforschung untrennbar miteinander verbunden sind.

Ein weiteres Projekt ist die Studie von Walddaten, um in Modellierungsstudien nachgewiesene Fernwirkungen empirisch zu bestätigen. Swann gibt jedoch zu, sie sei »ein wenig skeptischer«, dass solche Signale inmitten der vielen Einflussfaktoren auf Wälder zu erkennen sind. Sie und David Breshears, ein Ökologe an der University of Arizona und einer ihrer Koautoren der US-Waldstudie, untersuchen auch, wie sich zukünftige Waldverluste im US-Südwesten auf das Klima des Mittleren Westens, die Kornkammer des Landes und eines der produktivsten landwirtschaftlichen Gebiete der Welt, auswirken werden.

Eines ist bereits klar: Swanns Einfluss ist spürbar. In etwas mehr als einem Jahrzehnt sind Zusammenhänge zwischen Bio- und Atmosphäre von praktisch unbekannt zu einem häufigen Diskussionsthema bei großen wissenschaftlichen Foren wie der Ecological Society of America und der American Geophysical Union geworden. Solche Ideen werden nicht mehr als »unwissenschaftlich« abgetan. Die Entwicklungen in diesem neuen Forschungsgebiet zeigen, dass zukünftige Klimawissenschaftler zwei Bereiche beherrschen müssen, die seit mehr als einem Jahrhundert weitgehend getrennt sind, so Fung: Physik und Biologie der Atmosphäre. »Es gibt nur sehr wenige ›mehrsprachige‹ Wissenschaftler«, erklärt Fung. »Als Abby ihr Ding machte, war es die Hochzeit zweier Disziplinen.« Sie fügt hinzu: »So werden Fortschritte gemacht.«