RESETlakes

Zusammenfassung des RESETlakes (REmote SEnsing of Tipping points in Lakes)

Ziel dieses Projekts ist es, mithilfe von Erdbeobachtungssatellitendaten und numerischer Modellierung Kipppunkte in Gewässern frühzeitig zu erkennen, um letztendlich sozioökonomische Schäden abzuwenden.

Kipppunkte sind kritische Schwellenwerte, an denen selbst geringfügige Umweltveränderungen zu drastischen und möglicherweise irreversiblen Veränderungen in einem Ökosystem führen können. Für aquatische Ökosysteme sind sie von doppelter Bedeutung. Einerseits können aquatische Ökosysteme selbst solche Übergänge durchlaufen, andererseits können sie durch Kippelemente in ihrem Einzugsgebiet stark beeinträchtigt werden. Diese Auswirkungen können den biologischen, chemischen oder physikalischen Zustand von Gewässern wie Seen so stark verändern, dass ihre Nutzung durch Haushalte, Industrie, Schifffahrt oder für touristische Zwecke eingeschränkt wird.

Hintergrund

Seen erfahren aufgrund des Klimawandels dramatische physikalische, hydrologische und biogeochemische Veränderungen, die potentiell ökologische Kipppunkten darstellen können. Zu den wichtigsten Veränderungen zählen steigende Oberflächenwassertemperaturen, eine abnehmende Eisbedeckung, eine erhöhte Verdunstung und veränderte Durchmischungsprozesse. Die globalen Oberflächenwassertemperaturen von Seen sind um 0,34 °C pro Jahrzehnt gestiegen, während sich die Dauer der Eisbedeckung verkürzt. Dadurch verändert sich die vertikale Durchmischung und die sommerliche Schichtung wird verlängert. Diese Veränderungen können dazu führen, dass dimiktische Seen, die sich zweimal pro Jahr durchmischen, zu monomiktischen oder oligomiktischen Seen werden, die sich seltener durchmischen. Die so veränderte Durchmischung stellt eine Störung für das ganze Ökosystem dar.

Der Verlust der Eisdecke erhöht die Verdunstung, was zu einem höheren Wasserverlust führt, insbesondere bei Seen in grosser Höhe und in hohen Breitengraden. Prognosen gehen von einem Anstieg der globalen mittleren jährlichen Verdunstung um 16 % bis zum Ende des Jahrhunderts aus. Wenn die Niederschläge oder der Zuflussaus Flüssen diese erhöhte Verdunstung nicht ausgleichen, kann das Volumen der Seen zurückgehen, wodurch einige Seen austrocknen und permanente Seen sich zu ephemeren Seen umwandeln könnten. In bestimmten Regionen, wie dem Tibetischen Plateau und der Arktis, haben sich die Seen jedoch aufgrund der Gletscherschmelze und des Auftauens des Permafrostbodens vergrößert.

Der Rückgang der Eisbedeckung verringert die Albedo der Seen, was zu einer erhöhten Wärmeaufnahme und dadurch zu einer weiteren Erwärmung führt. Dieser Rückkopplungseffekt beschleunigt die Erwärmung der Seen, verlängert die Schichtung und verändert die ökologische Dynamik. Darüber hinaus beeinflusst der Klimawandel den Austausch von Treibhausgasen in Seen, wobei eine verringerte Eisbedeckung zu einer höheren Produktivität, Algenblüten und einer veränderten Durchmischung führt. Eine seltenere Durchmischung führt zu einem Rückgang des Sauerstoffgehalts im Tiefenwasser, was möglicherweise anoxische Bedingungen und die Freisetzung von Methan auslösen kann, und somit den Klimawandel weiter verschärft. Biogeochemische Veränderungen wirken sich auch auf den Nährstoffkreislauf aus, erhöhen das Risiko der Eutrophierung und verändern das Gleichgewicht der Kohlenstoffspeicherung in Sedimenten.

Veränderungen im gesamten Einzugsgebiet, wie beispielweise Veränderungen in der Landnutzung, Niederschlagsmengen und Verschmutzung, treiben Veränderungen in den Seen weiter voran. Erhöhte Abflüsse aufgrund extremer Wetterereignisse verstärken die Belastung mit Nährstoffen und gelösten organischen Stoffen, was zu Wasserverfärbungen, Eutrophierung, und potenziellen Risiken für die menschliche Gesundheit führt. Darüber hinaus verändern das Auftauen des Permafrostbodens und der Rückgang der Gletscher die Ausdehnung, Chemie und Transparenz der Seen, während Waldbrände und andere Störungen der Ökosysteme im Einzugsgebiet zu biochemischen Einträgen führen, die sich auf die Produktivität der Seen und die Nahrungsnetze auswirkt.

Verstärkte Verdunstung, verringerte Albedo und erhöhte Methanemissionen tragen zum regionalen und globalen Klimawandel bei. Hochgelegene Seen beeinflussen lokale Niederschlagsmuster, während arktische und alpine Seen, die einen Eisverlust erfahren, zu einer verstärkten Erwärmung der Atmosphäre beitragen. Die kombinierten Auswirkungen dieser Veränderungen könnten die Ökosysteme der Seen an einen Punkt bringen, an dem es kein Zurück mehr gibt, mit erheblichen ökologischen und klimatischen Folgen.

Zielen und Vorgaben

RESETlakes zielt darauf ab, unser Verständnis der Risiken und Prozesse im Zusammenhang mit Kippelementen und abrupten Veränderungen oder Übergängen in Seeökosystemen zu verbessern. Durch den Einsatz von Erdbeobachtungssatelliten und prozessbasierter Modellierung verfolgt das Projekt folgende Ziele:

• Identifizierung und Verständnis von Kipppunkten: Untersuchung der Widerstandsfähigkeit und Kipppunkte von Seeökosystemen unter Berücksichtigung kritischer Faktoren wie Eisbedeckung, Wassertemperatur und biogeochemischer Eigenschaften.
• Integration von Satellitendaten in Modelle: Entwicklung fortschrittlicher Methoden zur Integration von Erdbeobachtungssatellitendaten in In-Situ-Beobachtungen und Modelle, um die Vorhersagefähigkeiten und das Prozessverständnis zu verbessen.
• Erforschung weiterreichender Auswirkungen: Analyse, wie sich Veränderungen in Seesystemen auf biogeochemische Kreisläufe und Klimarückkopplungsmechanismen auswirken, um wichtige Erkenntnisse über die Gesundheit und Stabilität dieser empfindlichen Ökosysteme zu gewinnen.
• Beitrag zu IPCC-Berichten: Befassung mit wichtigen Forschungsfragen im Zusammenhang mit den Wechselwirkungen und Auswirkungen von Kippelementen, um wertvolle Erkenntnisse für künftige IPCC-Berichten zu liefern.
• Quantifizierung und Charakterisierung von Unsicherheiten: Entwicklung robuster Methoden zur Quantifizierung und Charakterisierung von Unsicherheiten in der Analyse, sowohl in Bezug auf die Erdbeobachtungssatellitendaten als auch auf die numerische Modellierung, um zuverlässige Ergebnisse zu gewährleisten, die das Vertrauen in unsere Erkenntnisse stärken.
• Förderung der Widerstandsfähigkeit von Ökosystemen: Mit dieser Forschung möchten wir einen Beitrag zum Erhalt und zur Widerstandsfähigkeit von Seeökosystemen angesichts der anhaltenden Klimakrise leisten.