Klimawandel - Junge Wissenschaft
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Junge Wissenschaft 9,50 EUR // Ausgabe Nr. 106 // 30. Jahrgang // 2015 Jugend forscht in Natur und Technik The European Journal of Science and Technology Experimente, e v w a ti isse: I n n ov Außerdem im Heft: Extreme Wetterereignisse und der Klimawandel // Wissenschaftsjahr: Stadtlärm – Weniger Stress in der Stadt von morgen // Studienwahlkurs: Mehr Pfeile im Köcher // Azubicon: Deutschlands erste virtuelle Azubimesse // Literaturtipps nd spannend e Themen: Die zwei Gesichter des Methans // Langes Leuchten // Strategiespiel mit Computerhirn // Welche Pflanzen bevorzugen die Bienen im Gäu? // Krebsstammzellen - Die Wurzel des Bösen zin a g a hs M c s u Da chw a r e N h r c fü ors f eu Ursache und Wirkung räg Klimawandel chaftliche B s n eit e iss n geb Er Young Researcher Jetzt anmelden. Bis 30.11.2015 auf jugend-forscht.de Editorial Wir setzen die Erde aufs Spiel. Diese Formulierung liest man immer wieder im Zusammenhang mit dem Klimawandel. Die Redensart „etwas aufs Spiel setzen“ drückt dabei aus, dass wir gefühlsmäßig das Leben beziehungsweise das Weiterbestehen der Erde als Glücksspiel auffassen: Es gibt Glückssträhnen und Pechsträhnen, es gibt Gewinne und Verluste und der Zufall spielt eine große Rolle. Man könnte den Klimawandel im Spiel mit und um die Erde als Pechsträhne abtun, gäbe es da nicht die eindeutige wissenschaftliche Aussage im 5. Sachststandsbericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) von 2013: „Der menschliche Einfluss auf das Klimasystem ist klar. Das ist offensichtlich aufgrund der ansteigenden Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre, dem positiven Strahlungsantrieb, der beobachteten Erwärmung und des Verständnisses des Klimasystems.“ Vielen Dank allen Firmen und Unternehmen, die mit Patenschaftsabonnements in die Zukunft investieren: vo nM I N To r i n g . ar Diese Exempl s ist Aus dieser Erkenntnis lassen sich zwei große Fragenbereiche ableiten: Auf der einen Seite die Frage wie es mit der Klimaforschung weitergeht, auf der anderen Seite, wie wir handeln können, um die Folgen unseres Tun abzuschwächen. ein Pr e i s i m R a hm Prof. Dr. Wilfried Kuhn, Villmar/Gießen en Zu den Perspektiven der Klimaforschung bis 2025 ist vor einigen Wochen ein Positionspapier des Deutschen Klima Konsortiums, eines Zusammenschluss der führenden Klimaforscher, erschienen. Dieses gliedert die Klimaforschung in drei Bereiche: Im Bereich “Das Klima verstehen“ geht es um die Verfeinerung von Klimamodellen. Hierzu leistet auch die Arbeit von Kaplar und Hartmann (ab Seite 18) einen in der Wissenschaft bereits beachteten Beitrag. Der zweite Bereich beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Klimaänderung auf die Natur und die menschlichen Lebensräume: Wir sollten vorbereitet sein auf das, was auf uns zukommt. Und der dritte Bereich öffnet den Blick in die Gesellschaft und fragt, wie Erkenntnisse für alle, insbesondere aber für die Politiker, verständlich werden. Und damit sind wir ganz nah dran an dem zweiten großen Fragenkomplex: Können wir als vernunftbegabte Wesen die Folgen unseres Tun abschwächen? Doch nun kommt ins Spiel, dass ganz viele Menschen mit jeweils guten Gründen für ihre Interessen werben und handeln. Oder mit den Worten des Spieltheoretikers Christian Rieks: „Im Spiel versucht jeder schlauer zu sein als der andere. Die Spieltheorie untersucht, was passiert, wenn dies alle versuchen.“ In der Tat ist es so, dass sich immer mehr Spieltheoretiker mit den internationalen Klimakonferenzen beschäftigen. Dabei stehen sie vor der Hausforderung, dass ihre bisherigen Spielszenarien nur sehr wenige, häufig nur zwei, Mitspieler berücksichtigt haben. Bei den Klimaverhandlungen spielen jedoch sehr viele mit und jeder steht vor der Frage: Handele ich so, dass für mich das Beste herauskommt oder kooperiere ich mit den anderen, so dass jeder zumindest eine kleinen Profit hat. Neue Untersuchungen von Max-Planck Forschern zeigen, dass Gleichgesinnte gemeinsam mehr bewirken. Und damit sind die Spieltheoretiker ganz nah dran an unserer täglichen Erfahrung: Gemeinsam sind wir stark. Nur auf den Weg in die Gemeinschaft muss sich jeder selber machen. 3 Young Researcher Um das Klima spielen? Danke Ein spielerisches Lesevergnügen wünscht Dr. Sabine Walter, Mitherausgeberin und Chefredakteurin der Jungen Wissenschaft Impressum Gründungsherausgeber: Prof. Dr. rer. nat. Paul Dobrinski † Herausgeber: Prof. Dr. Manfred Euler, Dr. Dr. Jens Simon, Dr.-Ing. Sabine Walter Verlag: Verlag Junge Wissenschaft Athanasios Roussidis Neuer Zollhof 3 40221 Düsseldorf Chefredaktion: Anzeigen: Bilder: Dr.-Ing. Sabine Walter Areti Karathanasi fotolia.com Telefon (02 11) 74 95 64-82 [email protected] [email protected] Druck: Redaktion: Tannhäuser Media GmbH Areti Karathanasi, Esra Atmis Grafik & Layout: Büttgenbachstraße 7 Athanasios Roussidis Ideenfilter Werbe40549 Düsseldorf und Designagentur GmbH Erscheinungsweise: Neuer Zollhof 3, 40221 Düsseldorf Geschäftsbedingungen: Eleni Aivazidou vierteljährlich Es gelten die Allgemeinen Geschäftsbedingungen des Verlags Junge Wissenschaft Preis: Objektleitung Athanasios Roussidis 30,00 € zzgl. Versand für 4 Ausgaben; Areti Karathanasi Schüler, Studenten, Referendare, Lehrer Telefon (02 11) 74 95 64-82 zahlen nur 20,00 € zzgl. Versand; [email protected] ISSN 0179-8529 Einzelpreis: 9,50 € zzgl. Versand Magazin Inhalt Junge Wissenschaft 106 // 2015 4 68 Stadtlärm: Weniger Stress in der Stadt von morgen 10 Extrem Wetter und Klimawandel Der Klimawandel wird das Risiko von Wetterextremen in der Zukunft deutlich erhöhen. Es ist aber nicht nötig, bei jedem Ereignis gleich die Frage zu stellen: „Ist das schon der Klimawandel?“ An einem Ereignis der Gegenwart können Wissen- schaftler kaum ablesen, ob dieses bereits von der globalen Erwärmung beeinflusst worden ist. Die Straßenbahn klingelt. Der Verkehr rauscht vorbei. Am U-Bahnhof spielt der Straßenmusiker. Im Straßencafé amüsieren sich Nachtschwärmer: So vielfältig die Geräuschkulisse unserer Städte ist, so laut geht es täglich auf unseren Straßen zu. Rund sechs Millionen Deutsche in Städten sind sogar Lärmwerten ausgesetzt, die Erkrankungen befürchten lassen. Doch was ist Lärm überhaupt und wie kann er beeinflusst werden? Editorial 3 Magazin I10 – 17 Jugend forscht18 – 67 Inhalt Die zwei Gesichter des Methans Vom Treibhausgas zum Energieträger der Zukunft: Neue Erkennt nisse zu Emission und Genese von Methan18 4–5 Extrem Wetter und Klimawandel Wie aus Jungforschern Neues 6 –9 junge Wissenschaftler werden 10 17 Die Strahlenbelastung beim Fliegen ermitteln 6 Mit dem Handy den Verlauf der Jahreszeiten beobachten 6 Magazin II68 – 76 Diamantartige Schichten sparen Treibstoff 7 Wissenschaftsjahr: Stadtlärm: Weniger Stress in der Stadt von morgen 68 Steigende Wassertemperaturen und Sauerstoffmangel setzen Meeresbewohner unter Druck 8 Azubicon: Deutschlands erste virtuelle Azubimesse 70 Studienwahlkurs: Mehr Pfeile im Köcher 72 Klimawandel in der Antarktis: Natürliche Temperaturschwankungen unterschätzt 9 Literaturtipps75 Strategiespiel mit Computerhirn Programmierung des Spiels Quixo mit Methoden der Künstlichen Intelligenz28 Langes Leuchten Verbesserungen für die Induktionstaschenlampe36 Welche Pflanzen bevorzugen die Bienen im Gäu? Untersuchung zur Sortenreinheit von Blütenhonig aus dem Gäu im Kanton Solothurn48 Krebsstammzellen Die Wurzel des Bösen Identifizierung von Tumorstammzellen in etablierten humanen Melanomzelllinien 56 Nicht nur Reisfelder emittieren Methan, sondern auch Wiesen und Äcker bei Staunässe. Die dafür verantwortlichen Bakterien kann man zur Methangewinnung aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff nutzen. 18 Bei Quixo gewinnt, wer zuerst fünf Steine in einer Reihe hat. Für die Programmierung eines starken Computergegners wurden Methoden der Künstlichen Intelligenz angewendet. 5 Junge Wissenschaft – Jugend forscht in Natur und Technik Autorinnen: Felicitas Kaplar Antonia Hartmann Strategiespiel mit Computerhirn Inhalt 28 Junge Wissenschaft veröffentlicht Originalbeiträge junger Autoren bis zum Alter von 23 Jahren mit anspruchsvollen Themen aus allen Bereichen der Naturwissenschaften und Technik. Gründungsherausgeber: Prof. Dr. rer. nat. Paul Dobrinski † Autoren: Alexander Buggisch Nicolas Hayen Tim Lüdemann Herausgeber: Prof. Dr. Manfred Euler Dr. Dr. Jens Simon Dr.-Ing. Sabine Walter Langes Leuchten Beirat: Dr. J. Georg Bednorz Nobelpreisträger IBM Research Division Forschungslaboratorium Zürich Bei einer Induktionstaschenlampe wird Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt, die in Kondensatoren gespeichert wird. Auf Grund systematischer Messungen konnte der Aufbau optimiert werden. 36 Autoren: Florian Proske Ludwig Kircher Welche Pflanzen bevorzugen die Bienen im Gäu? Unter dem Mikroskop sind Blütenpollen faszinierende Objekte. Aus dieser Faszination wurde eine systematische Arbeit zur Zusammensetzung eines Honigs. 48 Therapieresistente Krebstumorstammzellen könnten die Ursache für erneutes Tumorwachstum nach scheinbar erfolgreicher Therapie sein. In verschiedenen Zelllinien wird nach solchen Stammzellen gesucht. Autor: André Maciej Warzecha Prof. Dr. Gerhard Ertl Nobelpreisträger Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin Prof. Dr. Ernst O. Göbel ehemaliger Präsident der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (1995 - 2011), Braunschweig und Berlin Dr. Uwe Groth VDI Projektleitung „Jugend entdeckt Technik“, Hemmingen Autorin: Sophie Anna von Waldkirch Krebsstammzellen Die Wurzel des Bösen Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. Manfred Eigen Nobelpreisträger, Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie, Göttingen 56 Prof. Dr. Elke Hartmann Universität Halle VDI Bereichsvorstand „Technik und Bildung“ Dr. Sven Baszio Geschäftsführer der Stiftung Jugend forscht e. V., Hamburg Prof. Dr. Bernd Ralle Schriftführer der Zeitschrift MNU, Fachbereich Chemie, Universität Dortmund Wolfgang Scheunemann Geschäftsführer der dokeo GmbH, Stuttgart Young Researcher Die zwei Gesichter des Methans Jugend forscht Young Researcher 35 dern r ö f s h c chwu – n! e d r e w Pate Na 9,50 EUR gabe // Aus Nr. 105 // 30. 5 // 201 g Jahrgan 9,50 EUR // Ausgabe Nr. 104 // 30. Jahrgang // 2015 nhgaeJunge t Junge Ju cissefn s n schaft aft e s s Wissensch W i W 9,50 EUR // Ausgabe Nr. 103 // 29. Jahrgang // 2014 k Jugend atur t in N forsch rnal of an Jou r arche nik in Natur und Tech forscht JugendTechn ologyin Natur und Technik e and Journal of Scienc her Young Researc Young Researcher rimente, w iss xp e e eE ns The European Journal of Science and Technology Ja, ich engagiere mich als Pate mit ___ (Anzahl) Patenschaftsabonnement(s) zum Preis von 30,00 EUR (inkl. USt., zzgl. Versandkosten) pro Abonnement (vier Ausgaben). ftliche Beitr äg cha isse: n eb Inno va t isse: Innov ati v schnel r nn ler // ps // Wie spare ere // So Litfaßsäule chaft lifttur tip hnelln //sse Platin uariumn: DernsKerzen ScKeimen Segeln mit der r:uflege Chance era // Ticken imTakt // keine Themen: Fingera s AqTheme en: Die LaseGib ge Wi per sser ik // Lit Spin- he Them le für da ereWasser rn jun s Wa ? // Pulsmessen Mikroskopysdurch falsche Lagerung? // fal ser //Gesundheitsgefährdung unter rsc dem& Beruf: Ph gfo sa La eilung Selbsth Nitrat er für saub Pflanzliche im Alter // verändert Wie s Jun dsas dium sich das Gedächtnis nnen – Volkswagen // usen // Wie au ht t von // Stu oder nicht Biofilt Frage hier dieaus das ist Neues MINT: JungforscherI spreiten, der Zukunf Spreiten ft: Ta ik Das Datenlabor el glü atik/Informatik im He tenphysemthi Heft: der Zukunft // im mm rdem ch studiengang Mathem ung für die Stadt QuanAußerd Doppel Auße Beruf: & & Beruf: Geotechnik Der Naschaftsjahr: Forsch Studium // dank Mining Urban Heft: im Außerdem Studium Wissen // hr: fer den Wettbewerb trans aftsja nsch Mit System in Wisse nd spannend eu e E xperimente eE ,w tiv räg nd spannende erimente, Exp wi ive eu – Mining – Urban Licgieht Big Data äg spannende E rg in aftliche Be az s- sch itr ag uch ssen chaftliche Be s M hw r ens it Da ac che iss r N rs zin fü fo aga hs s M hwuc s a n D e azin c r Na sche Wiss Mag uchs r s d Neu! ü mach Alt a Aus r n f D u hw r en? fo r Seg pe // // e Nac der Lu iko Fluchstalleode unter ohne Ris für forsch n // ken r // Kri l fließt werde e tan Daten chaft Ma Werden Sie Pate! nd eu Zukunft gestalten! Jugend forscht The European n geb Er Yo y nolog d Tech ce an Scien Inn ov a se: bnis rge ese ung R rope The Eu chni und Te Engagieren Sie sich für den ingenieur- und naturwissenschaftlichen Nachwuchs mit einem Patenschaftsabonnement der Jungen Wissenschaft. Wissen fördern Europas einziges Wissenschaftsmagazin mit begutachteten Beiträgen und wissenschaftlichen Erstveröffentlichungen junger Nachwuchsforscher. 4 x im Jahr das Neueste aus Wissenschaft und Technik, Veranstaltungen, Studien- und Berufsprofile – für junge Nachwuchsforscher in Deutschland. Pate werden Bestimmen Sie selbst die Schule, einen Fachbereich, einen Lehrstuhl, eine Bibliothek oder fördern Sie eine Person Ihrer Wahl, deren Unterstützung Ihnen besonders am Herzen liegt. Engagement zeigen Unterstreichen Sie Ihr Engagement mit Ihrem Logo auf der Titelseite. Gegen einen geringen Aufpreis präsentieren Sie Ihr Unternehmen oder Ihre Einrichtung deutlich sichtbar auf optimale Weise. Ja, ich möchte einen Logoaufdruck auf dem Titel und bestelle zusätzlich zu dem/den Patenschaftsabonnement(s) einen Logodruck für nur 2,50 EUR (inkl. USt.) pro Titellogo und Ausgabe. Ja, ich stelle Ihnen Adressaten per gesonderter Auflistung schriftlich zu diesem Auftrag zur Verfügung (persönliche Adressauswahl mit 15 % Aufschlag pro Abonnement). Angaben (bitte leserlich ausfüllen) Unternehmen/Hochschule Ansprechpartner/Position Straße, Hausnummer PLZ, Ort Telefon E-Mail Ort, Datum Abonnieren per Fax (02 11) 74 95 64-29, per E-Mail an [email protected], unter www.verlag-jungewissenschaft.de oder per Post: Verlag Junge Wissenschaft Athanasios Roussidis, Neuer Zollhof 3, 40221 Düsseldorf Stempel/Unterschrift Die Mindestdauer für ein Abonnement beträgt ein Jahr. Sollte das Patenschaftsabonnement nicht acht Wochen vor Ablauf der Mindestdauer schriftlich gekündigt werden, verlängert sich das Abonnement automatisch um ein Jahr. Das Abonnement ist nach Erhalt der Rechnung fällig und sofort zahlbar. Individuell gewünschte Schulansprachen sowie damit zusammenhängende Beratungsleistungen des Verlages Junge Wissenschaft Athanasios Roussidis werden gegen Aufpreis vorgenommen. Gerichtsstand ist Düsseldorf. Es ist ausschließlich deutsches Recht anwendbar. Magazin 10 Junge Wissenschaft 106 // 2015 xible chtseinheit Mittelstufe. Hitze, Stürme, Hochwasser: Extreme Wetterereignisse und der Klimawandel „Afrika-Sommer bringt bis zu 38 Grad“ , „Weltweit Hunderttausende Tote durch extremes Wetter“, „Passau erlebt eine Jahrtausend-Flut“: So titelten deutsche Zeitungen im Sommer 2013. Solche zugespitzten Schlagzeilen erregen Aufmerksamkeit. Bei vielen Schülerinnen und Schülern aber können sie auch Ängste auslösen und Fragen aufwerfen: „Müssen wir häufiger mit Stürmen, Hitzewellen und Hochwasser rechnen? Hat das etwas mit dem Klimawandel zu tun? Ist der Mensch daran schuld? Und: Kann ich überhaupt etwas machen?“ Tatsächlich sind solche Fragen nicht leicht zu beantworten. Bis heute untersuchen renommierte Wissenschaftler die Ursachen, das Ausmaß und die Auswirkungen des Klimawandels. Klar ist: Der Klimawandel wird das Risiko von Wetterextremen in der Zukunft deutlich erhöhen. Es ist aber nicht nötig, bei jedem Ereignis gleich die Frage zu stellen: „Ist das schon der Klimawandel?“ An einem Ereignis der Gegenwart können Wissenschaftler kaum ablesen, ob dieses bereits von der globalen Erwärmung beeinflusst worden ist. Es ist unmöglich, ein einzelnes Wetterereignis auf den Klimawandel zurückzuführen. Inwiefern Wetterextreme mit dem Klimawandel zusammenhängen, ist immer eine Frage von Wahrscheinlichkeiten. Experten vergleichen das gerne mit einem Spiel mit gezinkten Würfeln: EineSechs kann auch so ab und zu gewürfelt werden. Niemand weiß, wann es passiert. Aber jetzt gibt es viel häufiger eine Sechs, weil der Mensch den Würfel verändert – gezinkt – hat. Stand der Klimawissenschaft Wissenschaftlich bewiesen ist, dass sich das Klima wandelt – und dass dies auf menschlichen Einflüssen beruht. Hauptursache der Erderwärmung ist die Freiset- zung von Treibhausgasen, insbesondere Kohlendioxid (CO2). Dessen Konzentration in der Atmosphäre ist so hoch wie noch nie zuvor. Laut Bericht des Weltklimarates (IPCC) vom Herbst 2013 stieg die globale Mitteltemperatur im Zeitraum von 1880 bis 2012 um 0,85 Grad Celcius. Und nicht nur die Temperatur der unteren Atmosphäre, auch die Ozeane erwärmen sich, Gletscher tauen, Permafrostböden werden wärmer, und Eisschilde verlieren an Masse. Gletscher als „Fieberthermometer der Erde“ Besonders deutlich lässt sich an den Gebirgsgletschern ablesen, wie sehr und schnell sich die Erde erwärmt: Sie gelten als „Fieberthermometer der Erde“. Selbst konservative Wissenschaftler sind überrascht, wie rasch die Eiskolosse schmelzen. Gletscher sind sehr träge Gebilde: Sie werden weniger durch einzelne Wetterlagen beeinflusst als durch lang jährige Klimaveränderungen. Daher sind sie in ihrer Gesamtheit ein guter Indikator für langfristige Temperaturtrends. In den Alpen haben die Gletscher seit Beginn der Industrialisierung um 1850 rund ein Drittel ihrer Fläche und die Hälfte ihrer Masse verloren. Infolge der Tauprozesse von Gletschern und Eisschilden und der Ausdehnung des erwärmten Ozeanwassers stieg der globale mittlere Meeresspiegel im Zeitraum von 1901 bis 2010 um etwa 19 cm. Einblick in die Methoden der Klimaforschung Mit drei Methoden können in der Klimaforschung Rückschlüsse über den Zusammenhang von Extremereignissen und Klimawandel gezogen werden: durch die Betrachtung physikalischer Prinzipien, durch statistische Analysen und mit Hilfe von Klimamodellen. Erstens legen bereits grundlegende physikalische Prinzipien nahe, dass die Erwärmung der Atmosphäre zu mehr Extremen führt. So kann warme Luft mehr Feuchtigkeit halten, bis diese plötzlich abregnet. Zweitens lassen sich statistisch durch die Auswertung von Zeitreihen Trends finden. Die Zeitspanne muss nur lang genug sein, um eindeutige Rückschlüsse daraus zu ziehen, denn es gibt auch natürliche Schwankungen. Und drittens können detaillierte Computersimulationen den Zusammenhang zwischen Erwärmung und Rekorden bei Temperatur und Niederschlag bestätigen. Doch je komplizierter die Computermodelle werden und je größer die Rechner, umso mehr Fragen ergeben sich im Detail. Und eins gilt immer: Modelle sind nur ein Abbild der Wirklichkeit und niemals perfekt. Drei Arten von Extremereignissen Die Wissenschaftler des Weltklimarates warnen, dass die Auswirkungen von Wetterextremen und Naturkatastrophen in Folge des Klimawandels bisher massiv unterschätzt wurden. Zwar tun sich die Experten nach wie vor schwer, Einzelereignisse unmittelbar auf den Klimawandel zurückzuführen. Denn: Außergewöhnliche Wetterlagen gab es schon immer, sie sind ein natürliches Phänomen. Es lässt sich jedoch ein Zusammenhang zwischen der globalen Erwärmung und der Zunahme von Extremereignissen herleiten. Der Sonderbericht des Weltklimarates zu Extremereignissen (IPCC SREX) von 2011 unterscheidet zwischen drei Arten von Ex- tremereignissen: der Zunahme von Wetterextremen, der Zunahme von Schäden durch Wetterextreme und neuartigen Extremereignissen in Folge der Klimaerwärmung. Zu allen drei Typen gibt es jüngste Beispiele. Die Kräfte der Natur, angeheizt durch den Ausstoß von Treib hausgasen, toben sich in Stürmen, Unwettern und sintflutartigen Regenfällen aus. Befürchtet wird auch, dass extreme Wetterlagen so schnell aufeinander folgen, dass sich die betroffenen Regionen nicht mehr davon erholen können. Laut Weltklimarat gilt es als fast sicher, dass künftig mehr heiße und weniger kalte Temperaturextreme auftreten können. Sehr wahrscheinlich wird es häufiger Hitzewellen geben, die länger andauern. Außerdem werden Starkniederschläge bis zum Jahr 2100 über den meisten Landgebieten der mittleren Breiten und über den Tropen intensiver und häufiger auftreten. „Viele Hinweise, darunter statistische Analysen von Beobachtungsdaten und Klimamodelle, deuten darauf hin, dass Extremereignisse – vor allem Hitzewellen und Niederschläge – in einem wärmeren Klima stark zunehmen und dies bereits getan haben“, sagt auch Stefan Rahmstorf vom Potsdam- Institut für Klimafolgenforschung. Bei tropischen Wirbelstürmen glaubt der Weltklimarat nicht mehr an eine Zunahme. Allerdings könnten die stärksten Hurrikane noch stärker werden. Vor allem Entwicklungsländer werden unter den Folgen des Klimawandels leiden. Allerdings müssen sich auch die Europäer auf zunehmende Hitzewellen einstellen. In den Industrieländern werde das erwartete Extremwetter vor allem hohe Kosten – zum Beispiel für den Wiederaufbau der Infrastruktur – verursachen. In den Entwicklungsländern dagegen würden viele Menschen die Wetterextreme mit ihrem Leben bezahlen. Allerdings besteht weiterhin Hoffnung: Der Weltklimabericht 2013 betont einmal mehr, dass es nicht zu spät ist. Noch hat es der Mensch in der Hand. Ausgehend von einem Szenario mit sehr ambitioniertem Klimaschutz zeigen die Simulationen, dass die Temperaturerhöhungen unter der gefährlichen Schwelle von 2 Grad Celsius begrenzt und so die Auswirkungen ab - gemildert werden können. Machen wir jedoch weiter wie bisher, drohen – auch in Deutschland – drastische Veränderungen unseres Klimas. 11 Die Ursachen des Klimawandels Young Researcher Magazin Klimaforscher untersuchen die Ursachen, das Ausmaß und die Folgen des Klimawandels. Es gilt als wissenschaftlich gesichert und durch Studien gut belegt, dass der Mensch den Klimawandel verursacht (anthropogener Klimawandel). 97 Prozent der limaforscher sind davon überzeugt. Klimaschwankungen sind in der Erdgeschichte nicht neu. Frühere Klimaänderungen gingen aber so langsam vor sich, dass Tiere und Pflanzen genug Zeit hatten, sich an die neuen Bedingungen anzupassen. Heute sind wir mit einer sehr schnellen Erwärmung konfrontiert. Der Temperaturanstieg zwischen 1880 und 2012 beträgt bereits 0,85 Grad Celcius. Klimaforscher gehen inzwischen davon aus, dass die globale Durchschnittstemperatur bis zum Jahr 2100 zwischen 1,5 und fast 5 Grad Celsius ansteigen kann. Grund dafür ist unsere moderne Lebensweise in den Industriegesellschaften. Die Verbrennung von Kohle, Gas und Öl, die Abholzung von Wäldern und die Massentierhaltung verursachen hohe Treibhausgasemissionen. Für unsere Maschinen, Fabriken, Autos, Flugzeuge, Computer und Handys fördern wir Bodenschätze zutage, die in hunderten Millionen Jahren entstanden sind. Wir verbrennen Kohle, Öl und Gas in großen Mengen und setzen damit das Klimagas Kohlendioxid (CO2) frei. Dieses gelangt in die Atmosphäre und verstärkt den natürlichen Treibhauseffekt. Wenige Länder: China, die USA, die Staaten der Europäischen Union und Russland verschulden dabei mehr als die Hälfte der Emissionen. Unser hoher Energieverbrauch ist aber nicht das einzige Problem. Auch die moderne Landwirtschaft mit Massentierhaltung und hohem Einsatz von Kunstdünger belastet das Klima. Die Abholzung von Urwäldern zerstört natürliche CO2-Speicher. Und auch unsere so hoch geschätzte Mobilität trägt ihren Teil bei. In Europa 2 werden 20 Prozent des CO2-Ausstoßes durch den Verkehr verursacht. CO Heizung (privat) 1,32 t Magazin Junge Wissenschaft 106 // 2015 12 Gas 52,4 % Mineralöl 30,9 % Fernwärme 10,2 % Strom 4,5 % Kohle 2,2 % Die Ursachen Die Ursachen des Klimawandels des Klimawandels Ernährung 1,07 t Wir entscheiden selbst, wie klimafr Fleisch 30 % Milch 29,1 % Heizung (privat) 1,32 t Getreide 28,2 % Gas 52,4 % Getränke 10,6%% Mineralöl 30,9 Fernwärme 10,2 Sonstige 2,6 %% Strom 4,5 % Eier 0,5 % Heizung (privat)* 0,7 t Gas 50 % Fernwärme 50 % * im Jahr 2030 Kohle 2,2 % Dienstleistungen 1,58 t Ernährung Strom 0,941,07 t t 0,6 t Transport 24,1Ernährung % Abwasser 23,2 %Getreide 50,0 % Milch 25,0 % Sonstige 21,6 %Getränke 18,3 % Öffentliche 17,5 % Sonstige 5,0 % Eier% 1,7 % Kfz-Reparatur 13,7 Fleisch 30 % E-Geräte 38,7 % Milch 29,1 % Kochen % Getreide26,1 28,2 % Warmwasser 15,0 % Getränke 10,6 % Sonstige 2,6 %% Sonstige 11,7 Eier 0,5 % Beleuchtung 8,5 % Dienstleistungen 1,58 t Strom 0,94 t E-Geräte 38,7 % Internationaler Kochen 26,1 % Gütertransport 0,7 Warmwasser 15,0 % Flugfracht 35,7 Sonstige 11,7 % % Seefracht 27,0 % Beleuchtung 8,5 % t Rohrfernleitungen 17,1 % Straßengüter 13,7 % Internationaler Sonstige 6,5 % Gütertransport 0,7 t Flugfracht 35,7 % Seefracht 27,0 % Rohrfernleitungen 17,1 % Straßengüter 13,7 % Sonstige 6,5 % insgesamt 12,5 Tonnen CO2 Berechnung / Quellen: · Eigene Berechnungen, nach Destatis 2013, Umweltökonomische Gesamtrechnung Berechnung / Quellen: des nach Flugverkehrs mit EWF · CO · Eigene Berechnungen, Destatis 2013, Umwelt2 -Emissionen ökonomische Gesamtrechnung („Emission Weighting Factor“) von 2,4 mitinländischen EWF · CO2 -Emissionen des Flugverkehrs · Verkehrsdienstleistungen ohne („Emission Weighting Factor“) von 2,4 Flugverkehr · Verkehrsdienstleistungen ohne inländischen · Inländischer Flugverkehr und internationaler Personen-Flug· Inländischer und internationaler Personen-Flugverkehr, Flugkilometer nach BDL, Bundesverband verkehr, Flugkilometer nach BDL, Bundesverband Deutschen Luftwirtschaft / IFO, Oktober 2013 Schaubild ©der Greenpeace e.V. der Deutschen Luftwirtschaft / IFO, Oktober 2013 Schaubild © Greenpeace e.V. Energiebereitstellung Transport 24,1 % Abwasser 23,2 % Braunkohle 50,2 % Sonstige 21,6 % Steinkohle 31,1 % Öffentliche 17,5 % Kfz-Reparatur 13,7 % Erdgas 10,5 % 2,82 t Sonstige 8,5 % Energiebereitstellung 2,82 t Braunkohle 50,2 % Steinkohle 31,1 % Erdgas 10,5 % Sonstige 8,5 % Verkehr 1,93 t Internationaler Gütertransport 0,3 t Privatfahrzeug 62,8 % Rohrfernleitungen 40,0 % 26,7 % Flugverkehr 30,2Seefracht % 16,7 % Bahn, ÖPNV 7,0 Straßengüter % Sonstige 13,3 % Flugfracht 3,3 % Verkehr 1,93 t Privatfahrzeug 62,8 % Flugverkehr 30,2 % Konsum 2,14 t der Bahn, ÖPNV 7,0 % Metall-Erzeugnisse beht 26,1 % si ßa - Fuer n Wie Sonstige 23,5% 2ht d O C e b e i v e a i kie s aErzeugnisse ktFuß lanW 21,5 % Konsum 2,14 t nesO 2- auivse?n schChemische knekie C z20,8 rs t c Metall-Erzeugnisse 26,1 % e Glaswaren u a r l t dsch chüines ak %us? Sonstige 23,5% s e Bergbau %rs fa lidmr% uack 5,0 K Chemische Erzeugnisse 21,5 ützheau shc2,1 nhac % n 7.f Kfz-Teile a m e Glaswaren 20,8 % i eh au Kl Si bnoagc% Elektronik Bergbau 5,0 % . eits1,0 en 7 ArbSieh Kfz-Teile 2,1 % o b g s t i e Elektronik 1,0 % Arb Durchschnittlicher CO2- Fußabdruck - Fußabdruck Durchschnittlicher eines Deutschen pro CO Jahr 2 eines Deutschen pro Jahr (Quelle: Greenpeace e.V.) Durchschnittlicher CO -Fußabdruck heute Gletscherschmelze und MeeDurchschnittlicher CO Möglicher Dunkeltheater: Recherchiert Produkte 4. Pole, Klassengespräch mitGebirgsgletscher schmelzende Um 19 Zentimeter hat sich der Meeres2 -Fußabdruck Aufgaben: 2Lehrkraft. Nehmtundheute resspiegelanstieg -Auswirkun- 4.nurKlassengespräch Dunkeltheater: Recherchiert Produkte mit Lehrkraft. Nehmt aus dem Supermarkt, die eine besonders diesen heutigen Tag: Wofür habt ihr der steigende Meeresspiegel. In der Arktis spiegel zwischen 1901 und 2010 erhöht. Aufgaben: 1.gen Beschreibe seit wann und warum es der globalen Erwärmung aus Supermarkt, die eine nur sich diesen heutigen Tag: Wofür habt ihr schlechte (lange Trans(Wohnen, heute schon 2-Bilanz 2 verbraucht? wirkt dieCO Erderwärmung besonders Bis dem zumCO Jahr 2100haben könnte erbesonders um fast ei1.zuBeschreibe seitKonzentration wann und warum der erhöhten von es (langeExperten. Trans(Wohnen, schlechte CO heute schon CO und Lagerung, viel Verarbeitung Ernährung, Schulweg, Welche 2-Bilanz haben dramatisch aus. Das2 verbraucht? EisSchule). ist in den vergan- portwege nen Meter ansteigen, befürchten portwege und Lagerung, viel Verarbeitung Ernährung, Schulweg, Schule). Welche und Verpackung, generell Fleisch und klimaschonenden Alternativen gäbe es? genen Jahren rasant geschmolzen. Viele Somit sind auch Metropolen wie Hamund Verpackung, generell Fleisch und klimaschonenden Alternativen gäbe es? Milchprodukte). Fangt nun zu zweit im Inuit mussten mit ihren Dörfern bereits burg, New York und Shanghai von den Milchprodukte). Fangt nun zu zweit imein Supermarkt mit vorher verteilten Rollen Mehr wissen: vom brüchigen Rand des Packeises ins In- steigenden Meeren bedroht. An den dichtSupermarkt mit vorher verteilten Rollen ein Streitgespräch an, ob man das fragliche Mehr wissen: Hintergrundinformationen zum durchland umziehen. Auch viele Tier- und Pflan- bevölkerten Küstenregionen in aller Welt Streitgespräch an, ob man dasErregt sollte oder nicht. Hintergrundinformationen zum durchschnittlichen Fussabdruck zenarten sind bedroht.eines Der Eisbär zum Produkt heißt kaufen es dann: Land unter. Wiefragliche schnell die Produkt kaufen sollte oder nicht. Aufmerksamkeit mit eurem Streit, dass schnittlichen Fussabdruck einesum Robben Erwärmung der Meere und dassoErregt Deutschen: Beispiel braucht das Packeis, Schmelzen Aufmerksamkeit mit eurem Streit, so dass sich im besten Fall andere Kunden einDeutschen: zuwww.greenpeace.de/co2fussabdruck jagen. Besonders sorgen sich Wissen- der Gletscher die Weltmeere tatsächlich sich im besten Fall andere Kunden einmischen. Ziel ist es, möglichst viele Menwww.greenpeace.de/co2fussabdruck schaftler um das Eisschild der arktischen anschwellen lassen werden, darüber sind mischen. ist es, möglichst viele zu Menüber Ziel klimafeindlichen Konsum Mehr machen:In den vergangenen Jah- schen Insel Grönland. sich die Klimaforscher jedoch uneins. schen überoder klimafeindlichen Konsum informieren, im ersten Schritt zum zu Mehr machen: ren waren dort eigenen immer größere Flächen von Berechne deinen CO2-Fußab informieren,anzuregen. oder im ersten Schritt zum Nachdenken der Schmelze betroffen. Klar ist aber: Wenn der Meeresspiegel Berechne deinen eigenen COdeines druck (die Treibhausgas-Bilanz 2-FußabNachdenken anzuregen. steigt, dann werden viele Länder an den druck (die und Treibhausgas-Bilanz deines Verbrauchs) informiere dich über Küsten der Erde überschwemmt – zum Meeresspiegelanstieg Verbrauchs) und informiere dich über deine persönlichen Einsparpotentiale. deine persönlichen Einsparpotentiale. Durch das Tauen der Pole und Gletscher Beispiel Bangladesch. Rund 30 HYPERLINK http://uba.klimaktiv-co2HYPERLINK http://uba.klimaktiv-co2rechner.de/de_DE/popup/ Gletscher: Die „Fieberthermometer der fließen große Mengen Schmelzwasser in Millionen Menschen würden rechner.de/de_DE/popup/ Erde“ die Ozeane. Dadurch steigt der Meeres- dort ihre Heimat verlieren. Wie stark sich das Klima wandelt, be- spiegel langsam an. Außerdem dehnt sich Die Malediven sind sogar zeugen am deutlichsten die abtauenden Meerwasser aus, wenn es wärmer wird. vom Untergang bedroht.© Greenpeace 2014 Seit esder dieerhöhten Erde in gibt, sich zu Konzentration von unTreibhausgasen der verändert Atmosphäre serkommt! Klima. Das ist invöllig normal. In den Treibhausgasen der Atmosphäre vergangenen kommt! 100 Jahren aber hat es sich 2. Erläutere, was für einen anthropogenen außergewöhnlich schnell gewandelt. Die 2.Klimawandel Erläutere, was einennatürliche anthropogenen undfür gegen Ursache: der vom Menschen angeheizte Klimawandel und gegen natürliche Klimaschwankungen spricht. Treibhauseffekt. Weil immer mehr TreibKlimaschwankungen spricht. Nenne Zahlen. hausgase – vor allem CO2 – ausgestoßen Nenne Zahlen. 3.werden, Erläutere anhand derdie Darstellung wärmt sich Atmosphäre auf. 3. Erläutere anhand der -Fußabdruck. das Prinzip des CO 2 Die Auswirkungen der Darstellung globalen Erwär-Fußabdruck. Prinzip des CO2siehst In das welchen Bereichen du am mung sind vielfältig: Neben weltweit In wel chen Bereichen siehst du am einzuehesten die Möglichkeit CO 2 auftretenden Wetter - ex tremen – wie ehesten die Möglichkeit sparen? 2 einzuStarkregen, Stürmen oder CO Hitzewellen – sparen?Pole und Gletscher, und der schmelzen Meeresspiegel steigt. AB1 AB1 © Greenpeace 2014 C Magazin Junge Wissenschaft 106 // 2015 14 Denn die meisten der etwa 1200 Inseln, aus denen das Urlaubsparadies besteht, ragen weniger als einen Meter aus dem Indischen Ozean. Längst hat die Regierung Evakuierungspläne für die Bevölkerung ausgearbeitet – Sri Lanka oder Indien kommen als Zufluchtsort in Frage. „Wir möchten die Malediven nicht verlassen“, sagte Präsident Mohamed Nasheed im Jahr 2008: „Aber wir möchten auch keine Klimaflüchtlinge sein, die jahrzehntelang in Zelten hausen müssen.“ Der menschliche Einfluss auf das Klima Hochwasser, Hitzewellen, Wirbelstürme: Nie zuvor gab es so viele Wetterextreme wie im vergangenen Jahrzehnt. Alles nur Wetterkapriolen oder doch Anzeichen des Klimawandels? Klar ist: Extreme Wetter können in der chaotischen Atmosphäre zufällig auftreten – sie sind ein natürliches Phänomen. Ein einzelnes Ereignis kann prinzipiell nicht mit dem Klimawandel in Verbindung gebracht werden. Wetter und Klima muss man klar voneinander trennen. Was ist der Unterschied? Schaut man aus dem Fenster, sieht man das Wetter. Das kann schlagartig wechseln: Heute scheint die Sonne, morgen regnet es in Strömen. Das Klima bezeichnet die Gesamtheit des Wetters über eine längere Zeit in einer bestimmten Region. Weil sich das Klima in langfristigen Zyklen entwickelt, sieht man Änderungen nicht sofort. Erst über einen Zeitraum von mehreren Jahren oder Jahrzehnten fügt sich ein Bild zusammen. Deswegen untersuchen die Forscher sehr lange Perioden. Mojib Latif vom Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel vergleicht den Einfl uss des Menschen auf das Klima gerne mit einem gezinkten Würfel: „Das Zinken besteht darin, dass wir die Temperatur der Erde infolge des Ausstoßes bestimmter klimarelevanter Gase erhöhen. Dies führt zu mehr Wetterextremen, so wie der gezinkte Würfel mehr Sechsen her vor bringt.“ Zunehmende Wetterextreme sind also kein Zufall mehr. Der aktuelle Bericht des Weltklimarates (IPCC) vom Herbst 2013, an dem mehr als 800 Experten mitgearbeitet haben, bestätigt den menschlichen Einfluss auf Beim optimistischen Szenario (grüne Kurve) werden verstärkte Klimaschutzanstrengungen angenommen. Das pessimistische Szenario (rote Kurve) geht von einem ungebremsten CO2-Ausstoß und keinen bzw. wenigen Klimaschutzmaßnahmen aus. (Quelle: Greenpeace e.V.) das Klima. Die IPCC-Wissenschaftler warnen, dass die Auswirkungen von Wetterextremen und Naturkatastrophen in Folge des Klimawandels bisher massiv unterschätzt wurden. Zwar tun sich die Experten nach wie vor schwer, Einzelereignisse unmittelbar auf den Klimawandel zurückzuführen, doch lässt sich ein Zusammenhang zwischen der globalen Erwärmung und der Zunahme von Extremereignissen herleiten. In der Klimawissenschaft wird in drei Arten von Extremereignissen unterschieden: die Zunahme von Wetterextremen, die Zunahme von Schäden durch Wetter extreme und neuartige Extremereignisse in Folge der Klimaerwärmung. Hochwasser in Europa: Natürliche Ereignisse oder Folgen des Klimawandels? Passau erlebt eine Jahrtausend- Flut“, „Viel mehr Regen als beim letz ten Mal“: So titelten deutsche Zeitungen im Sommer 2013. Nach tagelangen Starkregenfällen über Mitteleuropa traten im Juni Elbe, Donau und mehrere Nebenfl üsse über die Ufer. Besonders heftig traf es Ostdeutschland und Bayern. Im niederbayerischen Passau wurde die höchste bekannte Pegelmarke aus dem Jahr 1501 übertroffen. Deiche brachen, Zehntausende Menschen mussten ihre Häuser verlassen. Europaweit gab es mehr als 20 Tote. Das verheerende Hochwasser könnte die teuerste Naturkatastrophe der deutschen Geschichte werden. Der Versicherungskonzern Munich Re schätzt die Schäden in Europa auf mehr als zwölf Milliarden Euro. Damit liegen die Kosten höher als bei der Elbe-Flut 2002. Warum aber gibt es zunehmend extreme Hochwasser? Und hat der Klimawandel etwas damit zu tun? Flusshochwasserentstehen durch Starkregenfälle. Diese könnten in Folge des Klimawandels öfter auftreten, es gibt einen unmittelbaren Zusammenhang mit der globalen Erwärmung. Denn: Je wärmer die Meere sind, umso mehr Wasser verdunstet. Je höher die Lufttemperatur, desto mehr Wasser wird von Wolken aufgenommen. Und das kommt dann irgendwo runter. Hochwasser werden außerdem verstärkt, da die Menschen weltweit immer stärker in Flusslandschaften eingreifen: Sie zerstören zum Beispiel Auenwälder und begradigen Flüsse. „Wir müssen wahrscheinlich der Natur ein Stück zurückgeben. Denn die Natur holt sich nur wieder, was ihr einmal gehört hat“, sagt Klimaforscher Mojib Latif vom HelmholtzZentrum für Ozeanforschung in Kiel. Kann man Starkregen und Hochwasser nun immer dem Klimawandel anlasten? Ganz so einfach ist es nicht: Außergewöhnliche Wetterereignisse gab es nämlich schon immer. Zum Beispiel die Thüringer Sintflut im Jahr 1613 oder das Extremhochwasser in Passau 1501. Einzelne Wetterereignisse lassen sich wissenschaftlich nie direkt auf den Klimawandel zurückführen. Aber die sogenannten „Jahrhunderthochwasser“ häufen sich in nur wenigen Jahrzehnten. In Deutschland gab es Oderhochwasser im Jahr 1997 und 2009 sowie die Elbe-Flut 2002 – und 2013 wieder ein Hochwasser an Elbe und Donau. Es ist also ein Magazin Was kann man gegen Hochwasser tun? Einfach nur höhere Deiche bauen, das wird nicht reichen. Denn: Je höher die Deiche, desto größer ist das Risiko hinter den Deichen, wenn sie den Wassermassen nicht mehr Stand halten oder einfach überlaufen. Wichtig sind deshalb Polder – flache, weiträumige Gebiete, die bei Hochwasser geflutet werden können. „Eine hundertprozentige Sicherheit wird es aber trotzdem nicht geben. Auf die Dauer ist es billiger, in CO2-freie Technologien und Klimaschutz zu investieren, statt immer wieder für die Folgen der Katastrophen aufkommen zu müssen“, sagt Greenpeace-Klimaexperte Karsten Smid. Hitzewellen und Dürren: Der Klimawandel verursacht Hunger Toast, Tortillas, Baguette oder Fladenbrot: Überall auf der Welt gibt es Backwaren aus Weizenmehl. Neben Reis und Mais ist Weizen das wichtigste Getreide für die menschliche Ernährung. Mit seinen hohen Ansprüchen an Boden und Klima leidet Weizen aber besonders unter der globalen Erwärmung. Denn die gestiegenen Temperaturen schaden dem Wachstum und der Qualität des Getreides. Experten befürchten ein massives Problem für die Versorgung der wachsenden Weltbevölkerung, sollte die Weizenernte aufgrund der klimatischen Veränderungen zurückgehen. Wie sich magere Ernten auf die Nahrungsmittelpreise auswirken, konnte man im Sommer 2012 feststellen. Die USA erlebten eine „Jahrhundertdürre“. Weizen, Mais und Soja wurden knapp – und auf den internationalen Getreidemärkten teurer. +2º Die Lage ist jetzt schon besorgniserregend: Noch nie hatten die Menschen rund um den Globus mit so vielen Hitzeextremen zu kämpfen wie in den vergangenen Jah- ren. Unter anderem gab es verheerende Hitzewellen in Europa 2003, in Australien 2009 und in Russland 2010. „Wir können mit hoher Wahrscheinlichkeit sagen, dass solche extremen Anomalien ohne die globale Erwärmung nicht vorgekommen wären“, sagt der renommierte Klimaforscher James Hansen. Künftig werde sich die Lage noch verschärfen, mahnt der Weltklimarat (IPCC) in seinem Bericht von 2013. Demnach werden Hitzewellen sehr wahrscheinlich häufiger auftreten und länger andauern. Auch für Deutschland sagen die Experten mehr Temperatur- Ausreißer voraus. „Hitzeextreme verursachen Todesfälle, große Waldbrände und Ernteverluste – Gesellschaften und Ökosysteme sind an solche immer neuen Rekordtemperaturen nicht angepasst“, sagt Dim Comou vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung. Die armen Länder Afrikas und Südasiens haben unter den Folgen des Klimawandels am meisten zu leiden. Denn dort lebt ein Großteil der Bevölkerung von der Landwirtschaft. Damit sind diese Menschen besonders vom Weltmarkt abhängig. Wenn die Preise international steigen, können sie sich lebenswichtiges Getreide nicht mehr leisten. In vielen Ländern lösen Dürren, Missernten und hohe Preise deshalb große Armut und Hungersnöte aus. „Dabei können die Menschen in den Entwicklungsländern am wenigsten dafür, dass sich das Klima verändert“, sagt Greenpeace-Klimaexperte Karsten Smid. Um für künftige Dürren und andere extreme Wetterbedingungen gewappnet zu sein, müssten die landwirtschaftlichen Praktiken verändert werden, heißt es im WeltbankBericht „Turn down the heat“ von 2013. Südlich der Sahara könnte Afrika – bei einer Erwärmung um 1,5 bis 2 Grad Celsius – bis zum Jahr 2030 rund 40 Prozent der Fläche, auf der heute Mais und Hirse angebaut werden, durch Trockenheit verlieren. Außerdem sei zu befürchten, dass die Zahl der unterernährten Menschen in der Region bis 2050 um 25 bis zu 90 Prozent im Vergleich zu heute steigt. Die Lage ist allerdings nicht hoffnungslos, wie der aktuelle Bericht des Weltklimarates von 2013 zeigt. Demnach gibt es noch immer die Möglichkeit, die globale Erwärmung unterhalb von zwei Grad Celsius zu halten – und somit die Folgen abzumildern. Dafür allerdings müsste der Ausstoß von Kohlendioxid weltweit erheblich gesenkt werden; zum Beispiel durch den – möglichst globalen – Einsatz von Erneuerbaren Energien wie Windkraft oder Sonnenenergie. Starke Stürme: Welchen Einfluss hat der Klimawandel? „Es war ein Gefühl, als ob draußen am Haus ein wütendes Monster rütteln würde, das uns alle verschlucken will“: Mit diesen Worten beschrieb ein Augenzeuge den stärksten Hurrikan, der jemals im Atlantik gemessen wurde. Mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 230 Kilometern pro Stunde fegte „Wilma“ im Oktober 2005 über die mexikanische Karibikküste hin - weg. Der tropische Wirbelsturm entwurzelte Bäume, deckte Dächer ab und überflutete Straßen und Häuser. Das Jahr 2005 markiert einen traurigen Rekord: Seit Beginn der Wetteraufzeichnung im Jahr 1850 gab es im Atlantik noch nie so viele Wirbelstürme. Insgesamt waren es 27, davon wuchsen 15 zu einem Hurrikan. Einer der folgenschwersten tropischen Wirbelstürme in der Geschichte der Wetteraufzeichnungen war Zyklon „Nagris“ im nördlichen Indischen Ozean: Er traf Myanmar im Jahr 2008. Über 84.000 Menschen fielen dem Sturm zum Opfer. Durch hohe Windgeschwindigkeiten und starke Regenfälle gehören tropische Wirbelstürme zu den gefährlichsten Wetterextremen. Vor allem die Ärmsten der Weltbevölkerung leiden darunter am meisten. Denn sie können sich kaum vor diesen Naturgewalten schützen – und sind ihnen oft hilflos ausgeliefert. Schnell wird der Klimawandel ins Spiel gebracht, wenn starke Stürme wüten. Aber gibt es in Folge der Erderwärmung tatsächlich mehr Wirbelstürme? Nein, nach aktuellem Forschungsstand treten sie nicht häufiger auf. Aber: Stärkere Stürme werden in einer wärmeren Welt wahrscheinlicher. Tropische Wirbelstürme ziehen ihre Energie aus dem warmen Oberflächenwasser der Meere. Je wärmer es auf der Erde also wird, desto mehr Wasserdampf gelangt in die Luft. 15 Young Researcher Trend erkennbar: Die Anzahl schwerer Hochwasser in Europa steigt. Allerdings gibt es im Verlauf der Jahrzehnte so viele Schwankungen, dass dieser Trend in wissenschaftlicher Hinsicht kein eindeutiger Beleg für einen Zusammenhang mit dem Klimawandel ist. Magazin Magazin Wie können wir den wie klimafreundlich wir leben Wie können wir den 16 Klimawandel aufhalten? Junge Wissenschaft 106 // 2015 Junge Wissenschaft 106 // 2015 16 Klimawandel aufhalten? Heizung (privat)* 0,7 t Ernährung 0,6 t Getreide 50,0 % Milch 25,0 % Getränke 18,3 % Sonstige 5,0 % Eier 1,7 % 1,58 t % ung 2,82 t 8% % e 26,1 % nisse 21,5 % Ein möglicher CO2- Fußabdruck eines Menschen, der CO in Deutschland lebt, in der Ein möglicher 2- Fußabdruck eines Zukunft mit verringertem CO2-Verbrauch Menschen, der in Deutschland lebt, in der Zukunft mit verringertem CO2-Verbrauch Gas 50 % Fernwärme 50 % * im Jahr 2030 Dienstleistungen 1,17 t Transport 35,9 % Sonstige 24,8 % Öffentliche 23,1 % Abwasser 16,2 % Internationaler Gütertransport 0,3 t Rohrfernleitungen 40,0 % Seefracht 26,7 % Straßengüter 16,7 % Sonstige 13,3 % Flugfracht 3,3 % insgesamt 4,7 Tonnen CO2 Energiebereitstellung* 0,5 t Steinkohle 40 % Erdgas 40 % Sonstige 20 % * im Jahr 2030 Verkehr 0,28 t Bahn, ÖPNV 100 % Konsum 1,12 t Metall-Erzeugnisse 25,0 % Sonstige 22,3 % Chemische Erzeugnisse 20,5 % Glaswaren 20,5 % Bergbau 9,8 % Elektronik 1,8 % (Quelle: Greenpeace e.V.) Schaubild © Greenpeace e.V. (Quelle: Greenpeace e.V.) Schaubild Greenpeace e.V. © Aufgaben: Klimaneutral leben! reagiert. Selbst wenn wir sofort und Wir können und sollten schon heute Klimaneutral leben! del aufhalten? komplett aufhören würden, TreibhausWie können wir denWer Klimawanreagiert. Selbst wenn wir sofort und wesentliche eines „klimaneutrazum großen Unterschied. kann an Wir könnenBausteine und sollten schon heute Summe kleiner Veränderungen führt gase auszustoßen, würde sich die globale del aufhalten? Lebens“ inBausteine unserem privaten Bereich dem jeweiligen CO2-Verbrauch komplett aufhören würden, Treibhauswesentliche eines „klimaneutrazum großen Unterschied. Weretwas kann an len Herr Smid, warum sollen wir uns um KliMitteltemperatur noch weiter erhöhen. ändern? Suche dir einige Bereiche umsetzen. Die Broschüre des Umweltbun-Verbrauch etwas len Lebens“ in unserem privaten Bereich dem jeweiligen CO gase auszustoßen, würde sich die globale 2 maschutz kümmern? Aber insgesamt nicht sodes hoch. Wir könheraus, diewarum du spannend ndest und „Klimaneutral leben: Verbraucher ändern? Suche dir einigefiwir Bereiche umsetzen. Die Broschüre UmweltbunHerr Smid, sollen uns um Kli- desamt Mitteltemperatur noch weiter erhöhen. Weil es sehrkümmern? konkret um eure Zukunft nen die schlimmsten Folgen überlege, wie jeweils die Politik, dieund starten durch beim Klimaschutz“ will Wirjetzt heraus, die du spannend findest desamt „Klimaneutral leben: maschutz Aberalso insgesamt nicht so Verbraucher hoch. könWirtschaft und eine Privatperson für es verschiedene Wege geht. Die Klimawandelfolgen, noch abwenden. überlege, wie jeweils die Politik, die wir zeigen, starten durch beim Klimaschutz“ willzum jetzt Weil es sehr konkret um eure die Zukunft nen dass also die schlimmsten Folgen kann. die eine CO gibt. Nicht jeder Weg passt Wege zu jedem. Wirtschaft und einesorgen Privatperson fürsind zeigen, dass es verschiedene zum jetzt schon kennen und erleben, geht. Die2-Ersparnis Klimawandelfolgen, wir Ziel noch abwenden. Aber das Ziel ist lohnend und erreichbar: -Ersparnis sorgen kann. eine CO Ziel gibt. Nicht jeder Weg passt zu jedem. nicht sehr bedrohlich und schreck2 kennen schon erleben, sind Wo ist denn die Grenze zwischen 5.jetzt Wasnur kannst du für dasund Klima tun? leben! Aber ist „schlimmsten“? lohnend und erreichbar: „schlimm“ und lich fürnur die betroffenen Sie Klimaneutral nicht sehr bedrohlich und schreckWo das istZiel denn die Grenze zwischen 5. Was kannst du für das Menschen. Klima tun? -Fußab6. Berechne deinen eigenen CO http://www.umweltbundesamt.de/ Klimaneutral leben! 2 kosten auch sehr viel Geld, weil die Der Übergang ist„schlimmsten“? natürlich fließend, aber „schlimm“ und lich für die betroffenen Menschen. Sie (die Treibhausgas-Bilanz -Fußab6.druck Berechne deinen eigenen CO2deines themen/wirtschaft-konsum/konsumhttp://www.umweltbundesamt.de/ Schäden ja behoben müssen. gibt einen Orientierungspunkt. Unser kosten auch sehrinformiere vielwerden Geld, weil die esumwelt-zentrale-handlungsfelder/ Der Übergang ist natürlich fließend, aber Verbrauchs) und dich über druck (die Treibhausgas-Bilanz deines themen/wirtschaft-konsum/konsumUnd das wird auf Dauerwerden viel teurer als Vergleichsziel ist die Zeit vor der indusSchäden ja behoben müssen. es gibt einen Orientierungspunkt. Unser deine persönlichen Einsparpotentiale. Verbrauchs) und informiere dich über klimaneutral-leben-verbraucher-startenumwelt-zentrale-handlungsfelder/ Maßnahmen Klimaschutz. Dieals triellen Revolution. Zielder ist,indusdas Und daspersönlichen wirdzum auf Dauer viel teurer Vergleichsziel ist dieUnser Zeit vor http://www.mein-fussabdruck.at/# deine Einsparpotentiale. durch-beim klimaneutral-leben-verbraucher-startenmüssen aber sofort ergriffen werden. In die Erderwärmung im Vergleich zu daMaßnahmen zum Klimaschutz. Die triellen Revolution. Unser Ziel ist, das http://uba.klimaktiv-co2-rechner.de/ http://www.mein-fussabdruck.at/# durch-beim fünfzig Jahren ist es zu spät. Es geht also mals nicht mehr als 2 Grad Celcius steigt. müssen aber sofort ergriffen werden. In die Erderwärmung im Vergleich zu dade_DE/popup/ http://uba.klimaktiv-co2-rechner.de/ jetzt sofort darum, die TreibhausgasBei mehr als 2 Grad Celcius Erwärmung fünfzig Jahren ist es zu spät. Es geht also mals nicht mehr als 2 Grad Celcius steigt. de_DE/popup/ 4. Politik, Wirtschaft, jeder Einzelne – die Wie können morgen wir den KlimawanMöglicher CO -Fußabdruck Veränderungen führt 4.Summe Politik, kleiner Wirtschaft, jeder Einzelne – die Dadurch gibt es im Prinzip mehr2 Energie 1.Aufgaben: Vergleiche den CO auf 2-Fußabdruck für Wirbelstürme. Allerdings kommen Dadurch gibt es imdem Prinzip mehr Energie dieser Seite mit tatsächlichen auf 1. Vergleiche den CO -Fußabdruck 2 noch andere FaktorenAllerdings ins Spiel:kommen Neben für Fußabdruck Wirbelstürme. auf Arbeitsdieser Seitevon mitheute dem tatsächlichen der Oberflächentemperatur der Meere noch andere Faktoren ins Spiel: Neben bogen 1. Welche Fußabdruck vonkonkreten heute auf MaßnahArbeitshat der Zustand der Atmosphäre derauch Oberflächentemperatur der Meere men führen jeweils konkreten zu einer CO bogen 1. Welche Maßnah2-Ereinen großen Einfluss auf die Entstehat sparnis? auch der Zustand der Atmosphäre men führen jeweils zu einer CO2-Erhung Stürmen. Die Klimaforschung einenvon großen Einfluss auf die Entstesparnis? 2.deshalb Wo liegen die größten isthung uneins, obDie esEinsparmöglicheinen Zusamvon Stürmen. Klimaforschung -Fußabdruck wenndie dugrößten den COEinsparmöglich2.keiten, Wo liegen menhang zwischen Erwärmung ist deshalb uneins,globaler ob es 2einen Zusamauf dem Arbeitsbogen 1 und den keiten, wenn du den CO 2-Fußabdruck und der Stärke von tropischen Stürmen menhang zwischen globaler Erwärmung Fußabdruck auf dieser Seite verauf dem Arbeitsbogen 1intensiv und den disgibt. Darüber wird derzeit undgleichst? der Stärke von tropischen Stürmen Erstelle Rangfolge. Fußabdruck auf eine dieser Seite verkutiert. gibt. gleichst? DarüberErstelle wird derzeit intensiv eine Rangfolge. dis3. Wenn der Fußabdruck auf dieser Seite kutiert. wäre, was würdeentstehen, sichdieser dadurch 3.deiner WennWirbelstürme der Fußabdruck auf Seite Tropische wie für dich an deinem nächsten Tag / am deiner wäre, was würde sich dadurch der Name verrät, für gewöhnlich nur wie in Tropische Wirbelstürme entstehen, nächsten Urlaub / an deinen Zukunftsfür dichoder an deinem nächsten Tag / am den Subtropen. Klimaforder Tropen Name verrät, für gewöhnlich nur in plänen ändern? nächsten Urlaub / annicht deinenmehr Zukunftsscherschließen jedoch aus, den Tropen oder Subtropen. Klimaforplänen ändern? dass vor allem imjedoch Golf von Biskaya scherschließen nicht mehrund aus, indass der vor Nordsee starke allem mehr im Golf vonStürme Biskayaaufund treten Herbst sie in derkönnen. NordseeIm mehr starkekönnten Stürme aufsich häufiger auch Hurrikan-Stärke treten können. ImzuHerbst könnten sie auswachsen. sich häufiger auch zu Hurrikan-Stärke auswachsen. emissionen mindern. dieals Klimawandelfolgen immens jetzt sofortdrastisch darum,zu die Treibhausgas- werden Bei mehr 2 Grad Celcius Erwärmung und nichtdie mehr beherrschbar. Dasimmens ist die emissionen drastisch zu mindern. werden Klimawandelfolgen sogenannte 2 Grad Celcius Grenze. Ist es denn überhaupt noch möglich und nicht mehr beherrschbar. Das ist die den aufzuhalten? Ist Klimawandel es denn überhaupt noch möglich sogenannte 2 Grad Celcius Grenze. Ja,deninKlimawandel wesentlichenaufzuhalten? Teilen. Allerdings © Greenpeace 2014 (Quelle: Greenpeace) istJa,es inso,wesentlichen dass das Klima sehr Allerdings langsam © Greenpeace 2014 Teilen. ist es so, dass das Klima sehr langsam (Quelle: Greenpeace) Bei den ausgewählten Texten handelt es sich um Auszüge aus dem Greenpeace Bildungsmaterial. Das vollständiges Material und weitere Bildungsmaterialien sind hier zu finden: http://gpurl.de/bildungsmaterial_extremwetter_und_klimawandel Bei den ausgewählten Texten handelt es sich um Auszüge aus dem Greenpeace Bildungsmaterial. Das vollständiges Material und weitere Bildungsmaterialien sind hier zu finden: http://gpurl.de/bildungsmaterial_extremwetter_und_klimawandel AB7 AB7 Jugend forscht Junge Wissenschaft 106 // 2015 18 Felicitas Kaplar , *1996 Antonia Hartmann , *1996 Schule: Hanns-Seidel-Gymnasium, Hösbach Eingang der Arbeit: Juni 2014 Zur Veröffentlichung angenommen: Oktober 2014 Die zwei Gesichter des Methans Vom Treibhausgas zum Energieträger der Zukunft: Neue Erkenntnisse zu Emission und Genese von Methan Bei Regen gelangt das Treibhausgas Methan unkontrolliert aus Ackerböden in die Atmosphäre. In Bayern ist das so viel, wie 1,2 Millionen Kühe täglich ausstoßen. Verursacher sind Bakterien im Boden. Genau diese Bakterien kann man jedoch nutzen, um das ebenfalls klimaschädliche Kohlendioxid gezielt mit Überschussstrom in Methan umzuwandeln und so einen chemischen Energiezwischenspeicher zu gewinnen. 1 Einleitung und Problemstellung Im Jahre 2007 kam die von den Vereinten Nationen eingesetzte IPCC erstmals zu dem Schluss, dass „die Erwärmung der Erdatmosphäre seit Beginn der Industrialisierung hauptsächlich durch die Anreicherung von Treibhausgasen durch den Menschen hervorgerufen wird“ [1]. Der Methananteil am Treibhauseffekt beläuft sich auf ein Viertel des CO2-Anteils, obwohl sein Gehalt in der Luft ca. 200 fach geringer ist (> 2 ppm) [2]. Dies hat mit dem hohen Treibhauspotenzial des Methans zu tun. Wie für das CO2 gibt es auch für das Methan in der Atmosphäre menschliche und natürliche Quellen. Es entsteht immer, wenn Mikroorganismen organisches Material unter Luftabschluss zersetzen, z.B. in Sümpfen, Müllkippen, Reisfeldern oder im Magen von Wiederkäuern. Aus Eisbohrkernen ist bekannt, dass der Methangehalt der Erdatmosphäre in den letzten 65.000 Jahren zwischen 320 und 790 ppb schwankte. In den letzten 200 Jahren ist er auf 1750 ppb und ab 2007 auf über 1800 ppb gestiegen. Für die Abschätzung der Klimaveränderung durch Klimamodelle ist Methan eine wichtige Eingangsgröße. Der Methangehalt der Atmosphäre ist zwar sehr genau bekannt, aber über die Pfade und die jeweiligen Mengen können nicht ganz so sichere Aussagen gemacht werden. Es könnte sein, dass die Erde vor einem Anstieg der Methanemissionen steht, weil mehr Methan als bislang angenommen aus den Meeren austritt. Auch das Auftauen des Permafrostes entfacht Prozesse im Boden, bei denen gigantische Mengen Methan gebildet und an die Atmosphäre abgegeben werden. Wir fanden Anzeichen dafür, dass Methan nicht nur aus Reisfeldern in die Atmosphäre entweicht, sondern auch aus europäischen Böden nach starken Niederschlägen. Internetrecherchen lieferten keinen Hinweis darauf, dass diese Methanemission jemals qualitativ und quantitativ untersucht wurde. Zu klären war auch die grundsätzliche Frage, ob die Methanbildung durch Mikroben (Methanogenese) eine totale Sauerstoffabwesenheit braucht, oder auch schon in Gegenwart von Sauerstoff einsetzt. Schließlich wollten wir überprüfen, ob die Methan produzierenden Mikroben für eine Umwandlung des Treibhausgases CO2 in den Energieträger Methan genutzt werden können. So entwickelte sich über zwei Jahre eine Arbeit mit stark interdisziplinärem Charakter. Die Bodenkunde ist ein Teilbereich der Geowissenschaften, Mikroorganismen Jugend forscht 2 Fachliche Grundlagen 2.1 Bodenluft Die Bodenluft besteht, wie atmosphärische Luft, aus Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid. Meist ist der Stickstoffgehalt der Bodenluft identisch mit dem der Atmosphäre, während der Sauerstoffgehalt auf 10 Vol.-%, in anoxischen Böden bis auf 0 Vol.-% absinken kann. Die CO2-Konzentration hängt sehr mit der biologischen Aktivität im Boden zusammen und kann auf 10 Vol.-% und höher ansteigen. Der Sauerstoff in der Bodenluft ist für atmende Bodenorganismen und Pflanzenwurzeln lebenswichtig. Den permanenten Gasaustausch zwischen Boden und Atmosphäre nennt man „Bodenatmung“. Im gesunden Boden führen vielfältige Interaktionen zwischen Bakterien, Pilzen, Pflanzen und dem Boden selbst zur Bereitstellung der Nährstoffe für alle anderen Bodenlebewesen. 2.2 Bodenbakterien Zelluläre Lebewesen lassen sich aufgrund ihrer RNA-Struktur in drei Domänen einteilen: Eukaryoten, Archaebakterien (Urbakterien) und Bakterien (Bacteria) [3]. Bakterien und Archaeen sind Einzeller ohne Zellkern. Sie kommen in unterschiedlichsten und extremsten Lebensräumen vor. Zieht man die Wege zur Energiebereitstellung als Differenzierungsmerkmal heran, kann man sie in phototrophe, chemotrophe, lithotrophe und organotrophe Organismen unterteilen. Unter Berücksichtigung der Kohlenstoffquelle ergibt sich eine Einteilung in eine autotrophe und eine heterotrophe Gruppe [4]. Die Stoffwechselvorgänge finden im aeroben oder im anaeroben Milieu statt. Es wird gesagt, dass in einem Gramm Gartenboden über 100 Millionen Bakterien leben. Vorzugsweise halten sie sich in einem dünnen Wasserfilm auf, der die Bodenpartikel an Wurzeloberflächen und im Wurzelraum umgibt, den man als Rhizosphäre bezeichnet. Mit Blick auf das Methan lassen sich Bakterien in Methanotrophe und Methanogene einteilen. Methanotrophe Bakterien leben strikt aerob und nut- zen Methan als Quelle für Kohlenstoff und Energie. Diese Methanoxidierer finden sich überall dort, wo Methan und Sauerstoff vorkommen. Sie wirken wie ein Biofilter und machen in einigen Sedimenten bis zu 95 %, in den Reisfeldern 30 % des Methans unschädlich. Die Methanogenese ist hochspezialisierten Archaeen vorbehalten. Sie leben unter anoxischen Bedingungen und benötigen für ihren Stoffwechsel häufig Wasserstoff. Bereits geringe Sauerstoffmengen führen zur irreversiblen Schädigung ihres Reduktionsapparates [5]. Die meisten setzen Kohlenstoffdioxid in Methan um. Auch andere Gärungsprodukte von Bakterien wie einfache C1-Verbindungen und Acetate können sie zu Methan verarbeiten. Obwohl der Anteil der acetotrophen methanogenen Archaeen nur 14 % der gesamten methanogenen Flora beträgt, werden zwei Drittel des Methans durch diese Mikroorganismen gebildet [5]. Die Methanogenese, die auch als anaerobe Atmung bezeichnet wird [6], stellt die letzte Stufe des anaeroben Abbaus von Biomasse dar. Sie ist ein äußerst komplexer Vorgang. Der letzte Schritt wurde von Schweizer Wissenschaftlern im Jahre 2000 aufgeklärt. Dabei erweist sich die Methyl-CoM-Reduktase als das Schlüsselenzym [7]. Es soll noch erwähnt werden, dass es auch in oxischen Böden durch das Auftreten von anaeroben Nischen zur Methanbildung kommen kann. re Methionin dabei eine Schlüsselrolle spielen. Keppler kommentierte seine weltweit hochemotional und mit bösen Anfeindungen diskutierten Erkenntnisse so: „Methan darf eigentlich so nicht entstehen. Es ist eine bisher anerkannte Lehrbuchweisheit, dass biogenes Methan nur unter Ausschluss von Sauerstoff gebildet werden kann. Darum hat bisher einfach niemand genau hingesehen" [10]. Immerhin entspricht es 10 - 30 Prozent der jährlichen Methanemission in die Atmosphäre. Wir hatten Gelegenheit, Frank Keppler im Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz im September 2013 zu treffen und mit ihm über seine Forschungen und unsere Arbeit zu diskutieren. Dabei berichtete er uns auch über neueste Untersuchungen, bei denen die Bildung von Methan in sterilisierten, mikrobenfreien Böden nachgewiesen wurde, die etwas organisches Material enthalten [11]. Diese abiotische Methanbildung ist ein bislang unentdeckter Methanpfad in oxischen Böden, der nur mit der Zersetzung organischer Komponenten im Boden erklärt werden kann. Die Mainzer Wissenschaftler fanden heraus, dass die Methanemission mit steigender Temperatur, zusätzlicher UV-Belichtung und Wasserzugabe zunimmt. Nach dem aktuellen Stand der Wissenschaft lassen sich derzeit vier verschiedene Wege angeben, auf denen Methan in die Atmosphäre gelangen kann: 2.3 Emissionspfade des Methans in die Atmosphäre • chemisch und geochemisch unter Extrembedingungen (hoher Druck, hohe Temperaturen) • mikrobiell (strikt anaerob durch Abbau organischer Bodensubstanz) • phytogenetisch (auch unter Stressbedingungen, in Anwesenheit von Sauerstoff) • abiotisch (nicht mikrobiell) durch chemischen Abbau organischer Substanz in oxischen Böden Bis vor wenigen Jahren war es gängige Lehrmeinung, dass Methan entweder auf chemischem Wege (große Hitze, hoher Druck in der Erdkruste) oder als Produkt mikrobieller Aktivität entsteht. 2006 schockierte der Heidelberger Atmosphärenforscher Frank Keppler die Fachwelt mit der Mitteilung, dass auch Pflanzen in ganz normaler sauerstoffreicher Umgebung Methan produzieren und in die Atmosphäre abgeben. Er fand, dass lebende Pflanzen 10 bis 100-fach mehr Methan freisetzen als abgestorbenes Pflanzenmaterial und dass sich die Menge unter Sonneneinfluss nochmals drastisch erhöht. Dieses phytogene Methan war den Botanikern dieser Welt bis dato offenbar entgangen [8] [9]. Mittlerweile weiß man, dass Pektine und die Aminosäu- Im Fokus unserer Arbeit stehen die Pfade 2 und 4. 2.4 Sauerstoff- und Methananalytik Für die Bestimmung des Sauerstoffs stand uns das digitale Sauerstoffmessgerät GMH 3690 der Firma Greisinger mit einem Sauerstoffsensor und einer Genauigkeit von ±0,1% zur Verfügung. Die quantitative Methanbestim- 19 Young Researcher werden traditionell in der Biologie behandelt und die Chemiker fühlen sich für das Methan zuständig. Jugend forscht mung erfolgte mit dem schulischen Gaschromatographen des Typs GCCGA-3 der Firma Schroth mit FID. Die zur Quantifizierung des Methans benötigte Kalibrierkurve erstellten wir, indem wir definierte Reinmethanmengen zu definierten Luftvolumina spritzten und die relativen Flächeneinheiten der Methanpeaks bestimmten. Sie sind ein Maß für die Methanmenge. Bei unseren Messungen entnahmen wir 1000 µl- oder 500 µl-Proben. Den Peakflächen wurde über die Kalibrierkurve eine bestimmte Methanmenge in ppm zugeordnet. Die Erfassungsgrenze des Schul-GC liegt bei ca. 20 ppm. Abb. 1: Ein Gurkenglas als Inkubator mit integriertem Sauerstoffsensor und eingeschlossener Rasenprobe. Wir inkubierten eine Rasenprobe in einem 1L-Gurkenglas und fluteten mit Wasser bis zur Grasnarbe. In den Schraubdeckel wurden zwei Löcher gebohrt. Durch das eine wurde das Kabel des Sauerstoffsensors geführt, das andere wurde durch ein Siliconseptum verschlossen. Hier konnte man mit der GC-Spritze Proben entnehmen. Alle Löcher und Übergänge wurden mit Silicon abgedichtet. Die Methanwerte 20 Sauerstoff 1000 15 800 600 10 400 5 200 0 0 0 2 4 6 8 Tage 10 12 14 16 Abb. 2: Sauerstoff- und Methanwerte der inkubierten Rasenprobe über einen Zeitraum von 15 Tagen. 25 2500 Methan 2000 20 Sauerstoff 1500 15 1000 10 500 5 0 0 0 2 4 6 8 10 12 Tage Abb. 3: Sauerstoff- und Methanwerte der inkubierten Rasenprobe mit Staunässe. 14 Sauerstoffgehalt (%) 3.1 Methan aus mikrobiellen Aktivitäten 3.1.1 Versuche im Inkubator: Aufbau Methan Sauerstoffgehalt (%) 1200 3 Biogeochemische Untersuchungen zur Methanemission von Böden Zunächst beschreiben wir unsere Untersuchungen zur Methanemission von Böden, bevor wir auf das Problem der Konversion von Kohlenstoffdioxid zu Methan durch Archaeen eingehen. 25 1400 Methangehalt (ppm) Dies bedeutet, dass eine mikrobielle Methanproduktion bereits angelaufen sein kann, diese aber unter unseren Messbedingungen gaschromatographisch noch nicht „sichtbar“ ist. Außerdem ist zu bedenken, dass hier die Methanproduktion durch Methanogene und der Methanverbrauch durch Methanotrophe miteinander konkurrieren. Erst wenn die Genese den Verbrauch deutlich überwiegt, kann die Methankonzentration im Inkubator die Erfassungsgrenze von ca. 20 ppm erreichen und damit für uns als Peak erkennbar werden. Für Methanbestimmungen im 1 ppm-Bereich wurde uns auf Anfrage gelegentlich vom E-Werk in Goldbach das Halbleitersensor-Gerät EX-TEC SR 6 der Firma Sewerin zur Verfügung gestellt. Methangehalt (ppm) Junge Wissenschaft 106 // 2015 20 Jugend forscht Bei Wiesenboden dauert es ein paar Tage länger bis die CH4-Emission einsetzt (siehe Abb. 4). Wie beim Rasen finden wir nachweisbare Mengen um 200 ppm bei O2-Werten über 16 %. Man muss aber annehmen, dass die CH4-Produktion schon früher einsetzt. Bei gefluteten Ackerböden (siehe Abb. 5) kommt es nach 10 Tagen zur messbaren CH4-Emission bei ca.18 % O2-Gehalt im Inkubator. In allen Fällen setzt die Methanbildung bei O2-Werten unter 20 % in der Umgebungsluft ein. Wir nehmen an, dass die Staunässe in der Rhizosphäre lokal für anoxische Verhältnisse mit guten Wachstumsbedingungen für Archaeen sorgt. Bis diese aber von der Verzögerungsphase in die Phase des exponentiellen Wachstums kommen, braucht es typischerweise mehrere Tage. 1000 10 500 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Tage Abb. 4: Sauerstoff- und Methanwerte von inkubiertem Wiesenboden mit Staunässe. 21,5 2000 1800 21 Methan 1600 20,5 Sauerstoff 1400 20 1200 19,5 1000 19 800 18,5 600 400 18 200 17,5 17 0 0 5 10 Tage 15 20 Abb. 5: Sauerstoff- und Methanwerte von inkubiertem Ackerboden mit Staunässe. 30000 25 25000 Methan 20 Sauerstoff 20000 15 15000 10 10000 5 5000 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Tage Abb. 6: Sauerstoff- und Methanwerte einer stark gefluteten Rasenprobe mit Methionin im Stauwasser. 3.1.4 Der Einfluss von Methionin Mitte 2013 erschien im Max-PlanckWissenschaftsmagazin ein Artikel des Atmosphärenchemikers Frank Kepp- ler mit neuen Erkenntnissen über den Mechanismus der Methanbildung bei Pflanzen [9]. Danach fällt der Aminosäure Methionin eine Schlüsselrolle zu. Young Researcher Metahngehalt (ppm) 15 Sauerstoffgehalt (%) Im Folgenden wurden die Rasenproben stark gewässert. Wie Abb. 3 zeigt, ist der O2-Gehalt im Inkubator nach 12 Tagen noch nicht auf Null gefallen. Es wird ein fundamentaler Unterschied zur nur bodenfeuchten Rasenprobe erkennbar: Die detektierbare CH4-Produktion setzt schon ab einem O2-Gehalt von etwas unter 20 % ein und hat einen exponentiellen Anstieg bei 4 bis 5 %. Dieses Ergebnis widerspricht der Vorstellung, dass die Methanproduktion von Bodenmikroben anoxische Verhältnisse erfordert. Die Frage war, ob sich das auch bei anderen Böden beobachten lässt. 1500 Sauerstoffgehalt (%) 3.1.3 Untersuchung gefluteter Bodenproben von verschiedenen Standorten 20 Sauerstoff 0 Methangehalt (ppm) Wie aus Abb. 2 hervorgeht, fällt der Sauerstoffgehalt im abgeschlossenen Inkubator mit einer Rasenprobe mit natürlicher Bodenfeuchte innerhalb von 4 Tagen auf Null ab. Interessant ist, dass erst danach, also am 5. Tag und bei vollständiger Sauerstoffabwesenheit, eine leichte, detektierbare Methanproduktion einsetzt. Sie verläuft zunächst linear und steigt am 12. Tag nahezu exponentiell an. Am 15. Tag wird die 1000 ppm-Grenze überschritten. Methan 2000 Methangehalt (ppm) 3.1.2 Sauerstoff- und Methanentwicklung bei bodenfeuchten Rasenproben 21 25 2500 Sauerstoffgehalt (%) wurden täglich gaschromatographisch bestimmt, meist über einen Zeitraum von 14 Tagen. Jugend forscht 3.1.5 Freilanduntersuchungen Im Sommer 2012 erfuhren wir, dass unser Gasversorger, das Elektrizitätswerk Goldbach-Hösbach (EWG), über einen hochsensiblen Methansensor mit einer unteren Messgrenze von 1 ppm verfügt. Auf dieses Gerät hatten wir nur einen begrenzten Zugriff, weil nur Fachpersonal es bedienen darf. Bei ersten Messungen mit eigens angelegtem, geflutetem Roll- 25 9000 0,1% Methionin 8000 0,1% Met. + 20 mmol Inh. 0,4% Methionin 7000 20 0,4% Met. + 50 mmol Inh. 15 5000 4000 10 3000 2000 Sauerstoffgehalt (%) Sauerstoff 6000 5 1000 0 0 0 2 4 6 Tage 8 10 12 Abb. 8: Einfluss des Inhibitors BES auf die Methanbildung in Böden. 25 2500 Methan 2000 20 Sauerstoff 1500 15 1000 10 500 5 0 0 0 5 10 15 20 Tage Abb. 9: O2 - und CH4 -Entwicklung im Großexsikkator, gemessen mit dem Sewerin-Gassensor. Sauerstoffgehalt (%) Die Inhibition methaonogener Mikroben wurde eingehend untersucht [11] [12]. Sie gelingt mit physikalischen und mit chemischen Methoden, z.B. mit Monochlormethan und Natrium2-bromethansulfonat (BES). Durch BES-Zugabe beim Fluten wollten wir abklären, ob das detektierte Methan von Archaeen oder von anderen Quellen stammt. Es zeigt sich (Abb. 8), dass durch BES- Zusatz (20 mmol) zum Stauwasser von Rasenproben die Methanbildung tatsächlich unterdrückt wird. Ein völlig anderes Bild ergibt sich, wenn der Inhibitor mit dem Aktivator Methionin kombiniert wird. Es zeigt sich, dass Methionin die BESHemmung nicht nur aufhebt, sondern ihre Aktivität erheblich steigert. Der ungewöhnlich starke Abfall des Sauerstoffs in einer Probe mit Methionin und BES legt die Vermutung nahe, dass die Atmer unter den Mikroben durch BES unter Stress geraten, was sich in einer gesteigerten Atmungsaktivität mit schnellem Sauerstoffverzehr niederschlägt. Abb. 7: Strukturformeln von BES (oben) und Methionin (unten). Methangehalt (ppm) Das brachte uns auf die Idee, das Stauwasser für Böden mit Methionin anzureichern. Wir fluteten die Rasenprobe mit einer 0,5 % -gen L-Methioninlösung und verfolgten die Sauerstoff- und Methanentwicklung im Inkubator. Wie Abb. 6 zeigt, explodiert die Methanbildung ab dem 3. Tag und führt zu Spitzenwerten von 25.000 ppm Methan nach 11 Tagen. Das entspricht mehr als dem 10- fachen der von uns bislang registrierten Spitzenwerte (Abb. 3, Seite 20). Die starke Methanbildung muss mit Methionin zusammenhängen. Das scheint ein Nachweis dafür, dass Methionin, analog zu den Pflanzen, auch im Stoffwechsel von Archaeen als Schlüsselsubstanz gelten darf. Wir konnten auch nachweisen, dass die Methanemission mit zunehmender Methioninkonzentration ansteigt. Mathangehalt (ppm) Junge Wissenschaft 106 // 2015 22 Jugend forscht Die Methandetektion im Freiland konnten wir in der Hitzeperiode im August 2013 in Angriff nehmen. Wir gossen je 2 m2 Rasen, Wiese, Gartenund Ackerboden morgens, mittags und abends mit je 40 l Wasser. Später wiederholten wir das im Laubwald. Die danach mit dem Sewerin-Sensor ermittelten CH4-Werte über den gefluteten Flächen zeigt Abb. 11. Sie liegen bei 5 bis 10 ppm. Auf dem trockenen Boden daneben zeigte das Gerät immer jeweils 0 ppm an. Waldboden weicht von den anderen Böden ab. Wir fanden auch bei mehrfacher Messung keine Young Researcher 23 Abb. 10: Freilandmessung mit dem Sewerin-Gassensor (links die Ansaugglocke aus Gummi). 12 Methangehalt (ppm) 10 8 6 4 2 0 Sportrasen Wiese Garten Kornacker Wald Abb. 11: Methanemission von gefluteten Böden unterschiedlicher Herkunft. 8 7 Methangehalt (ppm) rasen in einem Innenhof unserer Schule konnten wir mit dem EWG-Gerät Mitte Oktober kein Methan nachweisen. Bei den mittlerweile niedrigen Außentemperaturen waren auch keine großen Mikrobenaktivitäten mehr zu erwarten. Damit unser Forschungsvorhaben über den Winter nicht zur Ruhe kommen musste, probierten wir es wieder in einem abgeschlossenen System. In einem 20-Liter-Exsikkator wurde ein rundes 1,36 kg-Sportrasenstück mit 22 cm Durchmesser (Fläche = 380 cm2) inkubiert und mit 600 ml Wasser geflutet. Der Planschliffdeckel wurde mit einem dreifach durchbohrten Gummistopfen mit 2 Glasröhrchen verschlossen. Eines diente zum Anschluss des Methansensors, der beim Messen Luft ansaugt, und über das zweite sollte ein Druckausgleich durch Nachströmen von Außenluft bei der Messung erfolgen. Das Kabel zum O2-Sensor verlief durch die dritte Bohrung. Bereits die 1. Messung nach 25 Stunden ergab 10 ppm Methan bei 19,6 % Sauerstoff. Auch hier ist Methan also wieder detektierbar, obwohl im Inkubator noch stark aerobe Verhältnisse vorliegen. Die Sauerstoffwerte fielen über 22 Tage nahezu linear auf 4,2 % ab (Abb. 9). Der Methanwert erreichte in 12 Tagen die 100 ppmGrenze. Nach jedem Messvorgang steigt der Sauerstoffwert um durchschnittlich 0,3 % und die Methankonzentration nimmt ab, da der Messvorgang mit dem Ansaugen der Probe durch den Sensor immer mit Frischluftzufuhr einhergeht. Über drei Wochen stieg der CH4-Wert deutlich und erreichte beim Abbruch der Messung nach 22 Tagen 860 ppm. Auch hier kommt es zum starken Anstieg der Methanbildung bei O2-Werten um 6 %. 6 5 4 3 2 1 0 0 0,5 1 1,5 2 Stunden 2,5 3 3,5 4 Abb. 12: Zeitliche Entwicklung der Methanemission nach stärkerem Regen bei vorgeflutetem Boden. Jugend forscht CH4-Emission nach starkem Gießen. So war auch im Freiland der Beweis für eine Methanemission nach starkem Wassereintrag erbracht. Es wird aber auch deutlich, dass sie nicht auf Sportrasen beschränkt bleibt, sondern dass alle Böden außer den Waldböden nach starkem Regen zu großflächigen Methanquellen werden. 3.2 Abiotisches Methan aus bodenchemischen Prozessen Danach interessierte uns die zeitliche Entwicklung der Methanemission nach dem Regen. Dazu gossen wir 1 m2 Rasenfläche zunächst mit 30 l, warteten 5 Stunden bis das Wasser im Untergrund versunken war und beregneten nochmals künstlich mit 20 l. Das Ergebnis zeigt Abb. 12 (Seite 23). In einer weiteren Messreihe variierten wir die Niederschlagsmengen des künstlichen Regens von 10 - 40 l/m2, allerdings ohne Vorflutung. Sie führt zu der erstaunlichen Erkenntnis, dass auch bei geringem Niederschlag und ohne Vorflutung in einem Zeitraum von 2 bis 3 Stunden nach Niederschlagsbeginn eine Methanemission einsetzt, die nach 4 bis 5 Stunden wieder auf Null zurückgeht. (siehe Abb.13) Diese Messungen fanden am 5. August 2013 statt, also genau während der Hitzewelle in Deutschland mit anhaltenden Tageshöchstwerten von weit über 30° C. Bei der Wiederholung der Messung Ende September mit Tageshöchsttemperaturen um 20° C wurde kein Methan detektiert. Erst bei der Diskussion der Ergebnisse mit Frank Keppler am Max-Planck-Institut in Mainz ging uns ein Licht auf: Es konnte nicht das Methan sein, das wir früher als Produkt mikrobieller Bodenaktivitäten erfasst hatten (siehe 3.1). Die Zeit vom Gießen bis zum ersten CH4-Nachweis ist für die Adaption von Bodenmikroben zu kurz. So bleibt nur die Erklärung, dass es sich hier um nichtmikrobielles Methan handelt, das die Mainzer Atmosphärenforscher unter Laborbedingungen 2012 nachwiesen [11]. Der Zufall wollte es, dass uns die Hitzwelle im Sommer 2013 zu Hilfe kam und mit ca. 30° C Bodentemperaturen (die Böden waren ausgebrannt) und starker Sonnenstrahlung Verhältnisse schaffte, die den Laborbedingungen bei den 6 40 l/m2 5 30 l/m2 20 l/m2 Methangehalt (ppm) Junge Wissenschaft 106 // 2015 24 4 10 l/m2 3 2 1 0 1 2 3 Stunden 4 5 Abb. 13: Zeitliche Entwicklung der CH4-Emission nach der ersten Beregnung sowie Niederschlagsmenge. Mainzer Untersuchungen entsprachen. Diese Annahme wird durch die Wiederholung der Messung im September gestützt. Wahrscheinlich wurde zum ersten Mal abiotisches Methan im Freiland auf intakten Böden gemessen. Diese nicht-mikrobielle Methansynthese gibt den Wissenschaftlern noch Rätsel auf. Für uns bleibt die Erkenntnis, dass es nicht unerhebliche Methanemissionen abiotischen Ursprungs aus Böden geben kann, die in Regionen mit starker Sonneneinstrahlung durch nachfolgende Regengüsse induziert werden. 3.3 Projektion der Ergebnisse auf das Bundesland Bayern: Ein Rechenmodell Natürlich interessiert bei solchen Untersuchungen immer die Frage nach dem „wie viel ?“. Wir wollen im Folgenden einmal eine grobe Abschätzung wagen. Dabei beziehen wir uns zunächst nur auf das mikrobielle Methan, das nach lang andauernden Regenfällen, wie wir sie an Pfingsten 2013 in Deutschland im Übermaß hatten, in die Atmosphäre abgegeben wird. Unsere Schätzung basiert auf der Annahme, dass die Ansaugleistung der Saugglocke des SewerinMessgerätes von 50 l/h als Richtgröße für den Gasaustausch zwischen der Atmosphäre und 0,385 m2 Boden dienen kann. Dieser Wert lässt sich ermitteln, wenn man Methan während des Mess- vorganges über eine Spritze mit langer Kanüle in definierten Abständen zur Saugglocke in den Boden injiziert. Der Sensor spricht an, wenn man den Abstand von 35 cm deutlich unterschreitet. Das bedeutet, dass die Saugglocke, die mit einem Durchmesser von 7 cm 38,5 cm2 Bodenfläche abdeckt, Luft von der benachbarten Bodenfläche mit einem Radius von maximal 35 cm (= 0,385 m2 Boden) ansaugen kann. So kommt man auf einen Wert von 130 l/ h/m2, was für eine mittlere Methankonzentration von 10 ppm 1,3 ml CH4 / h/m2 bedeutet. Zur Berechnung der Tagesemission veranschlagen wir für die warme Jahreszeit eine Emissionszeit von 10 Stunden (z.B. von 10 bis 20 Uhr) und kommen so auf einen Wert von 13 ml/dm2. Projizieren wir nun das Ergebnis auf Bayern mit einer Gesamtfläche von 70.551 km2: Nach Abzug von Wald-, Wasserund versiegelten Flächen verbleiben ca. 32.000 km2 landwirtschaftlich nutzbare Fläche, aus der bei Staunässe Methan entweichen kann. Bei einer mittleren Methanemission von 7 ppm ergeben sich 291.200 Kubikmeter Methan, bezogen auf den 10 Stunden-Tag und auf die relevanten Bodenflächen in Bayern. Dies entspricht 194,23 Tonnen Methan pro Tag. Bei 3,25 Millionen Rindern (Stand: 2012) in Bayern mit einem durchschnittlichen Methanausstoß von 250 l pro Tag entspricht diese Menge etwa 36 % der Tagesemission Jugend forscht des gesamten bayerischen Rinderbestandes. Zum weiteren Vergleich: Die CH4-Emisssion für das Bundesland Bayern wird für das Jahr 2009 mit 385.009 t angegeben [13]. 4 Untersuchungen zur Methanisierung und zur Erweiterung des Powerto-Gas-Konzepts 4.1. Bioelektromethanogenese durch CO2-Konversion Die Ergebnisse der bisher dargestellten Untersuchungen geben keinen Anlass zum Optimismus, weil sie auf Methanquellen hinweisen, die bislang nicht im vollen Umfang erkannt wurden. Es sind aber keine neuen Methanquellen, sondern es handelt sich um unvermeidbare natürliche Pfade, für die methanogene Archaeen verantwortlich sind. Wir dachten schon in einem frühen Stadium unserer Arbeit darüber nach, ob man die Archaeen nicht auch in den Dienst des Klimaschutzes stellen könnte. In unseren Köpfen existierte die Idee, die Fähigkeit von Mikroben zu nutzen, das Treibhausgas CO2 aus industriellen und technischen Prozessen auch gezielt in den universell einsetzbaren Energieträger Methan umzuwandeln. CO2 + 4 H2CH4 + 2 H2O ΔG° = -131,0 kJ/mol Die Reaktion von CO2 mit Wasserstoff zu Methan ist auch unter den Begriffen „Methanisierung“ und „SabatierProzess“ in die Literatur eingegangen [14]. Aus der Gleichung folgt, dass das CO2 als Reaktionspartner Wasserstoff benötigt. Dies gilt auch für die Konversion durch Archaeen. In der Literatur fanden wir ein Verfahren von US-Wissenschaftlern, das auch ohne Wasserstoff auskommt. Sie benutzen dazu eine 25 0h 4h 20 h 44h 70 h Young Researcher 100000 Methangehalt (ppm) Die Werte haben sich bis heute nur unwesentlich verändert. Wenn wir die Jahreswerte auf Tageswerte herunterrechnen, wird deutlich, dass die Methanemission aus landwirtschaftlich nutzbaren Flächen nach Regengüssen tatsächlich ins Gewicht fällt. Die Berechnung erfolgt nach folgendem Ansatz: 385.009 t : 365 d = 1.055 t/d. Der von uns überschlagsmäßig gefundene Wert von 194,23 t/d beläuft sich also auf ca. 18,4 % der bislang für Bayern berechneten CH4-Tagesemission. 120000 80000 60000 40000 20000 0 Kontrollansatz Kohlenstoffdioxid Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff CO2/1V Gleichstrom Abb. 14: Ergebnisse der Ansätze zur CO2-Konversion. elektrochemische Zelle mit einer abiotischen Anode und einer Bio-Kathode [15]. Diese wird durch einen Biofilm aus dem Mikrobenstamm Methanobacterium palustre gebildet. Wenn der Strom fließt, entsteht Methan in einer bislang unbekannten Effizienz. Offenbar tragen die elektrolysefähigen Mikroben dazu bei, die primäre Wasserstofferzeugung zu umgehen. Man glaubt, dass der Elektronentransfer von der Elektrode direkt auf methanogene Mikroben erfolgt und nicht den Umweg über Wasserstoff oder Acetat nimmt [15]. Die Erfinder schlagen vor, mit diesem Verfahren nicht nur lästiges CO2 zu beseitigen, sondern das weltweit diskutierte Problem der Zwischenspeicherung des Stromüberschusses aus Windkraft- und Solaranlagen durch Umwandlung von CO2 in den Biokraftstoff Methan zu lösen. Bei unseren Versuchen arbeiteten wir mit aktivem Gärsubstrat aus dem Fermenter der Biogasanlage „BioPower Sailauf“ in unserer Nähe. Wir zogen dieses Material Bodenproben vor, weil wir uns sicher sein konnten, dass es reich an methanogenen Mikrobenstämmen ist. Das zähflüssige Substrat wurde vor dem Einsatz 30 min im Stickstoffdurchstrom bei 50° C gerührt, um das eingeschlossene Biogas mit hohen Methananteilen auszutreiben. Dann füllten wir davon jeweils 80 ml Substrat in vier 100 mlKolben, in denen jeweils der gleiche Totraum verblieb. Ein Ansatz diente als Kontrolle zum Vergleich, um die CH4- Menge abschätzen zu können, die bei der Vergärung des immer noch aktiven Substrates ohne weitere Manipulation produziert wird. Der zweite Kolben wurde mit CO2 begast und der dritte mit einem Gemisch von CO2 und Wasserstoff. In den vierten Ansatz wurden nach der CO2-Begasung zwei Elektroden aus feinmaschigem Edelstahl-Fliegengitter (3 x 8cm) eingesetzt, an die 1 V Gleichspannung angelegt wurde. Die CH4-Konzentrationen in den Gefäßen wurden gaschromatographisch bestimmt. Wir gingen davon aus, dass eine Zunahme über die im Kontrollansatz erfasste Menge hinaus, die CO2Konversion durch Mikroben anzeigt. Abb. 14 macht deutlich, dass die Methanentwicklungen im Kontrollansatz und im CO2-begasten Ansatz sich nicht wesentlich unterscheiden und in knapp 2 Tagen zu CH4-Konzentrationen um 5000 ppm führen. Daraus folgt, dass keine CO2-Konversion stattfindet, wenn nur mit Kohlenstoffdioxid begast wird. Bei Begasung mit CO2 und H2 finden wir nach 2 Tagen den 12-fachen Wert. Das heißt, dass in Anwesenheit von Wasserstoff und unter Mitwirkung von Mikroben die Methanisierung enorm voranschreitet. Noch deutlicher fällt das Ergebnis aus, wenn man die Mikroben anstelle von Wasserstoff über die Kathode mit Elektronen füttert. Die Methanisierung wird nochmals gesteigert und der CH4-Wert erreicht fast das 15-fache des 26 Zeit 30 min 60 min 120 min 180 min Junge Wissenschaft 106 // 2015 Jugend forscht CH4-Konz. 4.480 ppm 8.940 ppm 25.380 ppm 111.560 ppm Tab. 1: Methanausbeute im Reaktor in Abhängigkeit von der Zeit des Einleitens von CO2. Kontrollansatzes. Bezogen auf einen Totraum von 80 ml bedeuten 73.352 ppm die Abgabe von ca. 6 ml Methan durch methanogene Mikroben. Bis zum 3. Tag findet nochmals ein Sprung auf fast 100.000 ppm statt. Die CO2-Konversion mit Strom funktioniert also auch, wenn man keine ausgewählten Mikrobenstämme einsetzt. Dazu wären wir technisch auch nicht in der Lage. Als Beleg dient auch ein Zusatzexperiment, bei dem Gärsubstratansätze mit und ohne CO2-Begasung mit Gleichstrom behandelt wurden. Das Ergebnis zeigt, dass Strom die Konversion antreibt. Bei CO2-Begasung erhält man nach 2 Stunden doppelt so viel Methan und nach 1 Tag schießt der Wert mit 4 % aus dem ppm- in den Prozentbereich auf fast das 10-fache hoch. Daraus folgt, dass das detektierte Methan aus dem CO2-Reservoir stammt, das zusätzlich durch Begasung zur Verfügung gestellt wurde. 4.2 Konversionsversuche in einem Kleinreaktor Unser Ziel war es, die CO2-Konversion in einem Kleinreaktor kontinuierlich zu betreiben. Wir benutzten ein Plexiglasrohr (Ø = 4 cm; L = 60 cm) in das zwei gebogene Fliegengitterstreifen (40 x 4 cm) als Elektroden eingesetzt wurden (siehe Abb. 15). Das Gärsubstrat aus der Biogasanlage wurde im Stickstoffstrom erhitzt und dann in den Reaktor gefüllt. Über ein Gaseinleitungsrohr speisten wir bei 1 V-Gleichspannung an den Elektroden einen gemäßigten CO2-Strom in den Reaktor ein. Das oben austretende Gas wurde pneumatisch aufgefangen und auf CH4 untersucht. Das Ergebnis zeigt Tab. 1. Unten strömt CO2 ein und oben entweicht ein Gas, das nach 3 Stunden einen Methananteil von 25 % besitzt. Da uns das Ergebnis unglaublich erschien, überprüften wir es oft, um immer wieder festzustellen: Erst beim Einschalten des Stroms kommt es zu einem drastischen Anstieg der Methanwerte. 5 Zusammenfassung In mehr als zwei Jahre andauernden Labor- und Freilanduntersuchungen wiesen wir nach, dass Methan nicht nur aus Reisfeldern in die Atmosphäre gelangt, sondern auch bei Regen aus landwirtschaftlich nutzbaren europäischen Böden. Mit inkubierten Bodenproben konnten wir zunächst bestätigen, dass der natürliche Fäulnisprozess mit einer rasch ansteigenden Methan-bildung erst dann einsetzt, wenn der Sauerstoffgehalt in der Umgebung auf Null gesunken ist. Überraschend war die Feststellung, dass Methan bei gefluteten Rasen-, Garten-, Wiesen- und Ackerböden schon dann entsteht, wenn der O2-Gehalt in der Innenraumluft des Inkubators knapp unter 20 % beträgt. Zu einer richtigen Methanexplosion kommt es, wenn das Stauwasser die Aminosäure Methionin enthält. Dies weist sie als Schlüsselsubstanz bei der Methanbildung von Mikroben aus. Erst 2006 teilten Atmosphärenforscher aus Mainz mit, dass dies auch bei grünen Pflanzen der Fall ist. Unser großes Ziel war es, die Laborergebnisse auch im Freiland zu bestätigen. Nach einigen vergeblichen Anläufen war es im Sommer 2013 soweit. Mit einem hochempfindlichen Sensor gelang es uns, Methanemissionen um 10 ppm bei vorgefluteten Rasen-, Wiesen-, Garten- und Ackerböden im Freien nachzuweisen. Unter den Extrembedingungen der Hitzewelle, stießen wir im Freiland auch auf abiotisches Methan aus nichtmikrobiellen Abbauvorgängen, das Mainzer Wissenschaftler erstmals im Jahre 2012 bei Laboruntersuchungen fanden. Daraus resultiert die Erkenntnis, dass Böden auch bei starker Sonneneinstrahlung durch nachfolgende Regengüsse zu bemerkenswerten Methanquellen werden können. Projiziert man unser Ergebnis zur Methanemission von Böden auf die regennassen landwirtschaftlich nutzbaren Flächen in Bayern, dann erreicht der überschlagsmäßig gefundene Wert fast 20 % der für den Freistaat berechneten Methantages- Abb. 15: Schema eines Reaktors zur CO2Konversion im Durchstromverfahren. Jugend forscht In weiteren Versuchen gelang es, Methanmikroben in den Dienst des Umweltschutzes zu stellen. In einem Kleinreaktor mit Gärsubstratfüllung aus der Biogasanlage ist es möglich, Kohlendioxid mit Mikroben gezielt in den Energieträger Methan umzuwandeln. Setzt man sie „unter Strom“, erfolgt die CO2Konversion mit einer bisher nicht gekannten Effizienz. Dieser Befund deckt sich mit aktuellen Erkenntnissen amerikanischer Forscher. Ausgehend von der investierten elektrischen Ladung erhielten wir Faraday-Wirkungsgrade von 150 bis über 300 %. Hier eröffnen sich neue Möglichkeiten, das Treibhausgas CO2 zum Wertstoff zu recyceln, erneuerbare Überschussenergie aus alternativen Energiequellen zu speichern und die Effizienz von Biogasanlagen zu steigern. Danksagung 27 Wir möchten uns bei allen bedanken, die uns bei der Durchführung unseres Projektes unterstützt haben, ganz besonders bei Roland Full, der uns immer engagiert und tatkräftig zur Seite stand. Er stellte auch den Kontakt zu Dr. Frank Keppler her, der sich die Zeit nahm, unsere Ergebnisse mit uns zu diskutieren und neue Impulse zu geben. Danken möchten wir auch Wolfgang Rachor, Frank Stadtmüller und Alex Schalkhas (Geschäftsführer) vom Elektrizitätswerk Goldbach-Hösbach für die Unterstützung bei den Methanmessungen. Für die Beschaffung und die Anzucht von Rollrasen sagen wir unserem Hausmeister, Stefan Scharf, herzlichen Dank. Unser Dank gilt auch den Mitarbeitern der Biogasanlage „BioPower“ Sailauf für die Überlassung von Gärsubstrat. Nicht vergessen möchten wir unsere Eltern, die uns stets ermunterten und unterstützten. Young Researcher emission. Anschaulicher gesagt: Er entspricht dem täglichen Methanausstoß von 1164800 Kühen. C M Y CM Quellenverzeichnis MY CY [1] http://de.wikipedia.org/wiki/Klimaveränderung; Zugriff am 14.10.2012 [2]C. Veidt, Umbau und Test der Heidelberger Methan-Isotopen-Aufbereitung für die δD-Analyse von Reinluftproben mit Infrarotabsorptionsspektroskopie, Diplomarbeit, Fakultät für Physik und Astronomie, Universität Heidelberg, 2002 [3] http://de.wikipedia.org/wiki/Methanogenese, Zugriff am 12.12.2012 [4] Unterricht Biologie, Heft 278, Oktober 2002, 26. Jhg., Themenheft „Bakterien“ [5]L. Ganzert, Bodendiversität methanogener Archaeen in arktischen Böden, Diplomarbeit, Universität Potsdamm, 2005 [6] http://es.wikipedia.org/wiki/Archaea, Zugriff am 20. 12. 2012 [7]L. Signor, C. Knuppe, R. Hug, B. Schweizer, A. Pfaltz, B. 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