Waldbrände sind eine uralte Kraft, die die Umwelt prägt, aber als Reaktion auf den Klimawandel haben sie an Häufigkeit, Ausmaß und Intensität zugenommen. Im Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des Energieministeriums arbeiten Wissenschaftler an mehreren Fronten, um diese Ereignisse und ihre Bedeutung für den Kohlenstoffkreislauf und die Artenvielfalt besser zu verstehen und vorherzusagen.
Zwei Monate nach Beginn der Hauptbrandsaison im Sommer 2023 von Juni bis August hatten kanadische Waldbrände mehr als 25 Millionen Hektar verbrannt, das Leben von Millionen Menschen zerstört und sich über die traditionellen Grenzen Westkanadas hinaus nach Nova Scotia ausgebreitet. Das Phänomen erregte erneut Aufmerksamkeit, als Rauch in dicht besiedelte Regionen vordrang, die Skyline von New York City orange färbte und Ende Juni über den Atlantik nach Europa trieb.
Das Verständnis der vielen Risiken und Auswirkungen von Waldbränden steht im Mittelpunkt mehrerer Projekte am ORNL. Henriette „Yetta“ Jager, eine ORNL-Wissenschaftlerin, deren Forschung an der Schnittstelle von Energie und Ökologie angesiedelt ist, hat untersucht, wie durch selektive Walddurchforstung sowohl Treibstoff für Waldbrände entfernt als auch Pflanzenmaterial für die Umwandlung in Biokraftstoffe bereitgestellt werden kann.
„Es ist ein komplexes Thema“, sagte Jager. „Die Wissenschaft zeigt, dass es zwar schwierig sein kann, Unterholz und dünne Bäume in einigen straßenlosen Gebieten zu entfernen, dass es jedoch mehr schaden als nützen kann, einfach alte Wälder in Ruhe zu lassen.“ Bei gefährdeten Arten wie dem Fleckenkauz kann die Ansammlung von Kraftstoff zu größeren und ausgedehnteren Bränden führen, die auf lange Sicht schlimmer sein können.“
Jager hat mit Kollegen zusammengearbeitet, um ein zu bauen Rahmen, der die Entscheidungsfindung unterstützen kann rund um Walddurchforstungspraktiken, Landschaftsmuster und sogar räumliche Brandbekämpfungstaktiken. Die Ergebnisse ihrer Arbeit könnten zum Schutz von Land- und Wasserarten genutzt werden, die einen sicheren Durchgang benötigen, um sich vor Waldbränden zu schützen und später wieder zurückzukehren.
„Die Störung durch Waldbrände ist ein Teil der Natur und die Arten sind daran angepasst, aber mit dem Klimawandel befinden wir uns jetzt in einer anderen Situation“, sagte Jager. „Es wird große Veränderungen hinsichtlich des Zeitpunkts, der Größe und der Schwere dieser Brände geben, was zu großen Veränderungen in der Vegetation und neuen Auswirkungen auf Tierarten führen wird.
„Indem wir unsere Forschung fortsetzen, können wir Waldverwaltern bei der Planung dieser Veränderungen helfen.“
Aufdeckung von Daten in der kohlenstoffreichen arktischen Tundra
Ein Schwerpunkt der ORNL-Wissenschaftlerin Fernanda Santos liegt auf der Verbesserung des Verständnisses der Auswirkungen von Waldbränden auf den Kohlenstoffkreislauf. Sie untersucht nicht nur einzelne Ereignisse, sondern auch wiederholte Waldbrände über Jahrzehnte. Sie untersucht, was diese Brände für die Fähigkeit des Landes bedeuten, Kohlenstoff zu speichern. Und umgekehrt untersucht ihre Arbeit, wie Brände bei Waldbränden zu einer Quelle von Kohlenstoffemissionen werden und möglicherweise den Erwärmungszyklus verstärken können. Die Böden der Welt enthalten mehr als 3 Gigatonnen Kohlenstoff – das Dreifache der Menge in der Atmosphäre – und etwa 70 % der obersten Schicht aller Böden waren irgendwann Feuer ausgesetzt.
Ihre Forschung beleuchtet die erwarteten Veränderungen, wenn sich das Land als Reaktion auf Feuer entwickelt. „Viele Menschen denken, Evolution sei etwas, das über Jahrhunderte hinweg geschieht“, sagte Santos. „Aber die Idee einer schnellen Evolution, einschließlich der schnellen Anpassung von Pflanzen und Bodenmikrobiomen an zunehmende Brände, ist relativ neu. Wird es nach wiederholten Bränden mehr oder weniger Artenvielfalt geben? Letztendlich wollen wir wissen, wie sich Feuer auf diese Umgebungen auswirkt, auch unter der Erde.“
Feuer beeinträchtigt die funktionellen Merkmale von Pflanzen sowie die Vielfalt und Funktion von Mikroben und anderen Organismen im und um den Boden, was die Pflanzen- und Bodenqualität verändern kann, sagten Santos und Kollegen in einer Sonderausgabe von Funktionelle Ökologie Untersuchung von Wissenslücken in der Untersuchung der evolutionären Auswirkungen von Waldbränden. Es wurde berichtet, dass Veränderungen in den Waldbrandregimen im Zusammenhang mit einem heißeren Klima, wie z. B. eine größere Häufigkeit und Schwere, beispielsweise den Übergang von Ökosystemen, die von Bäumen zu Sträuchern dominiert werden, beschleunigen. Der evolutionäre Einfluss des Feuers zeigt sich in der Auswahl von Pflanzen mit Merkmalen wie dickerer Rinde und schneller Keimung und Neuausbreitung und kann zu einer geringeren Pflanzenvielfalt führen.
Die Wissenschaftler wiesen auch auf die Notwendigkeit weiterer Forschung darüber hin, wie Feuer die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Pilzen in Wäldern beeinflussen kann. Schwerwiegendere und wiederholt auftretende Waldbrände könnten sich auch auf die sensorischen Signale auswirken, die Tiere, darunter Insekten, Bestäuber und Pflanzenfresser, normalerweise nutzen, um Bränden auszuweichen, und zusätzliche Auswirkungen auf die Artenvielfalt in einem sich ändernden Klima haben, sagten die Wissenschaftler.
Am ORNL arbeitet Santos an Projekten wie dem DOE Next-Generation Ecosystem Experiments Arctic oder NGEE Arctic, führt Experimente durch und sammelt Beobachtungsdaten, um Veränderungen in arktischen Ökosystemen besser zu verstehen. Sie konzentriert sich auf die Störungsökologie – was Ereignisse wie Waldbrände und Schädlingsausbrüche für die Umwelt und zukünftige Klimarückwirkungen bedeuten. Sie untersucht die organische und anorganische Chemie des arktischen Oberbodens, der zur Isolierung der kohlenstoffreichen Permafrostschicht der Tundra beiträgt.
Verfeinerung groß angelegter Klimasimulationen
Santos hilft auch dabei, groß angelegte Simulationen des Erdklimas zu verfeinern, wie z Energie-Exascale-Erdsystemmodell des DOE, um verschiedene Formen von Kohlenstoff wie verkohlte Biomasse – Ruß und Holzkohle –, die bei Waldbränden entstehen, besser darzustellen. E3SM wird vom Biological and Environmental Research Program des DOE Office of Science unterstützt und umfasst acht nationale Labore, darunter das ORNL. Das Modell läuft auf den schnellsten Supercomputern der Welt und bietet hochentwickelte Simulationen, um Umweltveränderungen, die sich auf den Energiesektor auswirken könnten, besser vorherzusagen.
All diese Arbeiten hängen von der Qualität und Quantität der Beobachtungs- und Versuchsdaten ab. Santos und sein ORNL-Kollege Jiafu Mao haben die Datensätze zu Waldbränden verbessert hat ein Fire Community Database Network ins Leben gerufen Wissenschaftler und Landverwalter zu ermutigen, Umweltdaten über verbrannte Gebiete an ein zentrales Archiv zu übermitteln. Der Austausch solcher Informationen könne nicht nur die Forschung verbessern, sondern auch Landbewirtschaftungspraktiken beeinflussen, sagten die Wissenschaftler.
Waldbrände verbrauchen nicht nur die Biomasse von Pflanzen und Bäumen, sondern können auch zur Freisetzung von Kohlenstoff führen, der über Jahre oder Jahrhunderte im Boden gespeichert war, sagte Santos. „Unsere Arbeit in der Arktis konzentriert sich auf ein besseres Verständnis dessen, was in diesen kohlenstoffreichen Böden in höheren Breiten wie Alaska und Kanada passieren kann. Wir modellieren und prognostizieren den Kohlenstoffkreislauf an Land, und ich konzentriere mich darauf, mit Felddaten über historische Brände dazu beizutragen, die Unsicherheit in diesen Modellen zu verringern.“
Weitere Einzelheiten zu ORNLs Modellierungs- und Simulationsarbeit rund um Waldbrände finden Sie hier finden Sie in diesem aktuellen Artikel.
Die Projekte werden vom DOE BER-Programm, dem Bioenergy Technologies Office des DOE Office of Energy Efficiency & Renewable Energy und der ORNL Laboratory Directed Research and Development unterstützt.
UT-Battelle verwaltet ORNL für das Office of Science des DOE, den größten Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten. Das Office of Science arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Für weitere Informationen, besuchen Sie bitte energie.gov/science. — Stephanie Seay
Fernanda Santos vom ORNL untersucht im Juni 2022 eine Bodenprobe an einem NGEE-Arktis-Feldstandort in der Tundra Alaskas. Bildnachweis: Amy Breen, University of Alaska Fairbanks
Mit freundlicher Genehmigung von Oak Ridge National Laboratory.
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