Kohlenstoffkreislauf und Biosphäre

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1 Kohlenstoffkreislauf und Biosphäre Ziele der Vorlesung: (1) Verständnis der Rolle der Biosphäre im globalen Kohlenstoffkreislauf und für den Klimawandel (2) Verständnis der Methoden, welche zur Untersuchung dieses Themas angewendet werden, insbesondere Computermodellierung, Fernerkundung und Messungen (3) Kenntnisse über Gegenstände der aktuellen Forschung und Forschungsprogramme zum Thema (4) Reflexionen über Wissen/Unsicherheit/Zukunft und die gesellschaftliche Bedeutung des Themas/der Wissenschaft

2 1-2: EINFÜHRUNG 1 Treibhaus Erde: Kohlenstoffkreislauf und Klimawandel ( ) 1.1 Einführung in die Thematik der Vorlesung 1.2 Gespräch über die Vorlesung, Wünsche, Fragen, biographische Vorstellung Schimel, D.S., J.I. House, K.A. Hibbard, P. Bousquet, P. Ciais, P. Peylin, B.H. Braswell, M.J. Apps, D. Baker, A. Bondeau, J. Canadell, G. Churkina, W. Cramer, A.S. Denning, C.B. Field, P. Friedlingstein, C. Goodale, M. Heimann, R.A. Houghton, J.M. Melillo, B. Moore, D. Murdiyarso, I. Noble, S.W. Pacala, I.C. Prentice, M.R. Raupach, P.J. Rayner, R.J. Scholes, W.L. Steffen, and C. Wirth, Recent patterns and mechanisms of carbon exchange by terrestrial ecosystems. Nature 414, , Der globale Kohlenstoffkreislauf: Komponenten und Prozesse ( ) 2.1 Vegetation und Boden 2.2 Ozean und geologische Prozesse 2.3 Der Mensch 2.4 Die Gesamtbilanz des IPCC Reflexion: Ist Klimawandel ein wichtiges Problem? Prentice, I.C., M. Heimann, and S. Sitch, The carbon balance of the terrestrial biosphere, Ecological Applications, 10, , 2001.

3 3: MESSUNGEN 3 Inventarisierung und Bilanzierung: Wieviel Kohlenstoff enthält Europa? ( ) 3.1 Forstinventuren 3.2 Eddy-Flux-Messungen und Hochskalierung 3.3 Atmosphärische Inversion 3.4 Fernerkundung 3.5 Modellierung Reflexion: Wie gut wissen wir eigentlich Bescheid? Janssens, I.A., A. Freibauer, P. Ciais, P. Smith, G.-J. Nabuurs, G. Folberth, B. Schlamadinger, R.W.A. Hutjes, R. Ceulemans, E.-D. Schulze, R. Valentini, A.J. Dolman, Europe's terrestrial biosphere absorbs 7 to 12% of European anthropogenic CO 2 emissions, Science, 300, , 2003.

4 4-5: MODELLIERUNG 4 Modellierung des biosphärischen C-Kreislaufs: Photosynthese und Allokation 4.1 Verschiedene Arten von Vegetationsmodellen und wie sie sich entwickelt haben 4.2 Grundbegriffe: GPP, NPP, Rh, NEP, NBP 4.3 Photosynthese und Autorespiration 4.4 Kohlenstoff-Allokation (mit einigen mathematischen Ableitungen) 4.5 Validierung: Was wird in Vegetationsexperimenten beobachtet? Sitch, S., B. Smith, I.C. Prentice, A. Arneth, A. Bondeau, W. Cramer, J.O. Kaplan, S. Levis, W. Lucht, M.T. Sykes, K. Thonicke, and S. Venevsky, Evaluation of ecosystem dynamics, plant geography and terrestrial carbon cycling in the LPJ Dynamic Global Vegetation Model, Global Change Biology, 9, , Modellierung des biosphärischen C-Kreislaufs: PFTs, Sukzession, Feuer 5.1 Funktionale Differenzierung von Vegetation in Modellen 5.2 Räumliche Muster von Vegetation und Konkurrenz 5.3 Wechselwirkungen mit dem Wasserkreislauf 5.4 Modellierung von Störungen und längerfristige Kohlenstoffbilanz Prentice, C.I., W. Cramer, S.P. Harrison, R. Leemans, R.A. Monserud, and A.M. Solomon, A global biome model based on plant physiology and dominance, soil properties and climate, Journal of Biogeography 19, , 1992.

5 6: ERGEBNISSE DER MODELLIERUNG 6 Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der C-Bilanz der Biosphäre 6.1 Storylines in der Klimamodellierung 6.2 Klimaszenarien 6.3 Die Biosphäre: Quelle, Senke oder neutral? Reflexion: Was heißt es, global zu modellieren? Ist den Modellen zu trauen? Cramer, W., et al. Global response of terrestrial ecosystem structure and function to CO2 and climate change: Results from six dynamic global vegetation models. Global Change Biol. 7, , 2001.

6 7-8: FERKERKUNDUNG 7 Satellitenfernerkundung zur C-Bilanz: Methoden 7.1 Optische Satelliten zur Bestimmung von Lichtabsorptionsraten 7.2 Radar-Fernerkundung von Biomasse und Bodenfeuchte 7.3 Vegetation Canopy Lidar-Systeme 7.4 Kopplung von Satellitendaten mit Vegetationsmodellen: Stand der Forschung Potter. C., S. Klooster, R. Myneni, V. Genovese, P.-N. Tan, and V. Kumar, Continental scale comparisons of terrestrial carbon sinks estimated from satellite data and ecosystem modeling , Global and Planetary Change, in press. 8 Die Wechselwirkung von Licht mit Vegetation: Grundlage der Fernerkundung 8.1 Direktionalität von Reflektanz: Historisches, Grundlagen 8.2 Direktionalität von Reflektanz: Das Problem bei Satelliten 8.3 Ein semiempirisches Modell der BRDF (mit einigen mathematischen Ableitungen) 8.4 Albedo: eine Schlüsselgröße Lucht, W., Viewing the earth from different angles: Global change and the science of multiangular reflectance, in: Reflection Properties of Vegetation and Soil, with a BRDF Database, M. von Schönermark, B. Geiger, and H.-P. Röser (Hg.), Wissenschaft & Technik Verlag, Berlin, im Druck.

7 9-11: AKTUELLE FORSCHUNG 9 Aktuelle Forschung: Biogeochemische Limitierung der Biosphäre 9.1 Kohlendioxid: Gibt es Kohlendioxid-Düngung? 9.2 Temperatur: Der Hauptfaktor im Norden 9.3 Wasser: Steigt die Wassernutzungseffizienz der Pflanzen? 9.4 Nährstoffe: Macht der Stickstoff den entscheidenen Unterschied? 9.5 Licht: der vernachlässigte und unsichere Faktor 9.6 Bewirtschaftung: ein Effekt erster Größenordnung Nemani, R.R., C.D. Keeling, H. Hashimoto, W.M. Jolly, S.C. Piper, C.J. Tucker, R.B. Myneni, and S.W. Running, Climate-driven increases in global terrestrial net primary production from 1982 to 1999, Science, 300, , Aktuelle Forschung: Wird die Biosphäre immer grüner? 10.1 Biomasse 10.2 Blattflächenindex 10.3 Zusammenhang mit der großskaligen Zirkulation (1) Myneni, R. B., C.D. Keeling, C.J. Tucker, G. Asrar, and R.R. Nemani, Increased plant growth in the northern high latitudes from Nature, 386, , 1997 (2) Lucht, W., I.C. Prentice, R.B. Myneni, S. Sitch, P. Friedlingstein, W. Cramer, P. Bousquet, W. Buermann, and B. Smith, Climatic control of the high-latitude vegetation greening trend and Pinatubo effect, Science, 296, , 2002.

8 11: AKTUELLE FORSCHUNG, 12-13: ERDSYSTEMANALYSE 11 Aktuelle Forschung: Raum-zeitliche Variabilität und menschliche Nutzung 11.1 Assimilation von Satellitendaten in ein Vegetationsmodell 11.2 Muster natürlicher raum-zeitlicher Variabilität 11.3 Die Signatur des Menschen auf der Biosphäre 11.4 Mensch oder Klima: Vergleich der Effekte am Beispiel der Tropen Reflexion: Was heißt es, zu beobachten: aus der Distanz, aus der Nähe? Ist unser wissenschaftliche Blick auf die "Natur" neutral? McGuire, A. D., et al. Carbon balance of the terrestrial biosphere in the twentieth century: Analysis of CO2, climate and land use effects with four process-based ecosystem models. Global Biogeochemical Cycles 15, , Mensch und Biosphäre: Biogeochemie und sozioökonomischer Metabolismus 12.1 Materie- und Energiemetabolismus in der Geschichte der Menschheit 12.2 Globale menschliche Aneignung von Primärproduktion 12.3 Verknüpfung von Biosphärenmodellen mit Ökonomiemodellen: eine Herausforderung Reflexion: Wie findet die Menschheit ihre Ziele? Wohin wollen wir? Rojstaczer, S., S.M. Sterling, and N.J. Moore, Human appropriation of photosynthesis products, Science, 294, , 2001.

9 13: ERDSYSTEMANALYSE 13 Die Zukunft der Welt: Emissionen und Emissionsszenarien 13.1 Emissionen: der Hauptgrund für anthropogenen Klimawandel 13.2 Was bedeutet es, mit Szenarien zu arbeiten? 13.2 Nachdenken über die Zukunft: Grundströmungen 13.3 Die Emissionsszenrien des IPCC Reflexion: Was bedeuten die Emissionsszenrien des IPCC? Welche Weltbilder liegen dahinter? Wird noch festgelegt.