Klimaveränderungen und ihre Auswirkungen sind ein viel diskutiertes Thema sowohl bei Fachleuten als auch bei Laien. Der Geologe Dr. Dirk Sachse hat sich einem speziellen Aspekt zugewandt. Der Leiter der Emmy Noether-Nachwuchsgruppe Paläohydrologie beschäftigt sich mit den Veränderungen des Wasserkreislaufs und dem damit verbundenen Einfluss auf den Klimawandel. Gemeinsam mit seinem Team analysiert er Überreste von Pflanzen aus Seeablagerungen. Diese sogenannten molekularen Fossilien verraten den Forschern einiges über die Klimageschichte der untersuchten Gebiete.
Wenn Dirk Sachse und seine Mitarbeiter auf Exkursion gehen, dann suchen sie nach den Spuren des Klimas in der Vergangenheit. Ihr Forschungsgebiet ist die Paläohydrologie. Diese beschäftigt sich mit Veränderungen im Wasserkreislauf während vergangener Klimaschwankungen. So ermöglichen Analysen von Sedimentbohrkernen aus Seen Aussagen über Veränderungen im Niederschlag einer Region. Und genau das interessiert die Forscher um Dirk Sachse. Dabei schauen sie sich die Veränderungen des Wasserkreislaufs – beispielsweise im Meerfelder Maar, einem Vulkansee in der Eifel – genauer an. „Es gibt wenige direkte Indikatoren für Veränderungen im Wasserkreislauf, die meisten sind eher indirekt“, sagt Dirk Sachse. So ändert sich etwa die Vegetation, wenn Niederschläge zu- oder abnehmen. Anhand von Pollenanalysen des Sediments können Wissenschaftler solche Änderungen im Pflanzenwuchs rekonstruieren. Allerdings können Jahrzehnte vergehen, bevor die Vegetation auf klimatische Veränderungen reagiert.
Um Veränderungen im Wasserkreislauf der Vergangenheit direkt sehen zu können, analysiert das Forscherteam die aus Bohrungen entnommenen Seesedimentproben mit neuen molekularen Methoden. Die Geologen extrahieren die in den Seesedimenten enthaltenen molekularen Pflanzenreste und ermitteln die Verteilung der Wasserstoffisotope. Daraus rekonstruieren sie die Isotopenveränderung des Niederschlagswassers und können so direkt auf Veränderungen der Niederschläge oder Trockenperioden schließen. Aber erst die systematische Zusammenarbeit mit Pflanzenphysiologen und Untersuchungen an Pflanzen im Gewächshaus lassen verlässliche Aussagen über das Klima vergangener Epochen zu. „Im Gewächshaus können wir die Rahmenbedingungen für das Wachstum der Pflanzen beeinflussen und messen, welche Wasserstoffisotope sich in den Pflanzen und ihren molekularen Bestandteilen anreichern“, erklärt Dirk Sachse das Vorgehen. Bei seinen Forschungen stellt der Geologe Bezüge zur Biologie her. Schließlich beschäftigt er sich mit dem Verhalten der Wasserstoffisotope während der Pflanzenbiosynthese. Dabei arbeitet er mit Pflanzenphysiologen der Uni Basel zusammen. In anderen Projekten bestehen auch Kooperationen mit dem Institut für Biochemie und Biologie der Uni Potsdam, so mit Prof. Dr. Ralph Tiedemann.
In einigen Seen, wie im Untersuchungsgebiet in der Eifel, bilden sich jährliche Sedimentschichten, die zumeist aus mineralischen Partikeln und totem organischem Material – etwa abgestorbenen Zooplanktonresten oder Algen – bestehen. Die einzelnen Schichten sind mit Jahresringen an Bäumen vergleichbar. Das gestattet den Wissenschaftlern, die Sedimente genau zu datieren. Jede einzelne Sedimentschicht enthält Überreste des Seeökosystems – etwa Muschelschalen – und auch Pollen. Diese Mikrofossilien nutzen die Forscher als „Archive“ der Klimageschichte. Die Arbeitsgruppe von Dirk Sachse interessieren vor allem organische Materialien, wie etwa Lipide. Diese verbleiben im Sediment über lange Zeiträume, zum Teil über Millionen von Jahren, und verändern sich dabei kaum. „Das ist ein großer Vorteil und auch der Grund dafür, warum wir uns mit diesen Substanzen, den sogenannten Biomarkern, beschäftigen“, so Sachse. Biomarker sind organische Substanzen, die in Sedimenten enthalten sind und Rückschlüsse auf deren biologischen Ursprung gestatten. Forscher können erkennen, ob sie von einer Landpflanze oder beispielsweise einer Alge produziert wurden. Diese Substanzen bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Der Wasserstoff kommt letztlich aus dem Wasser, das die Pflanzen und Algen aufgenommen haben. Die Isotopenverhältnisse von Wasserstoff im Wasser wiederum sagen viel aus über verschiedene Prozesse im Wasserkreislauf, sie sind also ein direkter Indikator für hydrologische Veränderungen. Zu– oder Abnahme von Trockenheit, Feuchtigkeit oder Niederschlägen können anhand von Schwankungen in den Wasserstoffisotopenverhältnissen der Biomarkermoleküle abgebildet werden. Die dabei von den Potsdamer Wissenschaftlern verwendete Analysemethode ist relativ neu.
Das daraus resultierende Wissen wenden Dirk Sachse und seine Mitarbeiter an, um hydrologische Veränderungen während vergangener Klimaschwankungen zu rekonstruieren. Dies ist relevant, um zu verstehen, wie sich Klimaveränderungen in der Zukunft auswirken. Klimamodelle sagen zwar voraus, wie sich die Temperaturen zukünftig aufgrund des menschengemachten Klimawandels verändern. Es gibt keinen Zweifel daran, dass global gesehen die Mitteltemperatur steigen wird, was zu einem höheren Anteil von Wasserdampf in der Atmosphäre führt. Das heißt jedoch nicht, dass es an jedem Ort wärmer wird. Die Modelle bleiben oft unsicher, wenn es um Niederschlagsveränderungen geht. Hier stellt sich die Frage, wie sich diese Veränderungen auf den Wasserkreislauf in bestimmten Regionen auswirken. Mithilfe eines besseren Verständnisses des Ablaufs vergangener Klimaveränderungen kann diese Frage beantwortet werden.
Dirk Sachse und seine Mitarbeiter sind nicht nur in Deutschland, sondern weltweit unterwegs. Ihre Forschungen führen sie nach Mexiko, Afrika oder in den Himalaya. „Die Tropen sind für uns deshalb wichtig, weil dort sehr viel Wasser in der Atmosphäre vorhanden ist und starke Änderungen im Wasserkreislauf zu erwarten sind“.
Dirk Sachse studierte Geologie in Jena. Auch wenn ihn Naturwissenschaften schon sehr früh interessierten, gehört er nicht zu jenen, die von Kindesbeinen an klare Berufsvorstellungen hatten. Der „Appetit“ kam bei ihm „beim Essen“. „Als ich mit dem Studium begann, wusste ich gar nicht, dass es das gibt, was ich jetzt mache“. Reisen durch Amerika, die USA oder Südamerika, der Besuch von Nationalparks oder das Phänomen der Vulkane faszinierten ihn so, dass er sich der Geologie zuwandte. Im Studium begeisterte ihn, wie stark klimatische Prozesse die Oberfläche der Erde formen und wie man aus Ablagerungen vergangener Zeiten auf das damalige Klima schließen kann. Er wollte Klimaveränderungen verstehen lernen. Während seiner Promotion forschte er am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena. „Es gab immer Menschen, die mir die Möglichkeit gaben, an ganz neuen Themen zu arbeiten“, sagt Dirk Sachse. Der in Halle Geborene wollte nach seiner Promotionszeit unbedingt ins Ausland gehen. Weitere wissenschaftliche Stationen führten ihn dann auch nach Boston und Seattle.
Seit 2009 leitet Dirk Sachse nun die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Emmy Noether-Gruppe am Institut für Erd- und Umweltwissenschaften. Die Geologen beschäftigen sich mit den klimatischen Veränderungen auf den Kontinenten in der jüngeren geologischen Geschichte, wobei das Holozän (etwa die letzten 11.000 Jahre) den Schwerpunkt bildet. Dirk Sachse entschied sich auch deshalb für Potsdam als seinen Arbeitsort, weil es hier „sehr viele terrestrisch arbeitende Gruppen und gute analytische Möglichkeiten gibt“. Denn für seine Untersuchungen braucht der Wissenschaftler relativ aufwendige Labore und Messgeräte. „Ich sehe in Deutschland nicht viele andere Orte, wo ich mit diesem Umfeld arbeiten kann“, sagt er.
Der Wissenschaftler
Dirk Sachse studierte Geologie in Jena und Granada/Spanien. Er promovierte 2005 an der Universität Jena. In Potsdam ist er der Leiter der Emmy Noether-Forschungsgruppe Paläohydrologie im Institut für Erd- und Umweltwissenschaften. Sein wissenschaftliches Interesse gilt den Wechselwirkungen der Geo-, Bio- und Hydrosphäre und deren Einfluss auf das Klima und umgekehrt.
Kontakt
Universität Potsdam
Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Karl-Liebknecht-Str. 24-25
14476 Potsdam
dsachseugeo.uni-potsdampde
Die hier vorgestellte Forschung ist verbunden mit der Forschungsinitiative NEXUS: Earth Surface Dynamics, die unterschiedlichste wissenschaftliche Aktivitäten der Region Berlin-Brandenburg aus dem Themenfeld Dynamik der Erdoberfläche bündelt. Die Universität Potsdam (UP), gemeinsam mit ihren Partnern des Helmholtz-Zentrums Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ), des Alfred-Wegener-Instituts für Polar und Meeresforschung (AWI) sowie mit Partnern des Potsdam Instituts für Klimafolgenforschung (PIK), des Naturkundemuseums Berlin (MfN) und der Technischen Universität Berlin (TUB) verbindet hierzu die herausragende Expertise in den Geo-, Bio, Klima- und Datenwissenschaften.
Text: Dr. Barbara Eckardt, Online gestellt: Agnes Bressa