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Jahrbuch 2006/2007 | Kleidon, Axel | Quantifizierung optimaler Funktion der Landbiosphäre und deren
Ausw irkung auf das Erdsystem
Quantifizierung optimaler Funktion der Landbiosphäre und deren
Auswirkung auf das Erdsystem
Quantification of optimal biospheric functioning and its impact on
the Earth system
Kleidon, Axel
Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Die Landbiosphäre ist ein integraler Bestandteil des Erdsystems. Gibt es allgemeine Prinzipien, mit denen die
Funktion der Biosphäre und deren Wechselw irkung mit dem Erdsystem beschrieben und vorhergesagt w erden
kann? Mit dieser Fragestellung beschäftigt sich die Arbeitsgruppe Biosphärentheorie und Modellierung am MaxPlanck-Institut für Biogeochemie unter Nutzung von Ansätzen aus Thermodynamik, statistischer Mechanik und
Optimalität. Nach einer kurzen Beschreibung der Biosphäre als einem dissipativen System w erden drei
Beispiele aufgezeigt, die die Stärke dieser Ansätze demonstrieren.
Summary
The terrestrial biosphere is an integral component of the Earth system. Are there general principles w hich
might explain and predict the functioning of the biosphere and its interaction w ith the Earth system? This
question is central to the w ork of the biospheric theory and modeling group at the Max-Planck-Institute for
Biogeochemistry, and is addressed by using concepts from thermodynamics, statistical mechanics and
optimality. After a brief description of the biosphere as a dissipative system, three examples are given to
demonstrate the strength of these approaches.
Die Rolle der Landbiosphäre im Erdsystem
Die Biosphäre spielt eine w ichtige Rolle für den Austausch von Energie, Impuls und Masse zw ischen der
Landoberfläche und der Atmosphäre. Atmosphärische Bedingungen beeinflussen die Produktivität der
Biosphäre
durch
die
Verfügbarkeit
von
Licht,
Wasser
und
Temperatur.
Die
Ausformung
dieser
Rahmenbedingungen ist jedoch stark von den Eigenschaften der Vegetation abhängig. So moduliert die
Vegetation die Menge an Solarstrahlung, die an der Landoberfläche absorbiert w ird, und die Aufteilung dieser
Energie in den fühlbaren W ärmefluss und die Verdunstung. Dies w iederum hat Ausw irkungen auf die
atmosphärische Grenzschicht, auf Konvektion, Wolkenbildung und auf großskalige Zirkulationsstrukturen. Die
klimatischen Unterschiede zw ischen einer natürlich bew achsenen und einer kahlen Landoberfläche lassen sich
leicht vor Augen führen, w enn man an die unterschiedlichen mikroklimatischen Bedingungen eines Waldes im
© 2007 Max-Planck-Gesellschaft
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Vergleich zu einem asphaltierten Parkplatz im Sommer denkt.
Thermodynamik und Optimalität der Landbiosphäre
Der grundlegende theoretische Ansatz zur Quantifizierung der optimalen Funktion der Landbiosphäre und
deren Ausw irkung auf das Erdsystem beruht auf Prinzipien der Thermodynamik fern vom Gleichgew icht. Eine
allgemeine Eigenschaft von Erdsystemprozessen ist, dass sie dissipativ sind und Energie in eine w eniger
verfügbare
Energieform
umw andeln. Dieser
Trend
w ird
durch
den
physikalischen
Begriff
der
Entropieproduktion beschrieben. Auch die Aktivität der Biosphäre produziert Entropie: Die Photosynthese
produziert chemische Energie unter Verw endung von Sonnenlicht, Strahlungsenergie niedriger Entropie, und
stellt damit die Energie für die Aktivität der Biosphäre bereit. Bei der Respiration w ird diese Energie in W ärme
umgew andelt, also in einen Zustand höherer Entropie überführt. Dadurch lässt sich die Gesamtaktivität der
Biosphäre als ein dissipativer Prozess unter vielen im Erdsystem verstehen [1, 2].
Ebenfalls eine allgemeine Eigenschaft von Erdsystemprozessen ist, dass die Randbedingungen nicht fest
vorgegeben sind. Das Klima über Land w ird nicht ausschließlich durch atmosphärische Bedingungen bestimmt,
denn diese w erden durch die Funktion der Landoberfläche stark geformt. Daher diktiert die Atmosphäre nicht
die Funktion der Landbiosphäre, sondern agiert lediglich als Randbedingung, unter w elcher es ein w eites
Spektrum von Möglichkeiten der Klimabeeinflussung durch die Landbiosphäre gibt.
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Dre i Be ispie le wie die Vie lfa lt von P fla nze nform e n und funk tione n zu unte rschie dliche n Funk tionswe ise n de r
La ndobe rflä che führt. De r unte re Gra ph ze igt die
Auswirk unge n a uf globa le La ndm itte lwe rte de s
Ja hre snie de rschla gs und de r bode nna he n Luftte m pe ra tur,
be stim m t a us e twa 100 Klim a m ode llsim ula tione n m it
unte rschie dliche r Ve ge ta tionsform und -funk tion [3]. Die
Fa rbsk a la ze igt die sim ulie rte P roduk tivitä t de r
Ve ge ta tionsde ck e de s je we ilige n Klim a zusta nds und
de m onstrie rt die Ex iste nz e ine s optim a le n Be re ichs, in de m
Ve ge ta tionsproduk tivitä t m a x im ie rt ist.
© Modifizie rt na ch Kle idon [3]
Abbildung 1 demonstriert anhand von drei Aspekten, w ie die Vielfalt in Pflanzenform und Funktion das
Landklima
prägt
und
zu
dieser
Bandbreite
an
möglichen
Klimazuständen
führt. Mithilfe
von
Sensitivitätsexperimenten eines gekoppelten Vegetations-Atmosphäremodells, in dem Vegetationsform und funktion über einen großen Bereich variiert w ird, kann diese Bandbreite bestimmt w erden [3]. Das
resultierende Spektrum ist in Abbildung 1 anhand der global gemittelten Landoberflächentemperatur und des
Jahresniederschlags dargestellt. Es w ird ersichtlich, dass innerhalb des physikalisch und biologisch möglichen
Bereichs die klimatischen Bedingungen für Vegetationsproduktivität stark schw anken können. Innerhalb
dieses Bereichs gibt es optimale Bedingungen, für die die Produktivität maximal ist. Diese optimalen
Bedingungen liegen nahe dem Klimazustand der Standardversion des Modells, w elches zur Simulation heutiger
Bedingungen benutzt w ird. Daraus kann man schlussfolgern, dass das gegenw ärtige Klima nahezu optimal für
die Produktivität der Landbiosphäre ist für heutige Randbedingungen.
Das Besondere an dieser Optimalitätsbetrachtung ist, dass die Maximierung der Produktivität auch einer
Maximierung der Dissipation chemischer Energie entspricht. Damit ist dieser Ansatz konsistent mit einem
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allgemeinen Prinzip der Nichtgleichgew ichtsthermodynamik, w elches besagt, dass hinreichend komplexe,
dissipative Systeme einen stationären Zustand annehmen, der maximal Entropie produziert [1]. Dieses Prinzip
der Maximalen Entropieproduktion (MEP) hat potenziell w eitreichende Anw endungen, z.B. für das Verständnis
von empirischen Zusammenhängen, die in Klimamodellen verw endet w erden [4, 5]. Für die Landbiosphäre
bedeutet dies, dass das beobachtete Verhalten gut mit einem allgemeinen Optimierungsansatz beschrieben
w erden kann, der sich auf ein fundamentales thermodynamisches Prinzip zurückführen lässt.
Im Folgenden w erden drei Beispiele aufgezeigt, die die Konsequenzen dieser Perspektive für die Rolle der
Biosphäre im Erdsystem illustrieren. Es geht dabei um die Bestimmung der biologisch möglichen Klimazustände
und deren Evaluierung im Hinblick auf ihr dissipatives Verhalten und Optimalität.
Se nsitivitä t e ine s ge k oppe lte n Ve ge ta tionAtm osphä re nm ode lls zur m a x im a le n stom a tä re n Le itfä higk e it
de r Ve ge ta tion, zusa m m e nge fa sst in globa le n
La ndm itte lwe rte n. Da s Ma x im um de r P roduk tivitä t (rote Kurve ,
link s) stim m t übe re in m it de m W e rt de r m a x im a le n
stom a tä re n Le itfä higk e it, be i de m die Übe re instim m ung m it
de m e m pirische n Ba ll-Be rry-Ge se tz a m be ste n ist (bla ue
Kurve , link s). Die Se nsitivitä te n von Be wölk ung (rote Kurve ,
re chts) und bode nna he r Luftte m pe ra tur (bla ue Kurve , re chts)
ze ige n, wie wichtig die a dä qua te Da rste llung von stom a tä re r
Le itfä higk e it im Klim a syste m ist.
© Na ch Kle idon [6] und Autor
Beispiel 1: Verständnis von empirischen Zusammenhängen
Das erste Beispiel illustriert, w ie man einen im Labor bestimmten ökophysiologischen Zusammenhang
zw ischen stomatärer Leitfähigkeit der Vegetation und Umw eltbedingungen (das so genannte – „Ball-BerryGesetz”) durch Optimalität verstehen kann. Eine Reihe von Sensitivitätssimulationen w urde mit einem
gekoppelten
Vegetations-Atmosphärenmodell durchgeführt, w obei der Wert der maximalen stomatären
Leitfähigkeit verändert w urde [6]. Diese Simulationen w urden analysiert in Bezug auf Optimalität und
Übereinstimmung mit dem Ball-Berry-Gesetz (quantifiziert durch den linearen Korrelationskoeffizienten). Die
Ergebnisse in Abbildung 2 zeigen, dass die beste Übereinstimmung in der Simulation gefunden w ird, in der die
Vegetationsproduktivität
maximal ist. Somit kann das Ball-Berry-Gesetz als Folge optimalen Verhaltens
betrachtet w erden.
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Se nsitivitä t de r optim a le n stom a tä re n Le itfä higk e it zu de r
a tm osphä rische n Konze ntra tion von Kohle ndiox id (C O 2). De r
W e rt für da s O ptim um in stom a tä re r Le itfä higk e it ve rschie bt
sich m it a nste ige nde m C O 2 (200 ppm (bla u), 280 ppm , 360
ppm (schwa rz), 540 ppm , 720 ppm (rot), und 1000 ppm ) zu
zune hm e nd k le ine re n W e rte n (link s). De r re chte Gra ph ze igt
die Auswirk unge n von ve rschie de ne m Ve ge ta tionsve rha lte n
a uf die Klim a se nsitivitä t von La ndve rdunstung zu C O 2. Die
dre i Kurve n ze ige n (rot) die Sta nda rdve rsion de s Mode lls,
(bla u) die a n de n he utige n Klim a zusta nd optim a l a nge pa sste
stom a tä re Le itfä higk e it und (schwa rz) die a n de n je we ils
vorge schrie be ne n C O 2-W e rt optim a l a nge pa sste stom a tä re
Le itfä higk e it.
© Ma x -P la nck -Institut für Bioge oche m ie / Kle idon
Beispiel 2: Klimasensitivität einer anpassungsfähigen Biosphäre
In gegenw ärtigen Modellen der Landbiosphäre
w ird die
Anpassung von Pflanzenfunktionen an die
Umw eltbedingungen nur ungenügend berücksichtigt. Der Ansatz der Optimalität bietet eine Möglichkeit, die
potenziellen Ausw irkungen von Anpassung auf Klimasensitivität abzuschätzen: Wenn Umw eltbedingungen
sich ändern, verändern sich die Randbedingungen unter denen optimiert w ird, und folglich das optimale
Ve rhalte n. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel, w ie sich die optimale stomatäre Leitfähigkeit für verschiedene
Konzentrationen von atmosphärischen Kohlendioxid (CO 2 )
verschiebt. Die resultierende Sensitivität der
Leitfähigkeit ist konsistent mit Rekonstruktionen aus Paläodaten. Die Ausw irkungen auf die simulierte
Klimasensitivität w ird in Abbildung 3 anhand der Landverdunstung gezeigt. Dieses Beispiel demonstriert, dass
die Vernachlässigung von Optimalität und Anpassung zur systematischen Unterschätzung der Produktivität
und veränderter Klimasensitivität führen kann.
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Se nsitivitä t von Klim a größe n übe r La nd (Te m pe ra tur (TEMP ,
rot); Ve rdunstung (ET, bla u); und Nie de rschla g (P R EC , bla u
ge punk te t)) und P roduk tivitä t (NP P , bla u; und m e nschliche
Ve re inna hm ung (e nglisch „hum a n a ppropria tion“, HANP P , rot
ge punk te t)) zur Stä rk e m e nschliche r La ndnutzung. Die Stä rk e
de r La ndnutzung ist hie r a usge drück t in e ine m P roze ntsa tz,
de r be schre ibt, wie vie l von de r Ve ge ta tionsproduk tivitä t vom
Me nsche n ve re inna hm t wird. Ein W e rt von f HANPP = 0 e ntspricht
de m na türliche n R e fe re nzk lim a zusta nd ohne m e nschliche n
Eingriff, wä hre nd da s a nde re Ex tre m von f HANPP = 100% e ine
k om ple tte Ve re inna hm ung de r Ve ge ta tionsproduk tivitä t
be de ute t. Trotz sta rk unte rschie dliche n Klim a s und
Konse que nze n für NP P ist die m ittle re La ndte m pe ra tur nicht
se nsitiv.
© Modifizie rt na ch Kle idon [7]
Beispiel 3: Klimasensitivität von Landnutzungsänderungen
Die durch den Menschen verursachten Landnutzungsänderungen, w ie z. B. die Umw andlung natürlichen
Waldes in landw irtschaftliche Nutzflächen, ändern die physikalische Funktion der Landoberfläche, mit
entsprechenden Ausw irkungen auf das Klimasystem. Aber die bodennahe Lufttemperatur ist dafür kein gutes
Maß, da sie nicht direkt mit dissipativem Verhalten in Beziehung steht. Um dies zu zeigen, w urden
Sensitivitätssimulationen zu verschiedenen Intensitäten von Landnutzung durchgeführt [7] und anschließend
im Hinblick auf die Ausw irkungen auf bodennahe Lufttemperatur und Vegetationsproduktivität analysiert (Abb.
4) . Diese Sensitivitäten zeigen eindrucksvoll, dass die Landmitteltemperatur nicht sensitiv ist, w ährend das
Klima über Land sich drastisch unterscheidet und nur geringere Produktivität erlaubt.
Ausblick
W ährend diese ersten Ergebnisse bereits den Wert des thermodynamischen Ansatzes bestätigen, gibt es
noch ein w eites Feld an offenen Fragen. Gegenw ärtige Projekte in der Arbeitsgruppe beschäftigen sich unter
anderem damit, (i) biogeochemische Wechselw irkungen besser zu berücksichtigen; (ii) Individuen-basierte
Modelle w eiter zu entw ickeln, um das Entstehen von Optimalität aus der Populationsdynamik besser zu
verstehen; (iii) Methoden zu entw ickeln, um Optimalität standardmäßig in einem Erdsystemmodell zu
implementieren; (iv) diesen Ansatz in Szenarienläufe für die nächsten 100 Jahre einzuarbeiten; und (v)
w eitere Beispiele von Optimalität in Vegetation zu demonstrieren.
Danksagung. Diese Arbeiten w urden durch die National Science Foundation der USA gefördert.
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