Die globale Erwärmung stellt eine der größten Herausforderungen unserer Zeit dar und erfordert umfassende Maßnahmen zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen sowie zur Förderung natürlicher Klimaschutzoptionen. Eine dieser natürlichen Lösungen ist die großflächige Wiederaufforstung und Aufforstung von Wäldern. Obwohl das Pflanzen von Bäumen als effektive Methode zur Bindung von Kohlenstoff aus der Atmosphäre gilt, erforschen Wissenschaftler zunehmend die komplexen Wechselwirkungen zwischen Wälder, Atmosphäre und Klima, die diese Wirkung verstärken oder abschwächen können. Ein entscheidender, aber bisher wenig berücksichtigter Faktor ist die atmosphärische Chemie, welche die Klimawirkung von Baumpflanzungen maßgeblich beeinflusst. Baumpflanzungen erhöhen den Kohlenstoffgehalt der Vegetation und speichern damit CO2, was der Hauptmechanismus zur Abschwächung des Klimawandels ist.
Allerdings verändern Wälder auch andere klimatisch relevante Eigenschaften der Erdoberfläche wie Albedo, Wasserhaushalt und Austausch von Wärme- und Feuchtigkeitsspurenstoffen mit der Atmosphäre. Diese biogeophysikalischen Effekte können je nach Region und Baumart zu einer lokalen oder sogar globalen Erwärmung führen, etwa durch Verringerung der Bodenreflexion (Albedo) vor allem in schneebedeckten Gebieten, wo dunkle Baumkronen mehr Sonnenenergie absorbieren. Gleichzeitig fördern Wälder die Verdunstung und Luftbefeuchtung durch Transpiration, was Kühlungseffekte erzeugen kann. Diese komplexen, oft widerstreitenden Prozesse bedingen eine gemischte Klimareaktion auf Aufforstungen. Die neuere Forschung mit dem Community Earth System Model (CESM2) kombiniert Modellierungen der Biogeochemie, Biogeophysik und – als innovativen Schritt – der atmosphärischen Chemie, um genauere Projektionen zu ermöglichen.
Insbesondere wird zwischen zwei Simulationsarten unterschieden: einmal mit interaktiver atmosphärischer Chemie (CHEM) und einmal ohne diese (NOCHEM). Diese Unterscheidung ist entscheidend, denn die atmosphärische Chemie umfasst Prozesse, die kurzlebige klimaaktive Stoffe beeinflussen, darunter biogen freigesetzte flüchtige organische Verbindungen (BVOCs), Aerosole und Spurengase wie Methan und Ozon. Bäume emittieren eine Vielzahl biologischer flüchtiger organischer Verbindungen, beispielsweise Isopren und Monoterpene, die durch komplexe chemische Reaktionen in der Atmosphäre zu sekundären organischen Aerosolen (SOA) führen. Diese Aerosole konnten bislang in vielen Klimamodellen nur unvollständig dargestellt werden, obwohl sie durch Streuung und Absorption von Sonnenlicht sowie durch Wechselwirkungen mit Wolkenbildung erheblichen Einfluss auf die Strahlungsbilanz haben. SOA-Partikel erhöhen die Wolkenkeimbildung (CCN) und damit die optische Dicke und Lebensdauer von Wolken, was die Sonneneinstrahlung weiter reduziert und somit kühlend wirkt.
Die Modellstudien zeigen, dass unter Einsatz interaktiver atmosphärischer Chemie die bei der Baumpflanzung auftretende Erwärmung durch die biogeophysikalischen Effekte deutlich gedämpft wird. Während in Modellen ohne atmosphärische Chemie teils eine globale mittlere Temperaturerhöhung von 0,19 Grad Kelvin festgestellt wird, fällt dieser Wert mit Berücksichtigung der Chemie auf nur noch 0,07 Grad Kelvin. Besonders im Südhalbkugel-Tropenraum dominieren kühlende Effekte durch erhöhte BVOC-Emissionen, erhöhte SOA-Bildung und verstärkte Wolkenbildung, wodurch die dortige Erwärmung sogar in eine leichte Abkühlung umschlägt. Auch die atmosphärische Oxidationskapazität verändert sich unter Aufforstung. Die stärkere BVOC-Emission verringert die Verfügbarkeit von Hydroxylradikalen (OH), die für die Zersetzung von Methan verantwortlich sind.
Dies verlängert die Methanlebensdauer und kann dessen Konzentration erhöhen, was einen wärmenden Effekt erzeugt. Modelle mit fester Methankonzentration müssen diesen Effekt deshalb post hoc abschätzen. Die durch erhöhte Methankonzentrationen induzierte globale Temperaturerhöhung wird auf etwa 0,04 Grad geschätzt und wirkt damit der kühlenden Wirkung der SOA und Wolken entgegen, vermindert aber deren Gesamteffekt nicht grundlegend. Die komplexe Oberflächenenergie-Bilanz bietet weitere Erklärungen: Die Abnahme der Oberflächenalbedo nach Baumpflanzungen bewirkt eine verstärkte Absorption kurzwelliger Strahlung und somit Erwärmung, besonders in den gemäßigten Zonen und borealen Wäldern aufgrund von Schneeüberlagerung. Im Gegensatz dazu führt die erhöhte Verdunstung (latente Wärmeflüsse) zu einer regionalen Abkühlung, die hauptsächlich in den Tropen und in der südlichen Hemisphäre wirksam ist.
Die Interaktion mit Aerosolen bedingt eine weitere Reduktion der eingestrahlten Sonnenenergie, sowohl unter klaren als auch bewölkten Himmelbedingungen, wobei aerosolinduzierte Wolkenveränderungen (Wolkenalbedo-Effekt) besonders effektiv kühlen. Die aerosolchemischen Reaktionen führen zudem zu signifikanten Veränderungen bei Feinstaub- und Wolkenkonzentrationen. Dabei zeigen komplexe Zusammenhänge zwischen erhöhten SOA-Burdens, reduziertem Staub und Sulfat-Aerosolen sowie verstärkter Wolkenkeimbildung die Bedeutung der direkten und indirekten Aerosoleffekte. Diese Einflussfaktoren erklären, warum mit einem detaillierten Einbezug der atmosphärischen Chemie Aufforstungsmaßnahmen eine stärkere kühlende Wirkung auf das Klimasystem entfalten als bisher angenommen. Neben den klimatischen Aspekten ergeben sich auch Auswirkungen auf die Luftqualität.
So steigt in einigen stärker bewaldeten Gebieten Nordamerikas und Europas die bodennahe Ozongesamtkonzentration, was zu schlechterer Luftqualität führen kann. Gleichzeitig erhöht sich teilweise die Belastung mit Feinstaub (PM2,5), speziell auch in tropischen Regionen wie Südamerika, wofür die emissionsbedingte SOA-Bildung verantwortlich gemacht wird. Diese Entwicklung erfordert eine sorgfältige regionale Bewertung und unterstreicht die Vielschichtigkeit landbasierter Klimaschutzstrategien. Interessanterweise zeigen die Modellierungen auch Veränderungen bei der Brandaktivität: Während in tropischen Regionen die Brandemissionen deutlich zurückgehen, nimmt die Feuerhäufigkeit in den gemäßigten Zonen teils zu. Das liegt an veränderten Feuchtigkeitsverhältnissen und Vegetationsarten – tropische Baumpflanzungen ersetzen weniger brennbare Gräser und reduzieren somit Brandgefahren.
In den gemäßigten Regionen dagegen ersetzen Bäume häufig offene Flächen oder Ackerland, was zusammen mit klimatischen Bedingungen die Brandwahrscheinlichkeit erhöhen kann. In Bezug auf die Kohlenstoffspeicherung an Land verdeutlichen die Ergebnisse, dass insbesondere die tropischen Aufforstungen in der südlichen Hemisphäre effizienter Kohlenstoff binden als die nördlichen gemäßigten Zonen. Das gilt auch für die Speicherung im Boden, welche in der südlichen Hemisphäre deutlicher zunimmt. Neben der Vegetation trägt auch eine verstärkte Stickstoffdeposition durch die Atmosphäre zur verbesserten Produktivität und Kohlenstoffbindung bei, wobei dieser Effekt in der nördlichen Hemisphäre aufgrund höherer Stickstoffemissionen stärker ausgeprägt ist. Klimamodelle müssen die Rückkopplungen zwischen Atmosphäre, Vegetation und chemischen Prozessen immer besser integrieren, um genaue Prognosen zu ermöglichen.
Die Studie zeigt, dass atmosphärische Chemie und die Einbeziehung kurzlebiger Klimawirkstoffe wie BVOCs und Aerosole einen bislang unterschätzten Hebel darstellen, um die Effizienz natürlicher Klimaschutzmaßnahmen wie Aufforstung realistisch zu bewerten. Für politische Entscheidungen bedeutet dies, dass Baumpflanzungen im Rahmen von Klimaschutzprogrammen nicht nur unter den Gesichtspunkten der Kohlenstoffbindung betrachtet werden sollten. Vielmehr sind regionale Standortwahl, Auswahl geeigneter Baumarten sowie Berücksichtigung der Auswirkungen auf lokale Luftqualität und Brandrisiken essentielle Faktoren. Die stärkere Kühlungseffekte in den tropischen Regionen der südlichen Hemisphäre legen nahe, dass hier der Klimaschutz durch Aufforstung besonders vielversprechend ist. Zukünftige Forschung sollte weiterhin mit verschiedenen Klimamodellen vergleichende Simulationen durchführen und realistischere, schrittweise angelegte Aufforstungsszenarien einbinden.
