Pilzsporen beschleunigen die Arktiserwärmung

Je wärmer die Arktis wird, desto mehr Pilze wachsen auf dem auftauenden Boden. Mehr Pilze bedeuten mehr Sporen in der Atmosphäre. Diese Sporen gelten als besonders wirkungsvolle Eiskeime und beeinflussen, wie sich Wolken in der subarktischen Region verhalten. Eine neue Studie der Technischen Universität Wien, durchgeführt an einer Messstation 170 Kilometer nördlich des Polarkreises, zeigt nun: Der Effekt ist deutlich größer als bisher in Klimamodellen erfasst und lokal erzeugt, nicht aus fernen Regionen importiert.

Was Eiskeime in der Arktis antreiben

Damit Wasserdampf in einer Wolke zu Eis gefriert, braucht er in der Regel einen Anker: einen sogenannten eisnukleierenden Partikel, kurz INP. Mineralstaub aus der Sahara oder Asien ist der klassische Kandidat, er taucht in Klimamodellen als dominante Quelle auf. Das Problem: Mineralstaub wird als Eiskeim erst bei Temperaturen unter minus 15 bis minus 20 Grad Celsius zuverlässig aktiv. In der subarktischen Mischphasenatmosphäre, wo Temperaturen oft nur knapp unter null liegen, leistet er wenig.

Pilzsporen dagegen aktivieren Eisbildung bereits bei minus 10 bis minus 15 Grad Celsius, in manchen Fällen sogar bei nur wenigen Grad unter dem Gefrierpunkt. Laut der im Fachjournal Atmospheric Chemistry and Physics veröffentlichten Studie unter Leitung von Prof. Hinrich Grothe an der TU Wien waren lokal emittierte Pilzsporen bei einem Großteil der gemessenen Phasen mit erhöhter INP-Konzentration für die Eiskeimwirkung verantwortlich. Das Team um Atmosphärenforscher Jürgen Gratzl hatte ein Jahr lang Messungen an der Pallas Atmosphere-Ecosystem Supersite im finnischen Lappland durchgeführt, kombiniert mit DNA-Sequenzierung der Luftpartikel und direkten Sporenauswertungen.

Lokal, nicht importiert: Die entscheidende Erkenntnis

Was die Studie von bisherigen Annahmen unterscheidet, ist die Herkunft der Partikel. Klimamodelle gehen für biologische Eiskeime in der Arktis häufig von Ferntransport aus: Pollen, Pilzsporen oder Bakterien, die mit dem Wind Tausende Kilometer zurücklegen. Die Pallas-Messungen zeigen ein anderes Bild. Die Konzentrationen an eisnukleierenden Partikeln stiegen deutlich an, wenn die Messstation sich innerhalb der atmosphärischen Mischungsschicht befand, ein klares Signal für lokale biologische Quellen am Boden. Wenn der Wind aus umliegenden Wäldern und Mooren kam, stieg die Aktivität. Wenn er aus der freien Arktis blies, sank sie.

Das ist klimatisch relevant, weil es einen Rückkopplungskreis beschreibt, der sich mit steigenden Temperaturen selbst verstärkt. Die Arktis erwärmt sich nach Angaben des Weltklimarats rund zwei- bis fast viermal schneller als der globale Durchschnitt. Mehr Wärme bedeutet mehr auftauender Permafrost, mehr feuchte Böden, mehr Schmelzwasser und damit bessere Wachstumsbedingungen für Pilze. Mehr Pilze produzieren mehr Sporen. Mehr Sporen formen mehr und dichtere Eiswolken in niedrigen Höhen.

Wolken als Joker im Klimasystem

Ob Wolken in der Arktis netto wärmen oder kühlen, hängt von ihrer Zusammensetzung ab. Tiefe Wolken aus Wassereis reflektieren Sonnenlicht zurück ins All (kühlender Effekt), können aber gleichzeitig Wärmeabstrahlung von der Erdoberfläche blockieren (wärmender Effekt). In der Polarnacht überwiegt der letztere Mechanismus. Die Frage, welcher Effekt dominiert, hängt wesentlich von der Phase der Wolke ab: Besteht sie aus flüssigen Wassertröpfchen oder aus Eiskristallen? Und genau dort greifen die INPs ein.

Bisher können Klimamodelle die Strahlungseigenschaften tiefer arktischer Wolken nicht zuverlässig simulieren, weil biologische Eiskeime wie Pilzsporen in den meisten Modellen fehlen oder stark unterschätzt werden. Eine Studie in den Geophysical Research Letters hatte bereits 2022 gezeigt, dass die Unsicherheit bei der arktischen Eisnukleation eine der größten Erklärungen für die unterschiedlichen Erwärmungsprognosen verschiedener Klimamodelle ist. Die TU-Wien-Daten legen nun nahe, dass der fehlende Faktor zumindest in subarktischen Regionen in den Pilzen zu suchen ist.

Was die Messungen für Klimaprognosen bedeuten

Die Studie liefert keine Prognose darüber, ob der Pilzsporeneffekt die Arktiserwärmung insgesamt verstärkt oder abmildert. Das hängt davon ab, welcher Wolkeneffekt in welcher Jahreszeit dominiert. Was die Forschungsgruppe um Grothe und Gratzl zeigt, ist ein präzises Messinstrument: eDNA-Sequenzierung der Luftpartikel kombiniert mit direkter Fluoreszenzmessung erlaubt es, biologische von mineralischen Eiskeimen in Echtzeit zu trennen. Diese Methodik ist das eigentliche Werkzeug, das jetzt Eingang in breitere arktische Messprogramme finden könnte.

Der nächste Schritt liegt in der Modellierung. Wenn dieses Verfahren auf weitere arktische Messstationen ausgedehnt wird, könnten Klimamodelle räumlich aufgelöste Daten zu biologischen INPs erhalten. Der Weltklimarat hat in seinem sechsten Sachstandsbericht biologische Eiskeime als eine der größten offenen Unsicherheiten in arktischen Wolkenprozessen identifiziert. Die Frage, wie stark der Pilzsporeneffekt die Arktiserwärmung lenkt, bleibt offen. Aber die TU-Wien-Studie liefert das Messwerkzeug, das nötig ist, um sie zu beantworten.