Constraining greenhouse gas emissions from streams and rivers

Die globale Erwärmung wird hauptsächlich durch den Anstieg atmosphärischer Treibhausgase (THGs), insbesondere Kohlendioxid (CO2 ) und Methan (CH4 ) verursacht. Jedoch bestehen erhebliche Unsicherheiten bei der Schätzung von THG-Emissionen, insbesondere aus Süßwasserökosystemen, trotz ihrer entscheidenden Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Dieses unvollständige Verständnis der globalen Kohlenstoffflüsse ist teilweise auf unser mangelndes mechanistisches Verständnis der Prozesse zurückzuführen, die die Konzentrationen gelöster THG und aquatische Emissionen beeinflussen. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Emissionen aus Süßwasserökosystemen aufgrund anthropogener Störungen und der Auswirkungen der globalen Erwärmung in Zukunft zunehmen. Um die Reaktion dieser Systeme auf den Klimawandel und menschliche Aktivitäten vorherzusagen und um potenzielle Strategien zur Minderung dieser Emissionen zu identifizieren, ist es entscheidend, ein tieferes Verständnis der Mechanismen zu erlangen, die aquatische THG-Emissionen antreiben. Obwohl Bäche und Flüsse im Vergleich eine relativ kleine Oberfläche haben, tragen sie unverhältnismäßig stark zu den Emissionen aus Süßwasserökosystemen bei, da sie schätzungsweise 85% der CO2 - und 50% der CH4 -Emissionen dieser Ökosysteme ausmachen. Die Schätzung der Emissionen aus diesen dynamischen Systemen gestaltet sich jedoch besonders schwierig, da die genaue Bestimmung der Oberfläche der verzweigten Flussnetzwerke eine Herausforderung darstellt. Darüber hinaus weisen diese Systeme die höchsten und variabelsten Gasaustauschgeschwindigkeiten sowie THG-Konzentrationen auf, was zu räumlich heterogenen und zeitlich stark variablen Emissionen führt. Für eine präzise Hochskalierung sind sowohl Gaskonzentrationen als auch Gasaustauschgeschwindigkeiten erforderlich, doch die Schätzung von Parametern auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen birgt das Risiko ungenauer Emissionsabschätzungen, da diese Parameter miteinander interagieren und nicht unabhängig voneinander sind. Zudem wird die Datenerhebung durch das Fehlen geeigneter Messmethoden erschwert, da aktuelle Technologien aufgrund hoher Kosten der Analysegeräte und arbeitsintensiver Prozeduren keine umfassende räumliche und zeitliche Abdeckung ermöglichen. Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, das Wissensdefizit zu verringern, indem die THG-Emissionen aus Flussökosystemen genauer eingegrenzt werden. Dieses Ziel wird verfolgt, indem drei besondere Problemstellungen angegangen werden: die Bereitstellung einer kostengünstigen Sensoreinheit für die Messung gelöster THGs, die Untersuchung der Mechanismen und Prozesse hinter Emissionen aus einem abgelegenen Flussnetzwerk sowie die Analyse des Treibhauspotential von Gletscherbächen als exotische und wenig beachtete aquatische Ökosysteme. In Kapitel I helfe ich die technologische Lücke bei der Messung gelöster THGs zu schließen, indem ich eine kostengünstige und kompakte Sensoreinheit entwickle, die kontinuierliche Messungen von gelöstem CO2 und CH4 ermöglicht. Der Prototyp verwendet leicht verfügbare Hardware-Komponenten und Open- Source-Software. Dies ermöglicht den Einsatz mehrerer Replikate, womit sowohl die räumliche Heterogenität als auch zeitliche Variabilität gleichzeitig untersucht werden können. Zudem präsentiere ich eine einfache Methode zur Kalibrierung der Sensoren für den Einsatz unter Wasser und liefere neue Erkenntnisse über das Verhalten der Sensoren in diesem Umfeld. Dabei zeigt sich, dass Messungen in niedrigen Konzentrationsbereichen einen hohen Messfehler aufweisen, während Messungen bei höheren Konzentrationen zuverlässiger sind und dass relative Änderungen in der gelösten Gaskonzentrationen erkannt werden können. Der Prototyp eignet sich daher gut für erste Untersuchungen zur Identifizierung von Emissions- Hotspots und zur kontinuierlichen Überwachung der gelösten THG-Konzentration in Süßwasserökosystemen. Es zeigt sich, dass der Prototyp besonders für den Einsatz in Systemen mit stabiler Temperatur, wie beispielsweise in Seen oder Gletscherbächen, geeignet ist. Ich erwarte, dass dieser oder ähnliche Prototypen sowie die gewonnenen Erkenntnisse zukünftige Messungen von THG-Emissionen in Süßwasserökosystemen wesentlich unterstützen werden. In Kapitel II verbessere ich die Datenlage von Emissionsdaten aus abgelegenen Regionen, indem ich die CO2 - und CH4 -Emissionen entlang der zu diesem Zeitpunkt unberührten Neretva, ein Flusssystem in Bosnien-Herzegowina, untersuche. Dies ist besonders wichtig, da natürliche, ungestörte Flusssysteme immer seltener werden und deren Untersuchung unser Verständnis natürlicher Emissionsprozesse vertieft. Ich zeige auf, dass die Neretva in ihrem unberührten Zustand Emissionen mit geringem Treibhauspotential aufweist. Die Emissionen im natürlichen Zustand bestehen hauptsächlich aus CO2 , sowie aus CH4 - Emissionen aus einem einzigen sehr langsam fließenden Flussabschnitt. Darüber hinaus identifiziere ich unterschiedliche Mechanismen, die für die Emissionen der beiden Gase verantwortlich sind. Das Treibhauspotential der Emissionen könnte jedoch durch das Staubecken, das mitten in den untersuchten Flussabschnitt gebaut wurde, erheblich erhöht werden. Die Stauhaltung schafft nämlich ähnliche Rahmenbedingungen wie der beobachtete CH4 -Hotspot, wodurch vermehrt CH4 produziert und im Anschluss an die Atmosphäre ausgegast werden kann. Angesichts des viel höheren Treibhauspotentials von CH4 wird dringend empfohlen, den Ausbau der Wasserkraft entlang der Neretva und anderen unberührten Flüssen zu stoppen. In Kapitel III untersuche ich das Treibhauspotential von Gletscherbächen in den europäischen Alpen und ermittle deren Rolle als Quelle und Senke von CO2 und CH4 . Die beobachteten CH4 -Konzentrationen in diesen alpinen Gletscherbächen sind niedriger als im Schmelzwasser von den wesentlich größeren arktischen Gletschern und vergleichbar mit anderen alpinen Hochgebirgsbächen ohne Vergletscherung im Einzugsgebiet. Angesichts der turbulenten Gletscherbäche mit hohem Gasaustauschpotential, erwartete ich, dass der Großteil des aus den Gletschern exportierten CH4 in die Atmosphäre freigesetzt wird. Andererseits können Gletscherbäche in den Alpen sowohl als Quellen als auch als Senken für CO2 fungieren indem in manchen CO2 in Verwitterungsprozessen verbraucht wird. Insgesamt jedoch scheint es, dass Gletschergespeiste Bäche in den Europäischen Alpen, ein ähnliches Treibhauspotential haben wie andere Hochgebirgsbäche. Meine Daten weisen aber auf eine potentielle Wechselwirkung zwischen CO2 und CH4 und unterstreichen die komplexen Prozesse der THG-Freisetzung im Zusammenhang mit Gletscherschmelze. Diese Systeme können somit wertvolle Einblicke in das Verständnis und die Vorhersage des Verhaltens der weltweit schrumpfenden Kryosphäre bieten. Abschließend lässt sich feststellen, dass THG-Emissionen in Süßwasserökosystemen von einer Vielzahl hydrologischer, geologischer und biogeochemischer Prozesse beeinflusst werden. Die Bedeutung einzelner Prozesse unterscheidet sich für CO2 und CH4 über Zeit und Raum hinweg, was zu Unsicherheiten bei der Hochrechnung auf global relevante THG-Emissionen führt. In dieser Arbeit präsentiere ich eine kostengünstige und kompakte Sensoreinheit zur Messung gelöster THGs, mit welchem Konzentrations- Hotspots für CO2 und CH4 in Süßwasserökosystemen entdeckt werden können. Ich nutze erfolgreich einen Ansatz der Versorgung und Ausgasung kombiniert, um die treibenden Kräfte hinter den Emissionen von CO2 und CH4 aus der ehemals frei fließenden Neretva mechanistisch zu verstehen. Zudem untersuche ich die Rolle von Gletscher gespeisten Bächen in den Alpen als sowohl Senken als auch Quellen für CO2 und CH4 . Zusammen tragen meine Beiträge dazu bei, Defizite im Zusammenhang mit THG-Emissionen aus Süßwasserökosystemen zu beheben, insbesondere im Hinblick auf die begrenzte Verfügbarkeit von Emissionsdaten, in situ Mess-technologien und das begrenzte mechanistische Verständnis der Prozesse, die Emissionen in Bächen antreiben. Diese Beiträge sind entscheidende Schritte hin zu einer genaueren Schätzung der THG-Emissionen aus Süßwasserökosystemen, der Identifizierung von Quellen und Senken und letztlich der Verbesserung unseres Verständnisses des globalen Kohlenstoffkreislaufs. Und obwohl Bäche und Flüsse im Verhältnis zu ihrer Oberfläche unverhältnismäßig stark zu THG- Emissionen beitragen, ist es wichtig zu betonen, dass das Erwärmungspotenzial dieser Emissionen erheblich zunimmt, wenn diese Ökosysteme für menschliche Zwecke verändert werden. Angesichts des gesteigerten Erwärmungspotenzials von CH4 ist es entscheidend, die versprochenen Klimavorteile von Projekten zu erneuerbaren Energien, wie der Wasserkraft, genau zu bewerten. Aktuelle Bewertungen berücksichtigen oft nicht das gesamte Spektrum der Emissionen aus dem veränderten Ökosystem. Während die Regeln für detaillierte Bewertungen in die Zuständigkeit von Behörden fallen, sehe ich die wissenschaftliche Gemeinschaft in der Verantwortung, diese Prozesse gründlich zu untersuchen und die Ergebnisse nicht nur in nerhalb der Fachwelt, sondern auch gegenüber verschiedenen Interessengruppen sowie der breiten Öffentlichkeit zu kommunizieren. Letztendlich will ich die Bedeutung der Erhaltung von unberührten, hydrologisch unveränderten Flüssen betonen. Nicht nur wegen ihres geringen Erwärmungspotenzials, sondern auch aufgrund ihrer entscheidenden Rolle für den Erhalt der Biodiversität und der mit ökologischen Prozessen verbundenen Ökosystemdienstleistungen intakter Lebensräume. Aus wissenschaftlicher Sicht lehne ich neue Eingriffe in unberührte Flussökosysteme entschieden ab und plädiere für eine kritische Neubewertung bestehender Projekte, wobei Renaturierungsmaßnahmen als nachhaltigere und verantwortungsvollere Alternative verstärkt in den Fokus rücken sollten.

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