Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserkreislauf

Heidelberg/Bonn. Für diese junge Forscherin ist Wasser auch wissenschaftlich ein Lebenselixier: Dr. Clarissa Glaser, Hydrologin an der Universität Bonn, hat sich dem H₂O auf ganz besondere Art auf die Spur gesetzt. In einem von der Klaus Tschira Stiftung geförderten Projekt möchte sie modellieren, wie das Wasser in Flüssen und Bächen weltweit mit dem Wasser in der umgebenden Landschaft - beispielsweise in Uferzonen, dem Bachsediment oder Flussauen - ausgetauscht wird.
Ziel ist es zu prognostizieren, welche spezifischen Landschaftsmerkmale in Bächen einen besonders starken Austauschprozess begünstigen. Das gerade gestartete und auf drei Jahre angelegte Projekt „Vorhersage von Transportprozessen in Bächen“ könnte dazu beitragen, abzuschätzen, wie sich der Austausch durch die Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserkreislauf verändert.
Auch wenn das mitunter so scheint, Fließgewässer sind keine oben offenen und sonst geschlossenen Röhren in der Landschaft, sondern in ständigem Austausch mit ihrer umgebenden Landschaft. Das Nass geht in den Untergrund, breitet sich zur Seite aus und kann weiter flussabwärts wieder zurück in das Fließgewässer fließen. Diese vielfältigen Austauschprozesse mit der umgebenden Landschaft sind wichtig für die Wasserqualität.

Was ist der Hintergrund des Projekts?

!Wir merken es alle, der Klimawandel verschärft sich und das hat wiederum direkten Einfluss auf den Wasserkreislauf der Erde. Ob Starkregen mit dramatischen Überflutungen, wie bei der Katastrophe im Ahrtal 2021, oder Trockenperioden und Dürren. Die Auswirkungen dieser Extremereignisse für die Lebewesen und die Wasserqualität von Flüssen und Bächen sind bislang schwer abschätzbar."
„Um sie besser prognostizieren und damit auch managen zu können, und um das Ökosystem langfristig zu erhalten, ist eine präzise mathematische Beschreibung der Transport- und Austauschprozesse im System Bach erforderlich“, weiß die Hydrologin Clarissa Glaser. Mit Hilfe von mathematischen Modellen möchte sie in ihrer Arbeit Parameter ableiten, die die Transport- und Austauschprozesse des Bachs auch bei Extremereignissen beschreiben.

Was soll über die Fließgewässer herausgefunden werden?

Ein natürlicher Bach ist entlang seines Verlaufs äußerst vielfältig. Da gibt es Steine, Totholz, kleine Inselchen, Vertiefungen, Biegungen und flache Abschnitte, Licht und Schatten sowie Bewuchs verschiedenster Art. All das beeinflusst die Transport- und Austauschprozesse, also die Fließgeschwindigkeit des Wassers, und den Wasserfluss in das Bachsediment. Beim Wasserfluss in das Bachsediment kann die Wasserqualität durch die Aktivität verschiedener Mikroorganismen im Sediment nachhaltig verbessert werden - insbesondere dann, wenn das Wasser weiter flussabwärts wieder in den Bach zurückfließt. So kann beispielsweise die Nitratbelastung des Gewässers reduziert werden.

Wie geht das?

„Wir verstehen aus physikalischer Sicht, wie diese Austauschprozesse funktionieren: Wasser strömt stets in Richtung abnehmenden hydraulischen Potentials, also von höherem zu niedrigerem Wasserstand. Diese Gradienten steuern die Austauschprozesse“, sagt die Forscherin, „aber um den Austausch anhand einfacher Landschaftsmerkmale und letztlich die Konsequenzen für die Wasserqualität vorherzusagen zu können, ist es notwendig, die Abhängigkeit dieser Austauschprozesse von den jeweiligen Merkmalen zu verstehen und sie mathematisch zu quantifizieren. Und genau das tun wir im Projekt.“

Dazu kommt: Die Forschung ist sich bis heute uneinig über die grundlegenden Zusammenhänge zwischen den Landschaftsmerkmalen und den Modellparametern, die die Austauschprozesse beschreiben. Damit sind die Austauschprozesse nicht prognostizierbar. „Da hat sich in den letzten Jahren kein konsistentes Bild in der Forschung abgezeichnet“, bedauert Glaser.
Das möchte sie mit dem Projekt ändern - und zwar mit der Untersuchung von Bächen weltweit. Und mehr noch: am Ende soll es möglich sein, auch für bislang nicht untersuchte Bäche, aufgrund der Landschaftsmerkmale, die man beispielsweise im Luftbild erkennt, stimmige Vorhersagen zu machen. „Das wäre die erste globale Studie überhaupt und ein riesiger Schritt nach vorn.“

Was macht die Förderung spannend?

Dr. Saskia Haupt, die das Projekt betreuende Programm-Managerin bei der Klaus Tschira Stiftung, freut sich schon jetzt auf die Ergebnisse. Was hat sie überzeugt? „Das ist ein super interdisziplinäres Projekt mit dem Fokus auf mathematischer Modellierung und einer breiten Anwendung in der Klimaforschung. Das gibt ein rundes Bild“, betont die promovierte Mathematikerin.

„Überdies“, so unterstreicht Saskia Haupt, „fördert das Projekt eine junge Nachwuchswissenschaftlerin zu einem frühen Zeitpunkt darin, selbst wieder einer Doktorandin die Chance zur Promotion zu eröffnen. Ein wichtiger Schritt in der Karriere an der Hochschule.“
Außerdem ist Clarissa Glaser Geförderte beim Klaus Tschira Boost Fund. In dem Programm werden unabhängige Fördergelder zur Schaffung von Freiräumen für eigene, riskantere sowie interdisziplinäre Projekte vergeben. Gleichzeitig werden die Forschenden bei der professionellen und persönlichen Weiterentwicklung begleitet und beim Aufbau eines internationalen Netzwerkes unterstützt. „Für uns ein wichtiges Zeichen, dass unser Netzwerk funktioniert“, sagt Saskia Haupt. red