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Rezensionen und Synthesen: Arktische Feuerregime und Emissionen im 21. Jahrhundert

Publiziert: 1. April, 2021
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Kurzfassung

In den letzten Jahren hat die panarktische Region zunehmend extreme Brandsaisons erlebt. Brände in den nördlichen hohen Breiten werden durch den aktuellen und zukünftigen Klimawandel, Blitze, Brennstoffbedingungen und menschliche Aktivitäten beeinflusst. In diesem Zusammenhang ist die Konzeptualisierung und Parametrisierung aktueller und zukünftiger arktischer Feuerregime wichtig für das Feuer- und Landmanagement sowie für das Verständnis aktueller und die Vorhersage zukünftiger Feueremissionen. Die Ziele dieser Studie wurden von der Arbeitsgruppe des Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP) festgelegt und der Expertengruppe für kurzlebige Klimaschädlinge vorgelegt. Dieser Bericht fasst das derzeitige Verständnis der sich verändernden arktischen und borealen Feuerregime zusammen, insbesondere da die Feueraktivität und ihre Reaktion auf den zukünftigen Klimawandel in der Arktis Konsequenzen für die Staaten des Arktischen Rates haben, die versuchen, den Klimawandel im Norden einzudämmen und sich an ihn anzupassen. Die Schlussfolgerungen aus unserer Synthese sind die folgenden. (1) Gegenwärtige und zukünftige Brände in der Arktis und der angrenzenden borealen Region werden durch natürliche (z.B. Blitze) und vom Menschen verursachte Zündquellen ausgelöst, einschließlich Brände, die durch Holz- und Energiegewinnung, vorgeschriebene Brände zur Landschaftspflege und touristische Aktivitäten verursacht werden. In der wissenschaftlichen Literatur wird nur wenig über das kulturelle Abbrennen durch indigene Völker in der gesamten Arktis veröffentlicht, und es bleiben Fragen über die Quelle der Brände oberhalb von 70∘ N im arktischen Russland offen. (2) Es wird erwartet, dass der Klimawandel Brände in der Arktis wahrscheinlicher macht, indem er die Wahrscheinlichkeit von extremen Feuerwettern, erhöhter Blitzaktivität und trockeneren Vegetations- und Bodenbrennstoffbedingungen erhöht. (3) Bis zu einem gewissen Grad können die veränderte landwirtschaftliche Nutzung und der Übergang der Wälder von Waldsteppe zu Steppe, von Tundra zu Taiga und von Nadel- zu Laubwäldern in einem wärmeren Klima das Abbrennen offener Biomasse erhöhen oder verringern, je nach Landnutzung und zusätzlich zu den klimabedingten Biomverschiebungen. Auf Länder- und Landschaftsebene sind diese Zusammenhänge jedoch nicht gut belegt. (4) Die derzeitigen Schwarzkohle- und PM2.5-Emissionen aus Waldbränden über 50 und 65∘ N sind größer als die Emissionen aus den anthropogenen Sektoren der Verbrennung in Haushalten, des Verkehrs und des Abfackelns. Die Emissionen aus Waldbränden haben von 2010 bis 2020 zugenommen, insbesondere oberhalb von 60∘ N, wobei 56 % der Schwarzkohleemissionen oberhalb von 65∘ N im Jahr 2020 der Verbrennung offener Biomasse zugeschrieben werden – ein Hinweis darauf, wie extrem die Waldbrandsaison 2020 war und wie schwerwiegend künftige Waldbrandsaisons in der Arktis möglicherweise sein können. (5) Was in den borealen Zonen zur Verhütung und Bekämpfung von Waldbränden funktioniert, funktioniert in der Arktis möglicherweise nicht. Das Feuermanagement muss sich an das sich verändernde Klima, die wirtschaftliche Entwicklung, die indigenen und lokalen Gemeinschaften und die empfindlichen Ökosysteme des Nordens, einschließlich Permafrost und Torfland, anpassen. (6) Zu den Faktoren, die zur Ungewissheit bei der Vorhersage und Quantifizierung zukünftiger arktischer Feuerregime beitragen, gehören die Unterschätzung arktischer Brände durch Satellitensysteme, die mangelnde Übereinstimmung zwischen Erdbeobachtungen und offiziellen Statistiken sowie die noch erforderliche Verfeinerung von Standort, Bedingungen und früheren Feuerwiederkehrintervallen in Torf- und Permafrostlandschaften. Diese Übersicht macht deutlich, dass noch viel Forschungsarbeit nötig ist, um die lokalen und regionalen Auswirkungen des sich verändernden arktischen Feuerregimes auf Emissionen und das globale Klima, Ökosysteme und pan-arktische Gemeinschaften zu verstehen.

Wie man zitiert.
McCarty, J. L., Aalto, J., Paunu, V.-V., Arnold, S. R., Eckhardt, S., Klimont, Z., Fain, J. J., Evangeliou, N., Venäläinen, A., Tchebakova, N. M., Parfenova, E. I., Kupiainen, K., Soja, A. J., Huang, L., und Wilson, S.: Reviews and syntheses: Arctic fire regimes and emissions in the 21st century, Biogeosciences, 18, 5053-5083, https://doi.org/10.5194/bg-18-5053-2021, 2021.

Einleitung

Seit mehr als einem Jahrzehnt prognostizieren Klimamodellierungsstudien eine “Invasion” von Bränden in die arktischen Regionen (Krawchuk et al., 2009). In diesem Papier geben wir einen Überblick über das derzeitige Verständnis des sich verändernden arktischen Feuerregimes und dessen Auswirkungen auf die Feueremissionen. Damit schaffen wir eine Grundlage für zukünftige systemische pan-arktische Analysen von Bränden und Feueremissionen sowie für die Koordination im Kontext der Mitglieder des Arktischen Rates, der Ständigen Teilnehmer, Beobachter und Arbeitsgruppen. Diese Übersichtsarbeit ist auch die erste, die Emissionen mit einem sich verändernden Feuerregime für die Arktis in Verbindung bringt. Frühere Veröffentlichungen über Brände in den hohen nördlichen Breiten haben die zunehmende Feueraktivität in der Arktis und den borealen Regionen mit der klimabedingten Erwärmung und Austrocknung in Verbindung gebracht (Hu et al., 2015; Walsh et al., 2020). Obwohl Brände in der Arktis, die nach der Definition des Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP) (AMAP, 1998) als Breitengrade über 66∘ N definiert sind, nicht neu sind (Wein, 1976), deutet eine Reihe von Belegen darauf hin, dass Tundrabrände zunehmen (Hu et al., 2015; Masrur et al., 2018), mit dem Potenzial für neuartige Feuerregime (Young et al., 2016). Brandregime werden häufig als die Hauptmerkmale der Feueraktivität an einem bestimmten Ort definiert: Häufigkeit, typische Größe der Brände, jährliche verbrannte Fläche, Schweregrad, Saisonalität, Art (Oberflächen-, Boden- oder Kronenbrände) und Entzündungsursache (menschlich oder natürlich) (Hanes et al., 2019).

In den letzten vier Jahrzehnten hat die Feueraktivität in Alaska und der russischen Republik Sacha zugenommen, während sie in den kanadischen Nordwest-Territorien leicht zurückgegangen ist, was auf eine große räumlich-zeitliche Variabilität der panarktischen Feuerdynamik hinweist (York et al., 2020). Darüber hinaus gab es in den letzten drei Jahren große Brände in Fennoskandien im Jahr 2018, in Alaska und Grönland im Jahr 2019 und in der Russischen Föderation im Jahr 2020, hauptsächlich in der borealen Zone, d. h. bei und über 50∘ N, aber mit sich ausbreitenden Bränden in der arktischen Region (Walsh et al., 2020), die sogar bis zum Nordpolarmeer in Ostsibirien reichen (Kharuk et al., 2021). Daher müssen die Auswirkungen des Klimawandels, menschlicher Zündquellen und biophysikalischer Parameter wie Verfügbarkeit und/oder Verteilung oberirdischer Brennstoffe, Auftauen des Permafrosts und Austrocknen von Torf auf die erhöhte Feueraktivität in der Arktis und den borealen Regionen quantifiziert werden, um das entstehende arktische Feuerregime zu verstehen (Krawchuk und Moritz, 2011). Hier definieren wir ein entstehendes Feuerregime in der Arktis als dokumentierte erhöhte Häufigkeit und verlängerte Saisonalität (frühere Brände im Frühjahr und Brände später im Herbst) sowohl natürlicher als auch vom Menschen verursachter Oberflächen- und Bodenbrände (d. h. Torf), die die gesamten Feueremissionen in der Arktis erhöhen (siehe Tabelle S1 im Anhang für eine Liste aller Schlüsselbegriffe).

In dieser Übersichtsarbeit umfasst die Definition des offenen Abbrennens von Biomasse in der Arktis sowohl Waldbrände (manchmal auch als Wildfeuer, Waldbrände, Torfbrände und vorgeschriebene Brände in natürlichen Gebieten bezeichnet) als auch Brände in vom Menschen dominierten Landschaften (d. h. offenes Abbrennen in der Landwirtschaft, vorgeschriebenes Abbrennen in der Agroforstwirtschaft, Holz, Weideland), wobei natürliche Brände (durch Blitzschlag verursachte Brände) und vom Menschen verursachte Brände unterschieden werden, soweit dies mit Hilfe von Statistiken und geografischen Methoden möglich ist. In Anbetracht des starken Einflusses der borealen Systeme auf die Arktis in Bezug auf Brandstörungen, Emissionen und Vegetationsveränderungen haben wir die borealen Feuerregime in diese Übersicht aufgenommen, wobei wir jede Klimazone bei Bedarf gesondert ausweisen. Die offene Verbrennung von Biomasse ist eine bekannte Störung in der Region des Arktischen Rates1 (AMAP, 2011, 2015). In der Bewertung des Arktischen Überwachungs- und Bewertungsprogramms (AMAP) von 2015 zu schwarzem Kohlenstoff (BC) und Ozon als arktische Klimaverursacher wurden wichtige Merkmale der offenen Biomasseverbrennung in der arktischen Region festgestellt, darunter der menschliche Einfluss auf die Zündung und das Brennstoffmanagement, signifikante interannuelle Schwankungen bei Brandereignissen und Emissionen, räumliche und saisonale Häufung von Bränden im Zusammenhang mit aktiver Landbewirtschaftung und Brennstoffbedingungen (AMAP, 2015). Seit 2015 mehren sich die Hinweise auf einen direkten Einfluss des Klimawandels auf große, frühzeitige Brände (Wang et al., 2017) sowie auf das Entfachen extremer Waldbrände an der Schnittstelle zwischen Wald und Stadt (WUI) und nicht nur in abgelegenen borealen Wäldern und der arktischen Tundra (Abatzoglou und Williams, 2016; Kirchmeier-Young et al., 2019). Gemessen an der verbrannten Fläche war 2015 das größte Brandjahr in der Tundra-Ökoregion Alaskas (Michaelides et al., 2019).

Im Rahmen des künftigen Klimawandels wird in der Region des Arktischen Rates mit einer allgemeinen Zunahme von Bränden gerechnet, was darauf hindeutet, dass auch die damit verbundenen Emissionen zunehmen dürften. Beispielsweise könnten natürliche Brände, definiert als durch Blitzschlag verursachte Brände, zunehmen, da eine Zunahme der Blitzeinschläge vorhergesagt wird (Púčik et al., 2017; Veraverbeke et al., 2017; Bieniek et al., 2020), und zwar unter den repräsentativen Konzentrationspfaden (RCPs) 4.5 (stabilisierende Emissionen) und 8.5 (hohe Emissionen), die für den Fünften Bewertungsbericht (AR5) des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) entwickelt wurden. Unter Verwendung derselben Szenarien könnten die durch Waldbrände verursachten Emissionen von BC, CO, NOx, PM2,5 und SO2 die anthropogenen Emissionen in Nordosteuropa, einschließlich Schweden und Finnland, bis 2090 übersteigen (Knorr et al., 2016). Es besteht ein eindeutiger Konsens darüber, dass das sich entwickelnde arktische Feuerregime durch Verschiebungen der Feuerzeiten gekennzeichnet sein wird, d. h. die Wahrscheinlichkeit extremer Brände später in der Vegetationsperiode wird in den borealen Wäldern Ostkanadas (Boulanger et al., 2013), Zentral- und Nordwestkanadas (Boulanger et al., 2014) sowie im europäischen Russland, Westsibirien und im Fernen Osten (Sherstyukov und Sherstyukov, 2014) auftreten. Bis zum Ende des 21. Jahrhunderts wird unter RCP6.0 (stabilisierende Emissionen mit höherem CO2-Äquivalent als RCP4.5) die jährliche Wahrscheinlichkeit eines großen Tundrabrandes in Alaska fast eins zu vier betragen, d. h. eine Spanne von 13 %-23 % vorhergesagter Zunahmen (Hu et al., 2015). Darüber hinaus stellten Wang et al. (2017) fest, dass die jüngste Verlängerung der Feuersaison in Kanada zu einem Anstieg der Gesamtzahl der Tage geführt hat, an denen sich das Feuer ausbreiten kann, was zu einem starken Anstieg der Gesamtgröße des Feuers und der Emissionen bei Bränden in der Vorsaison wie dem Megabrand von Fort McMurray in Alberta führt. Die Verlängerung der Feuersaison, eine Komponente der entstehenden arktischen Feuerregime, bedeutet ein erhöhtes Potenzial für mehr und größere Feueremissionen während der gesamten Feuersaison, die früher im Frühjahr beginnt und später im Herbst endet.

In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich gezeigt, dass das Verständnis von Brandregimen die Emissionsschätzungen von Bränden in hohen nördlichen Breiten verbessert (Conard und Ivanova, 1997; Soja et al., 2004a) und sogar für die Erstellung von Emissionsmodellen erforderlich sein kann (van der Werf et al., 2010). Außerdem wird erwartet, dass der Klimawandel die Feuerregime verändern und die Emissionen wahrscheinlich erhöhen wird (Sommers et al., 2014). Aus diesem Grund umfasst dieser Bericht auch Emissionsschätzungen von benachbarten borealen Bränden sowie von Bränden in gemäßigten Breiten, von denen bekannt ist, dass sie die arktische Region durch eine erhöhte atmosphärische Häufigkeit und Ablagerung von schwarzem Kohlenstoff sowie durch Treibhausgasemissionen beeinflussen. Diese Übersichtsarbeit entstand aus politischen Fragen (Tabelle S2), die die Expertengruppe für kurzlebige Klimaschädlinge (SLCF EG) des AMAP, einer Arbeitsgruppe des Arktischen Rates, für ihre Bewertung der Auswirkungen kurzlebiger Klimaschädlinge auf das arktische Klima, die Luftqualität und die menschliche Gesundheit im Jahr 2021 beantworten sollte (AMAP, 2021). Unsere spezifischen Ziele sind

  1. Identifizierung und Überprüfung der Haupttreiber der arktischen Brände heute und in der Zukunft, um ein entstehendes arktisches Feuerregime mit potenziellen Veränderungen zu charakterisieren (Abschnitte 2-3 des Papiers und politische Frage 1 in Tabelle S2);
  2. Charakterisierung von Feueremissionen aus boden- und satellitengestützten Datenquellen in der Arktis, den borealen und gemäßigten Regionen, die sich auf die Arktis auswirken (Abschnitt 4 des Papiers und die politischen Fragen 1 und 3-5 in Tabelle S2);
  3. Emissionen aus dem arktischen Feuerregime mit anderen sektoralen Quellen für die gesamte Arktis zu kontextualisieren (Papierabschnitt 5 und politische Fragen 5-6 in Tabelle S2);
  4. die wichtigsten Herausforderungen und Forschungsfragen zu identifizieren, die das Verständnis, die Überwachung und das Management von Bränden in der Arktis im 21. Jahrhundert verbessern könnten (Abschnitte 6-8 des Papiers und die politischen Fragen 2 und 6 in Tabelle S2).

Wir konzentrieren uns auf SLCF-Emissionen, weisen aber darauf hin, dass Waldbrände auch eine Quelle für CO2 und andere Schadstoffe sind, die für die Umwelt und die menschliche Gesundheit in der Arktis von Bedeutung sind, darunter Quecksilber und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK).

Triebkräfte der arktischen Feuerregime

Im Großen und Ganzen werden Waldbrände durch Klima- und Wetterbedingungen angetrieben, die die Entflammbarkeit, Brennstoffe und Brennstoffbedingungen beeinflussen (Silva und Harrison, 2010; de Groot et al., 2013). Die Entzündung durch Blitzschlag, das Brandwetter (d. h. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Niederschlag und Wind) sowie die Menge (Aufbau) und der Zustand (Feuchtigkeit) der Brennstoffe sind die typischen Steuerungsprozesse für “natürliche” Brände, d. h. Brände, die nicht direkt durch menschliche Aktivitäten verursacht werden. Vom Menschen verursachte Brände werden durch die Bewirtschaftung von Brennstoffen zur Verringerung des Brandrisikos, die Landbewirtschaftung in Agrar- und Holzlandschaften, kulturelle Praktiken und Unfälle verursacht (Granström und Niklasson, 2008; Bowman et al., 2020).

In der Vergangenheit haben sowohl das Klima als auch der Mensch die Feueraktivität in der panarktischen Region beeinflusst. Eine Metaanalyse der borealen Biomasseverbrennung während des Holozäns (vor 4000 bis 200 Jahren) für die boreale Zone Nordamerikas und Fennoskandiens zeigt, dass die allgemeinen Trends der borealen Biomasseverbrennung in erster Linie durch klimatische Veränderungen gesteuert wurden, vor allem durch den mittleren Jahresniederschlag in Alaska, Nord-Quebec und Nord-Fennoskandien und die Sommertemperaturen in Zentralkanada und Zentral-Fennoskandien (Molinari et al., 2018). Die Zusammensetzung der immergrünen borealen Nadelbäume auf Landschaftsebene in Alaska und Zentral- und Südfennoskandien war den klimatischen Bedingungen untergeordnet. Diese Paläobrand-Ergebnisse stimmen mit den jüngsten Erkenntnissen von Walker et al. (2020) überein, die zeigen, dass die feinräumigen Entwässerungsbedingungen, die Zusammensetzung der Baumarten im oberen Stockwerk und die Brennstoffakkumulationsraten an 417 Standorten in borealen und Taiga-Ökoregionen im Nordwesten Kanadas und in Alaska für die Schwere der Brände und die nachfolgenden Kohlenstoffemissionen wichtiger waren als das zufällige Brandwetter. Pollenbasierte Rekonstruktionen zeigen, dass prähistorische und frühgeschichtliche menschliche Siedlungen während feuchterer Klimazonen in der Minusinsk-Höhle in Süd- und Zentralsibirien zunahmen, wo die Getreide- und Weideerträge um das Zweifache stiegen, und nicht in trockenen Perioden, die den Lebensstil von Viehzüchtern begünstigten (Blyakharchuk et al., 2014), was die Verbindungen zwischen Feuer, Klima und vom Menschen geprägten Landschaften verdeutlicht.

Es wird erwartet, dass die offene Verbrennung von Biomasse durch anthropogene Aktivitäten wie Landwirtschaft, Holz- und Energiegewinnung in der Arktis zunehmen wird, da sich die vom Menschen geprägten Landschaften durch den Klimawandel nach Norden ausdehnen, wodurch sich die potenziellen Zündquellen vergrößern (Abb. 1). Der grönländische Flächenbrand von 2019, der fast einen Monat lang Oberflächenvegetation und kohlenstoffreiche Böden verzehrte, wurde verursacht, als ein Lagerfeuer trockenen Boden in der Nähe eines öffentlichen Campingplatzes am weltbekannten Arctic Circle Trail entzündete (McGwinn, 2019). Die grönländischen Waldbrände von 2017 und 2019 ereigneten sich östlich von Sisimiut in Tundragebieten mit geringer Vegetationsdecke und degradiertem Permafrost, aber kohlenstoffreichen Böden in warmen, trockenen und sonnigen Sommern (Evangeliou et al., 2019). Holzgewinnung und Standortvorbereitung, einschließlich des Einsatzes von Maschinen und Fahrzeugen auf Böden, die mit trockenen Holzresten bedeckt sind, verursachen derzeit große Waldbrände in der Region des Arktischen Rates, einschließlich des Västmanland-Brandes in Schweden im Jahr 2014, der durch Forstfahrzeuge während der Erdarbeiten ausgelöst wurde (Lidskog et al., 2019), der 18 Tage lang aktiv brannte und eine Brandnarbe von über 14 000 ha hinterließ (Pimentel und Arheimer, 2021). Die Ausdehnung der Landwirtschaft nach Norden wird wahrscheinlich zu einer Zunahme der vom Menschen verursachten offenen Brände führen, da die Weizen- und Maisproduktion in den früheren Permafrostgebieten Westsibiriens zunehmen dürfte (Parfenova et al., 2019). Westsibirien ist derzeit eine kleinere Region, in der landwirtschaftliche Brandrodungen vorkommen (Hall und Loboda, 2017), wobei viele Landwirte darauf bestehen, dass Feuer trotz des Verbots offener landwirtschaftlicher Brandrodungen unter den gegenwärtigen Bewirtschaftungs- und Ressourcenbeschränkungen notwendig ist, um Felder zu roden (Theesfeld und Jelenik, 2017). Diese nach Norden gerichteten landwirtschaftlichen Flächen könnten sich in die kalten Regionen der borealen Zone ausdehnen (Kicklighter et al., 2014; King et al., 2018) und sich in Zentralsibirien dem Polarkreis nähern (Tchebakova et al., 2016). Natürlich hängt der Übergang der Landwirtschaft nach Norden auch von den lokalen bzw. vor Ort herrschenden Bedingungen ab, die ihre Ausbreitung einschränken, z. B. minderwertige Böden, bestehende Landnutzungen, die mit der landwirtschaftlichen Umstellung nicht vereinbar sind, und topografische Einschränkungen (Ioffe und Nefedova, 2004; Dronin und Kirilenko, 2011; Tchebakova et al., 2011). Angesichts des degradierten Zustands der meisten verlassenen landwirtschaftlichen Flächen in den Steppen Sibiriens und des großen Interesses der asiatischen Nachbarländer an der Entwicklung der Landwirtschaft im Norden wird jedoch eine Entwicklung von Getreide und anderen Nutzpflanzen in Richtung Norden erwartet (Prishchepov et al., 2020). Schließlich hat die Unterdrückung von Waldbränden in kanadischen borealen Gemeinden die Wahrscheinlichkeit von Bränden erhöht, so dass sich Brennstoffe in und in der Nähe von bewohnten Orten ansammeln können (Parisien et al., 2020), was die Frage aufwirft, welche anderen Schnittstellen zwischen Wildnis und Stadt in der arktischen Region aufgrund der langfristigen aggressiven Unterdrückung von Bränden ein erhöhtes Brandrisiko und Brände erfahren könnten.

Abbildung 1A: Beispiel für von Fachleuten überprüfte zukünftige arktische Brandrisikovariablen aufgrund erwarteter ökologischer und meteorologischer Veränderungen durch den Klimawandel in der Mitte des Jahrhunderts und am Ende des 21. Jahrhunderts für die Mitgliedsstaaten des Arktischen Rates. Aufwärts gerichtete Pfeile zeigen einen Anstieg des Brandrisikos an und abwärts gerichtete Pfeile zeigen einen Rückgang des Brandrisikos an, wobei die Lage der Pfeile ungefähr der Lage des Brandrisikos aus der Literatur und nicht den Projektionen für ein bestimmtes Land entspricht; die gestrichelte Linie zeigt die Grenze zwischen dem europäischen Russland und Sibirien und dem russischen Fernen Osten. Beachten Sie, dass Taiga für nördliche Waldgebiete verwendet wird, die vollständig in Russland liegen, während Boreal für den Rest der panarktischen nördlichen Wälder verwendet wird.

Künftige arktische Feueraktivität

Klimawandel und künftige Brände

Viele Modellierungsansätze für künftige Brände verwenden Szenarien für Treibhausgasemissionen, um die Auswirkungen des Klimawandels auf künftige Temperaturen und Niederschläge zu prognostizieren – beides beeinflusst die Entzündung von Brennstoffen und die anschließende Verbrennung (Veira et al., 2016). Das erhöhte Brandrisiko wird in der gesamten Arktis nicht einheitlich sein (Abb. 1). So wird das Auftauen des Permafrosts zu einer Wiederbefeuchtung der Böden führen (Wrona et al., 2016), was das ober- und unterirdische Brandrisiko verringert. Boike et al. (2016) zeigten, dass die zunehmende Ausdehnung von Thermokarstseen nicht mit der Zunahme von Bränden in der zentralen Republik Sacha zusammenfällt. Oberflächenbrände können den Permafrost auftauen lassen, wodurch Thermokarstseen entstehen (Jones et al., 2015), die früher als Mittel zur Verringerung des Brandrisikos angesehen wurden (Sofronov et al., 2000), aber keine perfekten Brandschneisen darstellen, da Waldbrände “überspringen” können (Sofronov und Volokitina, 2010). Darüber hinaus könnten veränderte Niederschlagsregime in Form von mehr Niederschlägen in der Arktis für die Monate März bis Dezember bis zum Ende des Jahrhunderts unter Verwendung von RCP8.5-Projektionen (Bintanja und Andry, 2017) sowohl das Brandrisiko durch erhöhte Nässe verringern als auch das Brandrisiko durch mehr Vegetationswachstum und/oder veränderte Brennstoffregime erhöhen. Modellierte Wechselwirkungen zwischen Feuer und Klima am Ende des Jahrhunderts unter RCP6.0 für Alaska zeigten, dass Sommertemperaturen und Jahresniederschläge die wichtigsten Klimafaktoren sind, die die Wahrscheinlichkeit neuer Waldbrandregime in der Tundra und an der Grenze zwischen borealem Wald und Tundra bestimmen (Young et al., 2016). Angesichts der modellierten Veränderungen bei der Brennstofflast, der Brennstofffeuchte und der erhöhten Blitzhäufigkeit wird für die hohen Breitengrade eine Zunahme der Brandflächen um 40 % bis 50 % unter dem Klimaszenario RCP8.5 vorhergesagt (Krause et al., 2014). Eine verstärkte konvektive Wolkenbildung wurde in der russischen Arktis (Chernokulsky und Esau, 2019) und in den borealen Wäldern Nordamerikas (Veraverbeke et al., 2017) dokumentiert, wobei eine Zunahme konvektiver Stürme in Nordeuropa um 5 % bis zum Ende des 21. Jahrhunderts unter RCP 4.5 und 8.5 prognostiziert wird (Púčik et al., 2017). Generell wird erwartet, dass die Blitzhäufigkeit in Gebieten nördlich von 50∘ N zunehmen wird. Der stärkste projizierte relative Anstieg beträgt etwa 100 % in Nordeuropa unter dem RCP8.5-Szenario bis zum Ende des Jahrhunderts (Groenemeijer et al., 2016). Da außerdem erwartet wird, dass die Sommer in Zukunft trockener werden (Venäläinen et al., 2020), könnte die Rolle von Blitzen als Zündquelle für Waldbrände in Nordeuropa zunehmen.

In Abbildung 1 sind Übergangsthemen und damit verbundene Brandrisiken aus der wissenschaftlichen Literatur dargestellt, wobei die allgemeine Lage auf der Karte von den Standorten dieser Studien abgeleitet ist. Diese ökologischen und meteorologischen Studien stützen sich auf gerasterte Klimaszenarien aus zukünftigen Treibhausgasemissionsszenarien, um das Brandrisiko für die Mitte des Jahrhunderts (2050) und das Ende des Jahrhunderts (2100) vorherzusagen. Erstens taut der Permafrost in den borealen Wäldern auf, wo auf anfänglich feuchte Böden (Wrona et al., 2016; O’Neill et al., 2020) zunehmend trockener Bodenbrennstoff folgt (Turetsky et al., 2015; Box et al., 2019). Die Topografie spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der sich verändernden Lebensräume, wobei auf geneigten Flächen die Trocknung und auf flachem Gelände die Versumpfung überwiegt (Tchebakova et al., 2009). Da in der sibirischen arktischen Tundra relativ flaches Gelände vorherrscht, wird die Versumpfung voraussichtlich überwiegen. Zweitens würde der erwartete Übergang von borealen Wäldern zu Laubwaldbeständen das Brandrisiko in Ostkanada und kleinen Regionen im Inneren Alaskas verringern (Terrier et al., 2013; Foster et al., 2019; Mekonnen et al., 2019), da Laubbaumarten weniger leicht entflammbar sind als Nadelbaumarten (Päätalo, 1998; Krawchuk et al., 2006). Drittens wird eine Ausbreitung von Grasland-Ökosystemen in Nordwestkanada und Alaska (Wang et al., 2019; Whitman et al., 2019) und Sibirien (Tchebakova et al., 2009, 2016) vorausgesagt. Viertens werden vermehrte Blitzeinschläge das Brandrisiko in Alaska (Veraverbeke et al. 2017), aber auch in Nordeuropa (Púčik et al., 2017) erhöhen. Fünftens wird die Wechselwirkung zwischen klimabedingten Veränderungen der Feuerregime und des Permafrosts einen Rückgang und eine Nordwanderung der sibirischen Taiga erzwingen, was zu einem Übergang von Tundra zu Taiga in Nordsibirien führen wird (Tchebakova et al., 2009, 2011; Sizov et al., 2021). Es wird prognostiziert, dass der Permafrost nicht tief genug auftauen wird, um eine dunkelnadelige Taiga (Pinus sibirica, Abies sibirica und Picea obovata) zu erhalten; dennoch wird prognostiziert, dass die hellnadelige Larix-Nadel in Ostsibirien weiterhin dominieren wird, was gemäß der russischen Brandgefahreneinstufung (Melekhov, 1980) ein höheres Brandrisiko darstellt. Das russische System zur Einstufung der Brandgefahr zeigt eine Abnahme des Brandrisikos von leicht nadelnden Nadelbäumen (Kiefer, Lärche) zu sommergrünen Laubbaumarten (Birke, Espe, Weide), die zwischen der gemäßigten und der borealen Zone sowie entlang von Flusstälern vorkommen. Das Brandrisiko ist bei dunkellaubigen Nadelbäumen ebenfalls geringer (Melekhov, 1980). Die Feuerwiederkehrintervalle (FRIs) stimmen mit Melekhov (1980) überein, mit einem mittleren FRI von 36 Jahren (Bereich 17-133) in lichten Nadelwäldern im Vergleich zu einem mittleren FRI von 196 Jahren (Bereich 75-725) in dunklen Nadelwäldern (Furyaev, 1996; Shvidenko und Nilsson, 2000; Soja et al., 2006). Larix ist eine feuertolerante Art, und dunkellaubige Nadelholzarten sind eine schattentolerante Sekundärsukzessionskohorte (Shugart et al., 1992). Sechstens wird vorhergesagt, dass Waldsteppe und Steppe mehr als die Hälfte Sibiriens dominieren werden, was größtenteils durch das Klima und die Zunahme der Feuerregime bedingt ist (Tchebakova et al., 2009). Die Waldsteppe, die im südlichsten Teil des sibirischen borealen Waldes existiert, geht aufgrund der Zunahme extremer Brände, die die organische Substanz des Bodens zu Mineralboden verbrennen, sowie aufgrund wiederholter Brände und hoher Temperaturen, die die nachwachsenden Setzlinge abtöten, in eine Steppe über. Siebtens könnte die Ausdehnung der Landwirtschaft nach Norden die vom Menschen verursachten landwirtschaftlichen Brände verstärken, da sich Weizen und Mais (Silage) in den früheren Permafrostgebieten Ostsibiriens etablieren (Tchebakova et al., 2009; Parfenova et al., 2019) und sich auch in Nordamerika in die kalten Regionen der borealen Zone ausbreiten (King et al., 2018). Schließlich wird ein dreifacher Anstieg des Permafrosts in der borealen Zone unter RCP4.5 bis 2100 wahrscheinlich die Menge an Torfbrennstoffen erhöhen, die für die Verbrennung zur Verfügung stehen (Nitzbon et al., 2020).

In früheren Arbeiten wurde die Arktis als regionaler “Hot Spot” für die interannuelle Variabilität wichtiger atmosphärischer Bestandteile identifiziert, wobei Waldbrände der Hauptfaktor für diese Variabilität sind (Fisher et al., 2010; Monks et al., 2012; Voulgarakis et al., 2015). Wie bereits erwähnt, kann die Klimaerwärmung zu mehr Blitzeinschlägen (Veraverbeke et al., 2017) und zu einer Degradierung des Permafrosts aufgrund zunehmender trockener Bodenbrennstoffe, einschließlich Torf (Turetsky et al., 2015), sowie zu einer erhöhten Brandschwere führen (Teufel und Sushama, 2019). Unter Verwendung des RCP8.5-Szenarios schätzen Teufel und Sushama (2019), dass ein globaler Schwellenwert für den Temperaturanstieg von 2,0 ∘C, der um das Jahr 2031 erreicht werden könnte, zu einer abrupten Degradierung von 42 % des panarktischen Permafrosts und zu einem Anstieg der Feuerschwere in Russland, Kanada und Alaska führen könnte. Bis zum Ende des Jahrhunderts wird mit einer Zunahme des Waldbrandrisikos gerechnet, wobei sich die Länge der Feuersaison – gemessen an der täglichen Häufigkeit schwerer Brände – in hohen nördlichen Breiten um bis zu 20 Tage verlängern dürfte, wenn man die Szenarien A1B (entspricht in etwa dem RCP6.0), A2 (∼ RCP8.5) und B1 (∼ RCP4.5) zugrunde legt (Flannigan et al., 2013). In ähnlicher Weise sagen Sherstyukov und Sherstyukov (2014) für Russland unter dem RCP8.5-Szenario eine Zunahme von >50 Tagen mit hohem Brandrisiko bis zum Jahr 2100 voraus, was zu einer Verdoppelung der jährlichen Waldbrandfläche führen könnte. Unter Verwendung von CMIP5-Modellvergleichen fanden Lehtonen et al. (2016) heraus, dass sich große (≥0,1 km) boreale Waldbrände in Finnland bis zum Ende des Jahrhunderts verdoppeln oder sogar verdreifachen könnten, wenn man die Szenarien RCP4.5 und RCP8.5 zugrunde legt, allerdings mit einer großen Variabilität zwischen den Modellen. Robuste Vorhersagen über die künftige Brandfläche in wilden und vom Menschen geprägten Landschaften in der Arktis erfordern ein Verständnis und eine quantitative Simulation der Haupttreiber von Bränden (insbesondere Klima und Brandwetter, Entzündung, Brennstoffe und Menschen), einschließlich der gekoppelten Dynamik zwischen und unter diesen Treibern (Riley et al., 2019).

Biogeografie künftiger Brände

Die klimabedingten Vegetationsverschiebungen, die auch das Brandrisiko und die damit verbundenen Emissionen verändern würden, stellen für die Mitgliedsstaaten des Arktischen Rates eine komplexe Matrix dar. Vorhersagen über den Übergang von borealen Wäldern zu Laubwaldbeständen würden das Brandrisiko in Ostkanada und im Inneren Alaskas verringern (Terrier et al., 2013; Foster et al., 2019; Mekonnen et al., 2019). Wang et al. (2019) stellten fest, dass diese Trends in Alaska und im Nordwesten Kanadas unter Verwendung von Landsat-Bildern aus drei Jahrzehnten mit einer Auflösung von 30 m bereits zu beobachten sind, da das Klima die Ausbreitung von Gräsern und Sträuchern in der Arktis vorantreibt und Waldbrände den größten Teil des Rückgangs der immergrünen Wälder und der Ausbreitung von Laubwäldern in den borealen Regionen verursachen. Weitere Arbeiten in reifen Laubwäldern im Inneren Alaskas zeigen, dass die derzeitigen “Lücken” im Kronendach mit ökologischen Verschiebungen hin zu immergrünen Sträuchern und Flechten, Gräsern und Moosen zusammenhängen, wodurch sich das allgemeine Brandrisiko aufgrund des Vorhandenseins dieser hochentzündlichen Nadelholzarten in diesen kleinen Bereichen innerhalb der schwer entflammbaren Laubwaldbestände erhöht (Alexander und Mack, 2017). Darüber hinaus zeigt die Satellitenkartierung der Taiga-Tundra-Vegetation mit mittlerer bis hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung eine nördliche Ausdehnung der Bäume, jedoch mit komplexen Mustern diffuser und abrupter Übergänge von Wäldern zu Nicht-Wäldern (Montesano et al., 2020).

Es besteht ein Konsens darüber, dass längere Feuerperioden häufiger werden und in den östlichen borealen Wäldern Kanadas (Boulanger et al., 2013), in Zentral- und Nordwestkanada (Boulanger et al., 2014) sowie im europäischen Russland (insbesondere in der Republik Karelien und der Leningradskaja Oblast), in Westsibirien und im Fernen Osten zunehmen werden (Tchebakova et al., 2009; Sherstyukov und Sherstyukov, 2014). Wang et al. (2017) stellen fest, dass die Feuersaison in Kanada in jüngster Zeit durch eine höhere Gesamtzahl an Tagen der Feuerausbreitung gekennzeichnet ist, was zu einem starken Anstieg der Gesamtfeuergröße und der Emissionen bei Bränden in der frühen Saison führt, wie z. B. beim Megabrand von Fort McMurray in Alberta, der sowohl Wälder als auch Torfgebiete verbrannte und vom Menschen verursacht wurde (Hanes et al., 2019). Eine Verlängerung der Feuersaison bedeutet ein erhöhtes Potenzial für mehr und größere Feueremissionen während der gesamten Feuersaison, die früher im Frühjahr beginnt und später im Herbst endet. Die Entzündungswahrscheinlichkeit wird häufig unter Berücksichtigung der Feuchtigkeitsbedingungen des Bodenbrennstoffs (d. h. der Streu) und der organischen Schicht (d. h. des Kronendachs) modelliert, wobei der Mensch die wahrscheinlichste Brandquelle am Boden und der Blitz die wahrscheinlichste Quelle für Kronendachbrände ist (Wotton et al., 2003). Veraverbeke et al. (2017) stellten eine positive Rückkopplungsschleife zwischen Klima, Blitzen, Bränden und der Ausdehnung der Wälder nach Norden her, wobei die Oberflächenenergieflüsse aus den Wäldern die Wahrscheinlichkeit von Blitzen in Alaska zu erhöhen scheinen.

Die borealen Feuerregime und die damit verbundenen Veränderungen der Frühjahrsalbedo (relativer Reflexionsgrad) und der Strahlungsbilanz unterscheiden sich in nordamerikanischen (von Kronenfeuern dominiert) und nordeurasischen Systemen (von Oberflächenfeuern dominiert, geringerer negativer Kurzwellenantrieb) (Rogers et al., 2015). In naher Zukunft könnten diese Veränderungen positiv sein, aber mittel- und langfristig negativ werden. Im Allgemeinen beschleunigt der Klimawandel das Waldwachstum in hohen nördlichen Breiten aufgrund einer längeren Wachstumssaison. Die erhöhte CO2-Konzentration verringert die Transpiration und erhöht die Photosyntheserate, wodurch das Waldwachstum gefördert wird (Peltola et al., 2002; Kellomäki et al., 2018). Allerdings können insbesondere abiotische und biotische Schäden negative Auswirkungen auf das Wachstum und die Dynamik der Wälder haben (Seidl et al., 2014). So erhöht beispielsweise Trockenheit das Risiko von Waldbränden, wirkt sich aber auch negativ auf das Wachstum von Fichten (Picea abies) aus und setzt die Bäume biotischen Schäden aus. Schätzungen zufolge werden Schneeschäden in Nordosteuropa zunehmen, während sie in anderen Teilen Europas bis zum Ende des Jahrhunderts unter den Szenarien RCP4.5 und 8.5 abnehmen (Groenemeijer et al., 2016). Es wird erwartet, dass das Risiko von Windschäden aufgrund der Verkürzung der Bodenfrostperiode zunimmt (Venäläinen et al., 2020), da gefrorene Böden die Bäume im Boden verankern und sie dadurch weniger anfällig für Entwurzelung sind. Viele Waldinsekten, die für das Insektensterben an Bäumen verantwortlich sind, werden vom Klimawandel profitieren, da ein Zusammenhang zwischen einem größeren Lebensraumangebot und höheren Wintertemperaturen nachgewiesen ist (Pureswaran et al., 2018). Klimabedingtes Insektensterben erhöht die Menge an leicht brennbarem Material in Wäldern und kann das Brandrisiko beeinflussen. So könnte beispielsweise eine großflächige Borkenkäferinvasion die Menge an Brennmaterial über Totholz erhöhen, was das Entzündungsrisiko und das Risiko von Kronenbränden steigert und die Notwendigkeit, die Gefahr und die Kosten für das Brennmaterial- und Brandmanagement in von Insekten befallenen Wäldern erhöht (Jenkins et al., 2014). Laut Venäläinen et al. (2020) wird eine Erwärmung des Klimas wahrscheinlich das Risiko von Borkenkäferausbrüchen und Holzfäule durch Heterobasidion spp. in den finnischen Nadelwäldern erhöhen. In sibirischen Wäldern hat sich die zerstörerische Sibirische Motte (Dendrolimus sibiricus Tschetvericov) bereits um ∼0,5∘ nach Norden ausgebreitet und ihr Regenerationszyklus hat sich aufgrund von Trockenheit und steigenden Temperaturen von zwei auf ein Jahr verkürzt (Baranchikov und Montgomery, 2014; Kharuk et al., 2017). Darüber hinaus könnte die Wahrscheinlichkeit waldschädigender Kaskaden- und Kumulierungsereignisse, d. h. großflächige Windschäden gefolgt von einem großflächigen Borkenkäferausbruch, in den hohen nördlichen Breiten in Zukunft deutlich zunehmen. Es wird erwartet, dass die künftigen Klimabedingungen für Waldbrände in der borealen Zone günstiger werden, selbst in stark bewirtschafteten Regionen.

Unter RCP8.5 schätzten Stralberg et al. (2018), dass bis zum Jahr 2100 Grasland einen Großteil der Hochlandkoniferen, Mischwälder und Laubwälder in einem großen Teil der borealen Waldzone von Nord-Alberta ersetzen wird. Kürzere Wiederkehrintervalle von Bränden in Verbindung mit klimawandelbedingter Trockenheit werden die Widerstandsfähigkeit immergrüner und laubabwerfender Arten bei der Wiederaussaat und/oder Etablierung nach Waldbränden verringern, was zur Ausbreitung von Grasland-Ökosystemen in den heutigen nordkanadischen Wäldern führen wird (Whitman et al., 2019). Die Zunahme grasdominierter Landschaften würde zu einem neuen Brandregime mit häufigen, aber wenig gefährlichen Bränden führen, wobei die Wahrscheinlichkeit eines SLCF-Transports in die Arktis in den Frühlingsmonaten von März bis Mai am größten ist (Hall und Loboda, 2018). Graslandbrände erzeugen weniger Energie, wobei die Rauchfahnen eher der Verbrennung von Ernterückständen ähneln, und es ist unwahrscheinlich, dass sie die Tropopause durchbrechen, um einen konsistenten, ganzjährigen Transport von Rauch in die Arktis zu ermöglichen (Hall und Loboda, 2017), im Gegensatz zu den derzeit beobachteten Ablagerungen aus borealen Waldbränden in der Arktis (Thomas et al., 2017). Darüber hinaus fanden Smirnov et al. (2015) heraus, dass Waldbrände im europäischen Russland im Zeitraum 2008-2012 hauptsächlich im Juni und August auftraten, wobei Sibirien und der Ferne Osten Russlands die Hauptquellen für BC-Emissionen zu einer Zeit sind, in der der Transport in die Arktis ungünstig ist. In der Republik Sacha stellten Kirillina et al. (2020) fest, dass die Feuersaison seit 2011 im Durchschnitt 13 Tage länger dauert als zuvor, und dass die Feuersaison seit 2009 früher im April beginnt, früher als in den Vorjahren. In Sacha ist das Auftreten von Bränden in einem dreimonatigen Zeitraum von Mai bis Juli am stärksten. Während der extremen Feuersaison 2020 in Sibirien wurden mit hochauflösenden Satellitendaten des Sentinel-2 der Europäischen Weltraumorganisation Brände um noch gefrorene Thermokarstseen oberhalb von 70∘ N festgestellt (McCarty et al., 2020). Dies deutet darauf hin, dass mehr BC aus künftigen frühzeitigen Bränden in und in der Nähe des arktischen Sibiriens für den Transport und damit für die Ablagerung auf Schnee und Eis zur Verfügung stehen könnte, was das Schmelzen beschleunigt und aufgrund der Auswirkungen auf die Albedo eine entsprechende Klima-Rückkopplung bewirkt. In Anbetracht dessen sind aktuelle und künftige Brände in der frühen Jahreszeit besonders relevant, da die Schnee- und Meereisbedeckung in der Arktis in der frühen Brennsaison viel weiter verbreitet ist als in der späten Jahreszeit – was bedeutet, dass eine frühere Ablagerung von BC die Frühjahrsschmelze bis April beschleunigen könnte, vor dem üblichen Beginn der Schmelzsaison im Mai (Stroeve et al., 2014). Die Emissionsfaktoren für die Verbrennung von Biomasse in Grasland- und Steppenökosystemen sind in der Regel geringer als die von borealen Wäldern (Akagi et al., 2011; Andreae, 2019), was potenziell unterschiedliche Auswirkungen auf die Atmosphärenchemie und SLCFs bedeutet. Während boreale Waldbrände mehr SLCFs emittieren als Grasland- und Ackerlandbrände, bedeutet das – oft vom Menschen verursachte – Abbrennen von Grasland, Torfland und Ackerland im Frühjahr, dass diese Emissionen während der günstigen Transportbedingungen im März, April und Mai mit größerer Wahrscheinlichkeit in die Arktis transportiert werden als bei Waldbränden im Sommer.

Abbildung 2Jährliche Schwarzkohleemissionen (BC) in Teragramm aus drei häufig verwendeten globalen Brandemissionsmodellen und jährliche Brandaktivität aus dem MODIS Collection 6 Produkt für aktive Brände (Terra und Aqua), aufgeteilt nach Breitengraden für die Region des Arktischen Rates, 2005-2018; beachten Sie, dass die y-Achse für jedes Modell zur Vereinfachung des Vergleichs standardisiert wurde; die gestrichelte Linie ist der positive Trend für BC-Emissionen aus der Verbrennung offener Biomasse und 1 km MODIS-Erkennungen aktiver Brände (Terra und Aqua) für 60 bis 70∘ N.

Arktische Feueremissionen

In den Abschnitten. 4 und 5 stellen wir neue Emissionsarbeiten vor, die auf der AMAP-Bewertung von BC und Ozon aus dem Jahr 2015 (AMAP, 2015) aufbauen, in die Emissionen aus der Biomasseverbrennung aus dem Global Fire Assimilation System (GFASv1.2; Kaiser et al, 2012), Global Fire Emissions Database Version 2 (GFEDv2; van der Werf et al., 2006), GFEDv3 (van der Werf et al., 2010), dem Global Inventory for Chemistry-Climate studies (GICC; Mieville et al., 2010), MACCity (Lamarque et al., 2010) und dem Fire Inventory from NCAR (FINNv1.5; Wiedinmyer et al., 2011) für den Bereich oberhalb von 60∘ N. Für die AMAP-Bewertung 2021 konzentrierten wir uns auf longitudinale Biomasse-Emissionsmodelle für die Jahre 2005 bis 2018 unter Verwendung der Global Fire Emissions Database with small fires (GFEDv4s; van der Werf et al, 2017), FINNv1.5 (Wiedinmyer et al., 2011), GFASv1.2 (Kaiser et al., 2012), dem Quick Fire Emissions Dataset (QFEDv2.5r1; Koster et al., 2015) und dem Fire Energetics and Emissions Research (FEER; Ichoku und Ellison, 2014). Diese analysierten Versionen von GFAS, GFED, FINN, FEER und QFED stützen sich auf thermische Anomalien des Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), wobei GFEDv4s das MCD64A1-Produkt für verbrannte Flächen mit dem MODIS-Produkt für aktive Feuer integriert, um kleine Brände zu berücksichtigen (Giglio et al., 2009). Für jedes Modell der globalen Brandemissionen wurde das interessierende Gebiet grob als 45 bis 80∘ N (N) global definiert, aufgeteilt nach Breitengraden von 45 bis 50∘ N: gemäßigt, 50 bis 60∘ N: boreal, 60 bis 70∘ N: niedrige Arktis und 70 bis 80∘ N: hohe Arktis. Die durchschnittlichen jährlichen Emissionen aus der offenen Verbrennung von Biomasse aus allen Quellen (Landwirtschaft, boreale Wälder, Tundra, Torf usw.) wurden für den Zeitraum 2005-2018 für BC, Methan (CH4), Kohlenmonoxid (CO) und Feinstaub (PM2,5) berechnet.

Da die Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) tägliche, globale Beobachtungen von Bränden geringer Intensität liefert (Johnston et al., 2018), wurde ein benutzerdefiniertes AMAP-Emissionsinventar für die Verbrennung offener Biomasse für das Jahr 2018 entwickelt, um die Fähigkeiten von VIIRS zur Erkennung von Schwelbränden zu nutzen, die in Torflandschaften häufig vorkommen. Suomi-NPP VIIRS aktive Feuer aus Tag- und Nachterfassungen (Oliva und Schroeder, 2015) wurden angenommen, um jedes 375 m2 große Pixel vollständig zu verbrennen. Eine “Best Guess”-Bodenbedeckung wurde aus drei verschiedenen Bodenbedeckungsprodukten erstellt, wobei für jedes Land eine Stichprobenvalidierung (n=30 Standorte) der Bodenbedeckungsart durchgeführt wurde. Letztendlich wurde das 750 m VIIRS Surface Type Landbedeckungsprodukt (Zhang et al., 2018) für Nordamerika, Grönland und die Russische Föderation verwendet, ergänzt durch die überarbeitete 1 km Circumpolar Arctic Vegetation Map (Raster CAVM; Raynolds et al., 2019) für fehlende Werte in den hohen nördlichen Breiten. Für Norwegen, Schweden und Finnland wurde die 10-m-Landbedeckungskarte von Europa 2017 aus dem Sentinel-2 Global Land Cover Project (Gromny et al., 2019) verwendet. Alle Landbedeckungskarten wurden zur Vereinfachung der Emissionsberechnungen in die Klassen des International Geosphere-Biosphere Program (IGBP) umklassifiziert. Die Brennstoffbelastung und die Vollständigkeit der Verbrennung wurden aus Van Leeuwen et al. (2014) übernommen, wobei für Grönland Tundra-Werte verwendet wurden. Die Emissionsfaktoren wurden aus Akagi et al. (2011) entnommen, mit Aktualisierungen aus Andreae (2019).

Die meisten Feueraktivitäten und -emissionen treten zwischen 50 und 60 Grad nördlicher Breite auf, mit sehr wenigen Emissionen aus der Verbrennung offener Biomasse zwischen 70 und 80 Grad nördlicher Breite und null Satellitenbeobachtungen von Bränden über 80 Grad nördlicher Breite (Abb. 2). Das Breitenband von 50 bis 60∘ N entspricht den südlichen Ausläufern der borealen Region, einem Gebiet, in dem aufgrund des Klimawandels immer mehr Brände auftreten (de Groot et al., 2013), und umfasst die größten Waldbrände in der Geschichte von British Columbia, die im Sommer 2017 1200 km2 verbrannten (Kirchmeier-Young et al., 2019). Es ist jedoch zu beachten, dass die durch die 1 km MODIS MCD14 Collection 6 Daten zu aktiven Bränden (Giglio et al., 2016) ermittelte Feueraktivität mit Konfidenzwerten >50 % einen positiven Trend für Brände aufweist, die zwischen 60 und 70∘ N auftreten, nicht aber für die Breitenbänder von 45 und 50∘ N oder 50 und 60∘ N (Abb. 2).

In den 14-jährigen Emissionsschätzungen von GFAS, GFED und FINN ist seit Mitte der 2000er Jahre eine deutliche Verschiebung in der zonalen Verteilung von Bränden zu beobachten. Die Feueremissionen nehmen nördlich von 60∘ N stärker zu als in der gemäßigten Zone von 45 bis 50∘ N, wo ein Großteil der vom Menschen verursachten Brände und Waldbrände in Nordamerika, Europa und Eurasien auftreten (Abb. 2). Dieser Trend ist in GFED und GFAS ausgeprägt, wobei diese beiden Modelle einen positiven Trend aufweisen (beachten Sie die gestrichelte Linie in Abb. 2) und FINN in späteren Jahren einen leichten Rückgang zeigt, selbst wenn die Gesamtzahl der aktiven MODIS-Feuerdetektionen zunimmt (untere Felder in Abb. 2). Die durchschnittlichen jährlichen BC-Emissionen aller offenen Biomasseverbrennungsquellen in der Arktis (60 bis 80∘ N) und den angrenzenden Regionen, von denen bekannt ist, dass sie sich auf den Rauchtransport in die Arktis auswirken (45 bis 60∘ N), belaufen sich im Zeitraum 2005 bis 2018 auf 0,34 Tg (Multimodell). Die Jahre mit dem höchsten Multimodell-Durchschnitt sind 2012, 2008 und 2015 mit BC-Emissionen von 0,45, 0,44 bzw. 0,41 Tg. Die Jahre mit den niedrigsten durchschnittlichen jährlichen BC-Emissionen der fünf globalen Brandemissionsmodelle sind 2007 und 2013 mit jeweils 0,27 Tg. Das Brandemissionsmodell mit den durchweg höchsten BC-Emissionen ist QFED mit einem Jahresdurchschnitt von 0,68 Tg (Abb. 3). FEER, GFAS und GFED weisen eine größere Übereinstimmung auf, mit jährlichen BC-Emissionsmittelwerten von 0,32 (± 0,07) Tg, 0,30 (± 0,07) Tg bzw. 0,25 (± 0,06) Tg. FINN hat die niedrigsten durchschnittlichen jährlichen BC-Emissionen von 0,130 Tg, mit höheren Emissionen in 2012 (0,20 Tg) und 2008 (0,19 Tg). Das speziell für die Panarktis entwickelte AMAP-Modell, das auf VIIRS-Daten zu aktiven Bränden und regionsspezifischen Landbedeckungsarten basiert, ergab für das Jahr 2018 etwas höhere Emissionsschätzungen als FINN (Abb. 3). Das AMAP-Modell sagt BC-Emissionen in Höhe von 0,13 Tg und CH4-Emissionen in Höhe von 1,39 Tg voraus, verglichen mit den 0,11 Tg BC und 1,19 Tg CH4 des FINN. Bei einem Vergleich nur für 2018 weist GFED geringfügig höhere BC-Emissionen auf als GFAS, während die Methanemissionsschätzungen von GFAS wesentlich höher sind als die von GFED.

Abbildung 3 Jährliche BC- und CH4-Emissionen 2018 in Teragramm aus fünf globalen Brandemissionsmodellen und einem angepassten AMAP-Brandemissionsmodell für nördlich von 45∘ N.
Tabelle 1 Zusammenfassende Tabelle der BC-, PM2. 5 und CH4-Emissionen in Teragramm (Tg) aus den von den Mitgliedern des Arktischen Rates gemeldeten Statistiken über verbrannte Flächen; Quellen für die verbrannte Fläche sind Norwegen (DSB, 2020), Grönland (Markuse, 2019), Finnland (Ketola, 2020), Schweden (Betänkande av 2018 års skogsbrandsutredning, 2019), Kanada (CIFFC, 2020), Alaska (Alaska Division of Forestry, 2020), die angrenzenden Vereinigten Staaten (NIFC, 2019) und die Russische Föderation (Aviales, 2019). Die Brennstofffrachten und die Vollständigkeit der Verbrennung stammen aus Van Leeuwen et al. (2014) für boreale Wälder, wobei Tundra-Werte für Grönland und gemäßigte Wälder für die USA/CONUS verwendet wurden; die Emissionsfaktoren stammen aus GFED4.

Die bodengestützten amtlichen Statistiken variieren je nach Land oder Teilregion (z. B. Alaska und Grönland) für das Jahr 2019 stark (Tabelle 1). Tabelle S3 enthält die Emissionsvariablen, die zur Berechnung der Emissionen für jedes Land oder jede Teilregion der Panarktis verwendet werden, die offizielle Statistiken über verbrannte Flächen vorlegen. Die Russische Föderation weist mit über 100 000 km2 die größte verbrannte Fläche auf. Im Jahr 2019 machte die offene Verbrennung von Biomasse im europäischen Russland – bestehend aus den Föderationskreisen Nordwest, Zentral, Süd, Nordkaukasus und Wolga – nur 190 km2 verbrannte Fläche aus (Aviales, 2019). Etwa 98,2 % der verbrannten Fläche in Russland befand sich in den Föderationskreisen Ural, Sibirien und Fernost. Im Allgemeinen sind Grönland, Fennoskandien und das europäische Russland die Regionen mit der geringsten verbrannten Fläche und den geringsten Emissionen aus der Verbrennung offener Biomasse, wobei in allen Regionen die meisten Verbrennungen bei 50 bis 60∘ N und die zweitmeisten Verbrennungen im Breitenbereich von 60 bis 70∘ N zu verzeichnen sind. Auf Alaska und Kanada entfallen etwa 29 000 km2 der gesamten panarktischen Biomasseverbrennung und 17 % der BC-Emissionen, während die angrenzenden Vereinigten Staaten (CONUS) für 24 % der BC-Emissionen verantwortlich sind. Es sei darauf hingewiesen, dass Kanada und die CONUS zwar ähnliche offizielle Statistiken für die verbrannte Fläche meldeten, dass aber Brände in den gemäßigten Zonen der CONUS aufgrund der höheren Brennstoffbelastung, der Emissionsfaktoren und der Vollständigkeit der Verbrennung doppelt so hohe Emissionen verursachen wie die borealen Ökosysteme (Tabelle 1) (Tabelle S3). Grönland ist ein neues Feuerregime in der Arktis, mit zwei relativ großen Waldbränden in den Jahren 2017 (Evangeliou et al., 2019) und 2019 (Tabelle 1), die mehr verbrannte Fläche und Emissionen verursachten als in Norwegen oder Finnland. Im Jahr 2019 stammte der Großteil der offenen Biomasseverbrennung und der damit verbundenen Emissionen in den Mitgliedsstaaten des Arktischen Rates aus Sibirien und dem russischen Fernen Osten, gefolgt von den Vereinigten Staaten, Kanada und Alaska.

Die Konzentration auf ein potenziell neuartiges arktisches Feuerregime in Grönland ermöglicht es uns, die Auswirkungen von Bränden auf die BC-Ablagerung und das Eis zu lokalisieren und zu ergründen, was dies für die Zukunft bedeuten könnte. Zwischen dem 31. Juli und dem 21. August 2017, nach einer Periode warmen, trockenen und sonnigen Wetters, wurden in Westgrönland ungewöhnliche Brände von Piloten beobachtet und auch von Satelliten bestätigt. Der größte Waldbrand wuchs auf eine Fläche von etwa 22 km2 an und wurde schließlich durch Regen gelöscht (Cartier, 2017). Die Brände verbrannten mehr als 20 km2 kohlenstoffreiche Böden – aufgrund des Schwelens und der Ausbreitung des Feuers möglicherweise Torf -, die durch die Degradation des Permafrosts gefährdet sind (Daanen et al., 2011). Arbeiten von Evangeliou et al. (2019) schätzten, dass der Waldbrand von 2017 eine Brennstoffmenge von etwa 0,12 Tg Kohlenstoff (C) verbrauchte und etwa 0,00002 Tg (20 Mg) BC und 0,0007 Tg (700 Mg) organischen Kohlenstoffs (OC) emittierte, einschließlich 0,00014 Tg (140 Mg) braunen Kohlenstoffs (BrC – der Teil des OC, der zu kürzeren Wellenlängen hin absorbiert). Obwohl diese Brände im Vergleich zu den Bränden, die zur gleichen Zeit in Nordamerika und Eurasien brannten, klein waren, wurde ein großer Teil der BC-, OC- und BrC-Emissionen (30 %) auf dem grönländischen Eisschild abgelagert. Messungen der optischen Aerosoltiefe in Westgrönland zeigten, dass die Luft durch die kanadischen Waldbrände stark beeinflusst wurde. Dennoch hatten die grönländischen Brände einen spürbaren Einfluss, indem sie die BC-Konzentrationen in der Luftsäule verdoppelten. Die räumlich-zeitliche Entwicklung und insbesondere die Höhe der Abgasfahne wurden auch anhand des vertikalen Querschnitts der gesamten abgeschwächten Rückstreuung (bei 532 nm) des Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIOP)-Lidars bestätigt. Die maximale Albedoveränderung aufgrund der BC- und BrC-Ablagerung durch die Grönlandbrände betrug maximal -0,007, während der durchschnittliche momentane BOA-Strahlungsantrieb (Boden der Atmosphäre) über Grönland am Mittag des 31. August 2017 (nach dem Brand) zwischen 0,03 und 0,04 W m-2 lag, mit lokal auftretenden Maxima von bis zu 0,77 W m-2. In diesem Fall umfasste die BOA die Aerosoleffekte von BC und BrC in der Atmosphäre und auf dem Schnee abgelagert. Der Albedo-Effekt (eine Abnahme) war sehr gering (0,007) und praktisch nicht messbar. Die Brände im Sommer 2017 in Grönland hatten nur geringe Auswirkungen auf das grönländische Eisschild und verursachten einen fast vernachlässigbaren zusätzlichen Strahlungsantrieb. Dies ist auf die vergleichsweise geringe Größe der Brände in Grönland im globalen und panarktischen Kontext zurückzuführen. Mit 30 % der Emissionen, die auf dem grönländischen Eisschild abgelagert wurden, waren die grönländischen Waldbrände 2017 jedoch sehr effiziente Klimaerwärmer pro Emissionseinheit und trugen zur derzeitigen Ablagerung von BC aus nordamerikanischen borealen Waldbränden bei (Thomas et al., 2017). Die Brände im Jahr 2017 waren zwar im globalen Maßstab klein, aber wenn die erwartete künftige Erwärmung der Arktis (IPCC, 2013) zu mehr und größeren Bränden in Grönland führt (Keegan et al., 2014), könnte dies in der Tat zu erheblichen Albedo-Veränderungen führen und damit zu einem beschleunigten Abschmelzen des grönländischen Eisschilds beitragen.

Bedeutung von Feuerquellen für globale und arktische Emissionen

Um die aktuellen arktischen Feueremissionen in einen Kontext zu stellen, wurden die GFASv1.2-Emissionen (Kaiser et al., 2012) mit den gesamten anthropogenen Emissionen von BC, PM2.5 und CH4 verglichen, die mit dem integrierten Bewertungsmodell GAINS (Greenhouse gas – Air pollution Interactions and Synergies) (Amann et al., 2011; Klimont et al., 2017) geschätzt wurden. Das GAINS-Modell berücksichtigt ausdrücklich umweltpolitische Maßnahmen und bewertet deren Auswirkungen auf aktuelle und künftige Emissionen (Amann et al., 2011; Klimont et al., 2017; Amann et al., 2020) und projiziert Emissionen aus verschiedenen anthropogenen Sektoren bis 2050; hier vergleichen wir die für 2010, 2015 und 2020 geschätzten Emissionen. Die globalen GFAS-Daten wurden vom Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersagen heruntergeladen (ECMWF, https://apps.ecmwf.int/datasets/data/cams-gfas/, letzter Zugriff: 13. September 2021, Anmeldung erforderlich). GFAS wurde für diesen Vergleich ausgewählt, weil es auf globaler Ebene nahezu in Echtzeit erstellt wurde, im Gegensatz zu GFED, das ein historisches Produkt ist und zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Berichts die Emissionsschätzungen für 2020 noch nicht abgeschlossen hatte. GFAS wies auch keine durchgängig niedrigen Emissionen für die panarktische Region auf, wie FINN (Abb. 2). Darüber hinaus wird GFAS derzeit als operationelles Produkt für globale und regionale Vorhersagen verwendet (Inness et al., 2019) und wird daher wahrscheinlich in politische Entscheidungen zum Brandmanagement einbezogen werden. Die GFAS-Emissionen aus Waldbränden und der Verbrennung von Biomasse umfassen alle Aktivitäten der offenen Verbrennung von Biomasse, wobei nicht zwischen vom Menschen verursachten Zündungen und natürlichen Quellen wie Blitzen unterschieden wird, sondern versucht wird, falsche Feueremissionen aus industriellen, vulkanischen und geothermischen Quellen zu entfernen (Rémy et al., 2017). Die Daten wurden auf pan-arktische Ausdehnungen bei 50, 60 und 65° N beschnitten. Die GFAS-Emissionsdaten, die in diesem Bericht als Waldbrandemissionen bezeichnet werden, da in den Emissionsdaten keine Unterscheidung zwischen den Brandtypen möglich ist, haben eine räumliche Auflösung von 0,1°, so dass sie zum Vergleich mit GAINS auf 0,5° aggregiert wurden. Da die Waldbrandsaison 2020 in der Arktis beispiellos war (Witze, 2020) und etwa 27 % der Brände in Sibirien oberhalb von 65∘ N brannten (Conard und Ponomarev, 2020), können die GFAS-Emissionen von 2020 verwendet werden, um darzustellen, wie potenzielle künftige Brandregime in der Mitte des Jahrhunderts, d. h. 2050, aussehen könnten, mit einer durch den Klimawandel bedingten Ausweitung der Brandsaison und der Wahrscheinlichkeit extremer Brandwetterlagen und Risiken (siehe Abschnitt 3).

Abbildung 4 Jährliche Schwarzkohleemissionen für 2010, 2015 und 2020 aus vier anthropogenen Quellensektoren (Haushalte, Verkehr, Abfackeln, andere) aus GAINS und Waldbränden aus GFAS, global dargestellt (a) und (b) bei 50 bis 60∘ N (hellere Farben des kumulativen Balkens) und nördlich von 60∘ N Breite (dunklere Farben des kumulativen Balkens).

Die Abbildungen 4, 5 und 6 zeigen die jährlichen BC-, PM2.5- und CH4-Emissionen der vier Hauptquellensektoren von GAINS ECLIPSEv6b (https://iiasa.ac.at/web/home/research/researchPrograms/air/Global_emissions.html, letzter Zugriff) für 2010, 2015 und 2020: 13. September 2021; Höglund-Isaksson et al., 2020) und der Biomasseverbrennung aus GFAS auf der globalen Skala (links) und oberhalb von 50 und 60∘ N. Global gesehen ist die Verbrennung von Öl, Kohle und Holz in Privathaushalten, die zum Heizen verwendet wird, die wichtigste anthropogene Quelle für BC-Emissionen in diesen Jahren und im Vergleich zu den GFAS-Waldbrandemissionen die größte insgesamt (Abb. 4a). Bond et al. (2004) schätzten die BC-Emissionen aus der offenen Verbrennung von Biomasse in der freien Natur und aus landwirtschaftlichen Bränden höher ein als andere Quellen, aber wir konnten dies beim Vergleich der GAINS-Emissionen mit den GFAS-Feueremissionen auf globaler Ebene nicht feststellen. In den nördlichen Breitengraden übertreffen Waldbrände jedoch die vier anthropogenen Quellen: Wohngebäude, Verkehr, Gasabfackeln bei der Öl- und Gasexploration und -förderung sowie die Summe aller anderen Quellen, d. h. “Sonstige”. Nördlich von 60∘ N ist das Abfackeln von Gas die wichtigste anthropogene Quelle, mit vergleichbaren, aber immer noch geringeren Emissionen als die von der GFAS geschätzten Emissionen aus Waldbränden. Wie Abb. 4 zeigt, war 2020 ein extremes Jahr für arktische Waldbrände (York et al., 2020), mit BC-Emissionen über 60∘ N, die doppelt so hoch waren wie 2010 und 2015. Bei PM2,5 weisen Waldbrände weltweit höhere Emissionen auf als die anthropogenen Sektoren, wobei der Unterschied in den nördlichen Breitengraden noch größer ist (Abb. 5). Weltweit ist der Landwirtschaftssektor die Hauptquelle für CH4, während die Sektoren Produktion, Verteilung und Nutzung fossiler Brennstoffe (einschließlich Abfackeln) und Abfall mehr emittieren als Waldbrände (Abb. 6). Oberhalb von 50∘ N sind die gleichen anthropogenen Sektoren die Haupt-CH4-Quellen, obwohl 2020 die Waldbrände mehr Methan emittierten als die anderen Sektoren. Ein ähnliches Phänomen trat oberhalb von 60∘ N auf, wo in allen Jahren die Emissionen aus Waldbränden höher sind als die der anderen anthropogenen Sektoren mit Ausnahme des Energiesektors.

Abbildung 5 Jährliche PM2.5-Emissionen für 2010, 2015 und 2020 aus vier anthropogenen Quellensektoren (Wohngebäude, Verkehr, Abfackeln, andere) aus GAINS und Waldbrände aus GFAS, dargestellt global (a) und (b) bei 50 bis 60∘ N (hellere Farben des kumulativen Balkens) und nördlich von 60∘ N (dunklere Farben des kumulativen Balkens).
Abbildung 6 Jährliche CH4-Emissionen für 2010, 2015 und 2020 aus anthropogenen Quellen (Landwirtschaft und Energie, einschließlich Abfackeln, Abfall und andere) aus GAINS und Waldbränden aus GFAS, global dargestellt (a) und (b) bei 50 bis 60∘ N (hellere Farben des kumulativen Balkens) und nördlich von 60∘ N Breite (dunklere Farben des kumulativen Balkens)

Die Schifffahrt in der Arktis wird oft als potenziell wichtige Quelle von BC in der Arktis genannt. Laut GAINS machte die Schifffahrt 2015 nur 0,6 % der anthropogenen BC-Emissionen nördlich von 60∘ N aus. Einem Weißbuch des International Council on Clean Transportation (ICCT; Comer et al., 2020) zufolge sind die BC-Emissionen der arktischen Schifffahrt zwischen 2015 und 2019 jedoch um 85 % gestiegen. Ihre Definition der Arktis entspricht der des Polarcodes der Internationalen Seeschifffahrtsorganisation (IMO), d. h. sie bewerteten die Schifffahrt in einem Großteil der hohen Arktis oberhalb der Barents- und Karasee, aber einschließlich der Gewässer zwischen Alaska und Russland bis südlich von 60∘ N. In unserem Vergleich ist die Schifffahrt im Verkehrssektor der GAINS-Emissionen enthalten.

Abbildung 7 zeigt die monatlichen BC-Emissionen im Durchschnitt der Jahre 2010, 2015 und 2020 für den Globus und die drei nördlichen Breitengrade 50, 60 und 65∘ N für die beiden wichtigsten Sektoren – Waldbrände und Verbrennung in Privathaushalten. Wie bei den globalen Jahresemissionen (Abb. 4) ist die Verbrennung in Privathaushalten in den meisten Monaten der wichtigste Quellensektor. Im Juli und September sind die Emissionen aus Waldbränden jedoch ähnlich hoch wie die Emissionen aus der Verbrennung in Wohngebäuden, während sie im August auf der globalen Skala höher sind. Diese beiden Sektoren weisen im Jahresverlauf entgegengesetzte zeitliche Profile auf (Abb. S1 im Anhang). Die Verbrennung in Wohngebäuden ist in den Wintermonaten am höchsten, während die Waldbrände im Frühjahr zunehmen und im Sommer ihr Maximum erreichen, das im Allgemeinen im September wieder abnimmt, mit Ausnahme der Emissionen der Brände von 2020. In den nördlichen Breiten stimmen die starken Frühjahrsemissionen im April mit dem globalen Signal überein (obere Felder von Abb. 7), während die Sommermonate einen noch größeren Anteil an den jährlichen Emissionen ausmachen als im globalen Durchschnitt.

Abbildung 7 Monatliche Schwarzkohleemissionen aus dem führenden anthropogenen Sektor, dem Heizen von Wohngebäuden, in GAINS und Waldbränden aus GFAS auf der Grundlage globaler Schätzungen (links) und nach Breitengraden (rechts); die Emissionen sind aus den Jahren 2010, 2015 und 2020 gemittelt, um sie an die Verfügbarkeit der GAINS-Daten anzupassen.

Dementsprechend sind Waldbrandemissionen für mehr als die Hälfte aller Schwarzkohleemissionen nördlich von 60 und 65∘ N verantwortlich (Abb. 8) und machen bis zu 74 % bzw. 82 % der BC-Emissionen für 2020 aus (Tabelle S4). In diesen nördlichen Breitengraden sind Waldbrände und das Abfackeln die Hauptquellen für schwarzen Kohlenstoff, insbesondere nördlich von 65∘ N. Auf diese beiden Sektoren entfallen 93 % der schwarzen Kohlenstoffemissionen, verglichen mit 88 % für 60∘ N. Nördlich von 50∘ N sind die Emissionen aus Wohngebieten, Verkehr und Abfackeln proportional größer als nördlich von 60∘ N und 65∘ N, aber immer noch geringer als die Emissionen aus Waldbränden (Abb. S2). Nördlich von 60∘ N haben die Waldbrandemissionen von 2010 bis 2020 zugenommen, insbesondere oberhalb von 65∘ N. Von den Waldbrandemissionen aus GFAS, die oberhalb von 60∘ N lagen, traten 21 % im Jahr 2010 und 27 % im Jahr 2015 oberhalb von 65∘ N auf (Tabelle S4). Im Jahr 2020 lag der Prozentsatz jedoch bei 56 % (Abb. 8), was zeigt, wie extrem das Waldbrandjahr 2020 in der Arktis war.

Angesichts des großen Anteils der Schwarzkohleemissionen aus Bränden im Vergleich zu den anthropogenen Quellen, wie sie von GAINS modelliert werden, ist das Verständnis der lokalen Auswirkungen auf das Klima und die Luftverschmutzung in der Region des Arktischen Rates von entscheidender Bedeutung. Der Zeitpunkt von Bränden in Agrarlandschaften, borealen Waldbränden und der arktischen Tundra liegt beispielsweise in den frühen Frühlings- und Sommermonaten (d. h. März bis Mai für 50∘ N und Mai und Juni für 60 und 65∘ N, wie in Abb. S1 zu sehen), wenn der Transport und die Ablagerung von BC in die Arktis möglich und kritisch für die Kryosphäre (Hall und Loboda, 2018) und die Luftverschmutzung (Law und Stohl, 2007) ist, sowohl aus weitreichenden (Thomas et al., 2017) als auch aus lokalen Quellen der BC-Deposition (Evangeliou et al., 2019). So ist der BC-Transport in Agrarlandschaften Osteuropas (Hall und Loboda, 2017) und in Torfgebieten, Grasland und Wäldern in Nordamerika (Qi und Wang, 2019) bereits von März bis Mitte Mai möglich, und Brände in Grasland, Wäldern und landwirtschaftlich genutzten Flächen sind in den Frühlingsmonaten März, April und Mai in Südsibirien (Kukavskaya et al., 2016) und im russischen Fernen Osten (Hayasaka et al., 2020) am häufigsten. Die Saison der borealen Waldbrände beginnt im April und Mai in Kanada (Tymstra et al., 2020) und Sibirien (Soja et al., 2004b; Conard und Ponomarev, 2020) und bewegt sich bis Anfang Juni nach Norden in Richtung Alaska (Partain et al., 2015). Brände und der damit verbundene Transport von schwarzem Kohlenstoff in die Arktis in den Frühlingsmonaten März bis Juni sind in der Regel klimatisch wichtig, da die Ablagerung in der Kryosphäre die Oberflächenschmelze beschleunigen kann (Bond et al., 2013). Im Frühjahr und Sommer 2020 brannten Brände in der arktischen Landschaft der nördlichen Republik Sacha bereits Anfang Mai (McCarty et al., 2020), was auf eine lokale Quelle für schwarzen Kohlenstoff hinweist. Ebenso bestätigen die Waldbrände in Grönland im Juli 2017 und Juli 2019, dass eine lokale Quelle für die Ablagerung von BC auf dem grönländischen Eisschild möglich ist (Evangeliou et al., 2019). PM2,5-Emissionen aus Waldbränden sind lokale Quellen der Luftverschmutzung für städtische und ländliche Gemeinden in der Arktis (Mölders und Kramm, 2018; Schmale et al., 2018), die oft in den Sommermonaten ihren Höhepunkt erreichen.

Brandbekämpfung in der Arktis

Brennstoffmanagement, wie z. B. vorgeschriebene Brände und sogar das Zulassen von Waldbränden unter nicht schwerwiegenden Brandwetterbedingungen, kann wirksamer sein als die Unterdrückung von Bränden und/oder Bemühungen, alle Brände aus nördlichen Landschaften zu eliminieren (McWethy et al., 2019), auch in neuartigen Landschaften aufgrund der Erwärmung in der Arktis. Es wurde modelliert, dass Brennstoffbehandlungen in den borealen Zonen Alaskas für mindestens 14 Jahre nach der Behandlung wirksam sind, insbesondere in schattigen Brandschneisen, die die Bedeckung des Kronendachs und den Leiterkraftstoff reduzieren (Little et al., 2018). In ausgetrockneten und degradierten Torfgebieten der arktischen Region wird das Brennstoffmanagement jedoch außerhalb des borealen Wald- und Wald-Tundra-Gradienten komplizierter sein, wo Mulchbehandlungen, die Kronendach- und Oberflächenbrennstoffe in ein gekautes Brennstoffbett umwandeln, die Brandtiefe von Torf in Schwarzfichtenbeständen (Picea mariana) begrenzen können (Wilkinson et al., 2018). In Privatbesitz befindliche grasbewachsene Tussock-Tundra- und Zwergstrauch-Tundra-Vegetationstypen brennen in Alaska eher ab als niedrige Strauch-Tundra (Hu et al., 2015), wobei sich die Vegetation von Strauch- und Tussock-Tundra innerhalb eines Jahrzehnts nach dem Abbrennen relativ schnell wieder ergrünt (Rocha et al., 2012) – was möglicherweise das Brennbett von Strauch- und Tussock-Tundra für wiederholte Brände wiederherstellt. Während das vorgeschriebene Abbrennen in Tussock- und Zwergstrauchlandschaften der Tundra wirksam sein könnte, ist die Wirksamkeit des vorgeschriebenen Abbrennens in Moorgebieten weniger klar. Das Brandrisiko und die Brandtiefe von Torfmooren werden jedoch weniger von der Vegetation der Baumkronen und des Bodens als vielmehr von der Schüttdichte des Bodens (die sich auf die Luftverfügbarkeit in den Böden auswirkt), der Tiefe des Grundwasserspiegels und den Niederschlägen beeinflusst (Kieft et al., 2016). Nach den verheerenden Bränden im Jahr 2010 in der Region Moskau unternahm die Regionalregierung ein ehrgeiziges Projekt zur Wiederbefeuchtung von 70 000 ha Moorland, um das Brandrisiko zu verringern (Sirin et al., 2014), ein Prozess auf Landschaftsebene, der mit vorhandenen Erdbeobachtungssensoren mit mäßiger Auflösung überwacht werden kann (30 m Landsat bis 10 m Sentinel-2; Sirin et al., 2018). Bislang ist die Wirksamkeit dieser Kampagne unklar, aber theoretisch sollte sie das Brandrisiko verringern. Im größeren Zusammenhang mit CH4 haben Günther et al. (2020) mit Hilfe eines Strahlungsmodells festgestellt, dass die Methanemissionen aus der Wiederbefeuchtung von Torfgebieten kurzfristig weniger bedeutend sind als die CO2-Emissionen aus degradierten oder entwässerten Torfgebieten, die die langfristige Erwärmung verstärken, wenn die Wiederbefeuchtung verschoben wird. Anpassungsfähige Bewirtschaftungsstrategien der Holzindustrie in Fennoskandien könnten das Brandrisiko ebenfalls verringern. Eine intensive Bewirtschaftung durch die Instandhaltung des Grabennetzes und die Düngung entwässerter Torfgebiete erhöht den Holzwert und führt gleichzeitig zur Wiederbefeuchtung des Torfs (Ahtikoski und Hökkä, 2019). Gezieltes Abbrennen zur waldbaulichen Erhaltung und zum Erhalt und zur Regeneration von Reinbeständen kann ebenfalls die Brennstoffbelastung verringern und gleichzeitig die Biodiversität erhöhen (Lindberg et al., 2020).

Abbildung 8 Sektorale Rußemissionen oberhalb von 60∘ N (hellere Farben) und 65∘ N (dunklere Farben) für 2010, 2015 und 2020; die anthropogenen Emissionen stammen aus GAINS und die Emissionen aus Waldbränden aus GFAS.

Menschliche Zündquellen, einschließlich der Vorhersage zukünftiger Bevölkerungs-, Migrations- und/oder Entwicklungsmuster in diesen sich verändernden nördlichen Landschaften, werden sich auf die Feueraktivität und die damit verbundenen Emissionen auswirken (Robinne et al., 2016; Riley et al., 2019). Betrachten wir zum Beispiel Agrarlandschaften als eine Quelle von Bränden. Die Ausweitung der klimabedingten landwirtschaftlichen Grenzen in den hohen nördlichen Breiten unter dem RCP8.5-Szenario für 2060-2080 könnte allein in Kanada und Russland 8,5 Millionen Quadratkilometer neue Anbauflächen schaffen und die Weizen- und Maisproduktion auf Gebiete mit kohlenstoffreichen oder torfhaltigen Böden ausweiten (Hannah et al., 2020). Darüber hinaus haben Parfenova et al. (2019) festgestellt, dass in einigen Permafrostgebieten Sibiriens unter den RCPs 2.6 und 8.5 bis 2080 Anbaubedingungen herrschen werden, die für die Produktion von Weizen und Mais (Silage) günstig sind. Diese Kulturen werden in den USA, Osteuropa, Russland und Kanada üblicherweise durch offenes Abbrennen bewirtschaftet (Kutcher und Malhi, 2010; McCarty et al., 2017; Theesfeld und Jelinek, 2017; Shiwakoti et al., 2019; Thompson und Morrison, 2020). Das Abbrennen von Anbauflächen, Grasland und Laubwäldern findet daher häufig zu Zeiten statt, in denen der Transport von Brandemissionen in die Arktis wahrscheinlich ist, d. h. im späten Winter und frühen Frühjahr in Russland (Hall und Loboda, 2018; Qi und Wang, 2019) sowie in Kanada und im nördlichen Zentrum der USA (Viatte et al., 2015).

Während die Emissionen aus der Verbrennung offener Biomasse eher episodisch sind, wenn man die Emissionen aus einzelnen extremen Waldbränden oder sogar Waldbrandsaisons betrachtet, sind die vom Menschen verursachten Brände im Frühjahr und Frühsommer eine beständige Quelle von BC und PM2,5, die gesteuert und potenziell reduziert werden kann. Aus politischer Sicht und im Hinblick darauf, wie diese Ereignisse zur pan-arktischen Verschmutzung beitragen, sind Brände wichtig für die zukünftige Zusammenarbeit und Koordination zwischen den Mitgliedsstaaten des Arktischen Rates, den ständigen indigenen Teilnehmern der Arktis und den nicht-arktischen Beobachterstaaten zu berücksichtigen. Für künftige arktische Brände sind die politischen Kontrollmöglichkeiten effektiv auf das Brennstoffmanagement, die Reduzierung menschlicher Zündungen und die Brandbekämpfung in der Arktis und der borealen Zone beschränkt (Flannigan et al., 2013). Außerdem sind die Techniken der Waldbrandbekämpfung in den borealen Wäldern für die empfindlichere, von Permafrost und Torf dominierte arktische Tundra nicht geeignet und müssen beispielsweise speziell auf die Tundra zugeschnitten werden (French et al., 2015). Zusammenarbeit, Kooperation und Innovation sind für künftige Techniken, Praktiken und Umsetzung der Brandbekämpfung in der Arktis erforderlich, insbesondere im Zusammenhang mit der potenziellen Emissionsminderung.

Wissenslücken und damit verbundene Unsicherheiten

Hier heben wir die Hauptprobleme hervor, die wir aus der Überprüfung der wissenschaftlichen Literatur zusammengefasst haben, um zu versuchen, zukünftige Forschungsanstrengungen zu konzentrieren. Es ist wichtig, die unten aufgeführten Unsicherheiten zu reduzieren, um die arktischen Feuerregime und Emissionen zu verstehen, insbesondere angesichts der Tatsache, dass der Klimawandel potenziell eine neue, sich schnell verändernde Unsicherheit einführt. Ein besseres Verständnis der aktuellen und zukünftigen arktischen und borealen Feuerregime wird auch für die politischen Entscheidungsträger in der Arktis wichtig sein, da sich die Arktis schnell verändert und diese Feuerregime einen Einfluss auf Klimasysteme, empfindliche arktische Ökosysteme und die Gesellschaft haben (Rogers et al., 2020). Insgesamt besteht eine große Unsicherheit bei der Konzeptualisierung und Dokumentation dessen, was eine Verschiebung der Feuerregime in einer bestimmten Region oder sogar in der gesamten Arktis ausmacht (d.h. die aktuelle Brandklimatologie im Vergleich zu den Brennstofftypen) und was passiert, wenn ein neues Regime im Entstehen begriffen ist (d.h. zukünftige Prognosen der klimatischen und ökologischen Bedingungen). In jedem Unterabschnitt werden spezifische Empfehlungen für die nächsten Schritte gegeben.

Räumliche und zeitliche Modellierung zukünftiger Feuerlandschaften und -regime

Die Modellierung zukünftiger Feuerlandschaften und -regime im Sinne von gekoppelten Feuer-Klima-Landnutzung-Ökologie-Modellen bleibt unsicher. Künftige arktische Feuerregime werden durch sich verändernde Vegetationstypen beeinflusst (Tchebakova et al., 2009; Sizov et al., 2021), wobei sowohl der Klimawandel als auch die nachfolgenden Feuersaisons, d. h. die Feuerstörung, die Arten und Standorte der künftigen Vegetation in arktischen und borealen Landschaften bestimmen (Foster et al., 2019). So gelten beispielsweise Feuer und das Auftauen des Permafrosts als die wichtigsten Mechanismen, die neue Vegetationsphysiognomien für Sibirien formen werden (Polikarpov et al., 1998; Tchebakova et al., 2010). Es ist wichtig festzustellen, dass die Feuchtigkeit, die durch das sommerliche Auftauen der aktiven Permafrostschicht entsteht, die notwendige Feuchtigkeit für das Waldwachstum in der trockenen Umgebung des inneren Sibiriens liefert, da sonst ohne diese zusätzliche Feuchtigkeit nur Steppe existieren könnte (Shumilova, 1962). In dem trockenen Klima im Inneren Sibiriens beseitigen häufige Brände das dunkle Nadelholzunterholz, das sich an geeigneten Stellen innerhalb der Permafrostzone etabliert hat. Das Intervall, in dem Brände in der hellen Taiga (Lärche, Larix spp., und Waldkiefer, Pinus sylvestris) in Zentralsibirien wiederkehren, beträgt 20-30 Jahre (Furyaev et al., 2001), verglichen mit 200-300 Jahren in dunklen Nadelwäldern (sibirische Kiefer, Pinus sibirica, und Tanne, Abies sibirica) in Südsibirien, einschließlich der Gebirgstaiga. Langsam wachsende dunkle Nadelbäume sind nicht an häufige Brände angepasst und sterben in der Regel ab; außerdem sind sie nicht lichttolerant, so dass sie wahrscheinlich nicht die ersten Arten sind, die nach Bränden wieder aufleben. Larix dahurica hingegen ist evolutionär an Feuer angepasst und regeneriert sich erfolgreich, wenn sich die Zapfen nach Bränden öffnen. Für Ostsibirien spekulierten Polikarpov et al. (1998), dass die Sukzession nach einem Brand dazu führen würde, dass dunkle Nadelbäume in südlichen Trockengebieten durch Kiefern und in wärmeren Klimazonen auf kalten Böden durch Lärchen ersetzt würden. Dunkle Nadelbäume, die in bestimmten Klimazonen überleben, würden sich nach dem Rückzug des Permafrosts nach Norden und Osten verlagern, und hellnadelige Baumarten (z. B. Pinus sylvestris und Larix sibirica) würden ihnen folgen und sich von Süden her ausbreiten. In der Übergangszone zwischen dunkel- und hellnadeligen Baumarten würden Birke und gemischte helle Nadelholz-Laubwald-Subtaiga und Waldsteppe dominieren, was das Brandrisiko wahrscheinlich verringern würde. In der südlichen Tundra des Autonomen Kreises der Jamal-Nenzen im Nordwesten Sibiriens wurde in zuvor abgebrannten Gebieten ein Übergang von trockenen Zwergsträuchern zu Wäldern (<50 % der Fläche sind mit Bäumen bedeckt) dokumentiert (Sizov et al., 2021).

Die Gesamtfläche der sibirischen Wälder wird voraussichtlich abnehmen und sich nach Norden verlagern, wobei Waldsteppen- und Steppenökosysteme bis 2080 unter RCP8.5 50 % Sibiriens dominieren werden (Parfenova et al., 2019), was bedeutet, dass die Landwirtschaft in Sibirien wahrscheinlich von der Klimaerwärmung profitieren würde. Etwa 50 % bis 85 % von Zentralsibirien werden als klimatisch geeignet für die Landwirtschaft vorhergesagt (Tchebakova et al., 2011), obwohl die potenziellen Anbauflächen durch die Verfügbarkeit geeigneter Böden begrenzt sind. Die pflanzliche Produktion könnte um das Zweifache ansteigen. Die Einführung neuer landwirtschaftlicher Nutzpflanzen wäre wahrscheinlich weniger kostspielig als die Aufforstung mit neuen Baumarten, die dem Klima angepasst sind. Wo Wälder aufgrund des Klimawandels ausfallen würden, könnte die Landwirtschaft in Zukunft eine bevorzugte Landnutzungsform sein, wobei die regionalen Wirtschafts- und Verwaltungsbehörden festlegen, welche spezifischen Maßnahmen zur Unterstützung der Forstwirtschaft, der Landwirtschaft oder gemischter land- und forstwirtschaftlicher Praktiken ergriffen werden können, um die wirtschaftlichen Verluste oder Gewinne infolge des Klimawandels zu optimieren. Daher bleibt das Verständnis darüber, wie sich der Klimawandel und die anhaltenden Brandstörungen in den borealen und arktischen Wäldern auf die Artenverteilung und damit auf die Brennstoffverfügbarkeit auswirken werden, komplex (Shuman et al., 2017), und es sind weitere Arbeiten an gekoppelten Brand-Klima-Ökologie-Modellen für die Arktis und die borealen Wälder erforderlich, die auch den Permafrost und die vom Menschen verursachte Landnutzung und Entzündung in neu entstehenden landwirtschaftlichen Systemen berücksichtigen.

Moorgebiete

Schwelender Torf kann große Mengen an Rauch freisetzen und so zu einer gefährlichen Luftqualität beitragen (Hu et al., 2018). In den aktuellen globalen Verzeichnissen der Brandemissionen werden Torfbrände unterschätzt, da die Waldbrennstoffarten derzeit die Brennstoffkarten und -profile bestimmen (Liu et al., 2020). Torfbrände in der borealen Zone sind im Hinblick auf die Brennstoffbelastung nicht gut quantifiziert (Van Leuwen et al., 2014). Die große Unsicherheit bei Emissionsfaktoren für boreale Torfbrände (Hu et al., 2018) hat zu verbesserten, im Labor abgeleiteten Emissionsfaktoren aus Torfproben aus Russland und Alaska geführt (Watson et al., 2019). Jüngste Laborarbeiten zu den Brandmechanismen organischer Böden und zur Ausbreitung von Torfbränden verbessern das Verständnis dieser Prozesse (z. B. Huang et al., 2017, 2015; Prat-Guitart, 2016; Huang et al., 2019; Christensen et al., 2020; Santoso et al., 2021; Yuan et al., 2021), obwohl weiterhin Bedarf an panarktischen Feldbeobachtungen besteht. Auch die Verbrennungstiefe wird außerhalb lokaler räumlicher Maßstäbe wie Stichprobenflächen nicht gut erfasst, da es an Möglichkeiten der Erdbeobachtung sowie an Bodenuntersuchungen vor und nach einem Brand mangelt (Rogers et al., 2014), was zu einer Unterschätzung der Emissionen führen kann.

Mit der Erwärmung des Klimas besteht das Risiko einer Zunahme von Torfbränden und “Legacy Carbon”-Bränden (Ingram et al., 2019) in borealen Wäldern, insbesondere in Beständen, die jünger als 60 Jahre sind, wo das Austrocknen die Widerstandsfähigkeit der kohlenstoffreichen Böden einschränkt (Walker et al., 2019), und in trockenen Mooreinzugsgebieten in der Nähe großer Siedlungen, wie beim teuersten Waldbrand in der Geschichte Kanadas, dem Horse River-Fort McMurray-Brand im Mai 2016 (Elmes et al., 2018). Künftige Emissionsschätzungen von Torfbränden müssen sich danach richten, wo und in welchem Zustand sich diese kohlenstoffreichen Böden befinden, zumal die vorhergesagte mäßige und schwere Trockenheit in den borealen Torfgebieten im Westen Kanadas die Größe der Brände voraussichtlich um über 500 % erhöhen wird (Thompson et al., 2019). In den aktuellen Erdsystemmodellen werden Torfbrände und die damit verbundenen Rückkopplungen in der Regel nicht gut charakterisiert oder einbezogen (Lasslop et al., 2019; Loisel et al., 2020), was unsere Fähigkeit zur Vorhersage künftiger Emissionen aus der Verbrennung von Torfgebieten weiter einschränkt. Die Kartierung panarktischer Torfgebiete hat sich als schwierig erwiesen (Yu et al., 2010; Xu et al., 2018), wobei in jüngster Zeit eine Verbindung zwischen Permafrost und Torfspeicherung hergestellt wurde (Hugelius et al., 2020). Darüber hinaus stellen Schwierigkeiten bei der Schätzung und/oder Berücksichtigung der Tiefe des Grundwasserspiegels und des Feuchtigkeitsgehalts des Torfs bei der Modellierung der Verbrennungstiefe und der damit verbundenen Emissionen während des Schwelens eine wesentliche Unsicherheit bei der Beobachtung dar (Kiely et al., 2019). Künftige Brennstoffdaten müssen berücksichtigen, wie sich die Komplexität der borealen und arktischen Torf-Topografie auf die Geschwindigkeit der Torfbodenakkumulation nach einem Brand auswirkt (Ingram et al., 2019), wobei einige Landschaften widerstandsfähig bleiben, während andere marginale Torfgebiete mit starkem Schwelbrand und geringerem Sedimenteintrag zu Quellen alter Kohlenstoffemissionen werden und damit die künftige Brennstoffverfügbarkeit beeinflussen. Aktuelle Erdsystemmodelle unterschätzen den Wasserverlust durch Verdunstung und überschätzen die aktuelle und künftige Wasserverfügbarkeit für boreale Moorsysteme unter den Erwärmungsszenarien RCP4.5 und 8.5 im Vergleich zu den aktuellen Klimabedingungen, wodurch das Brandrisiko, die Aktivität und die Emissionen in Moorsystemen möglicherweise unterschätzt werden (Helbig et al., 2020).

Klimaschutzbemühungen wie die Wiederherstellung oder Wiederbefeuchtung von Torfgebieten beseitigen weder die Rolle des Feuers als Managementinstrument (Davies et al., 2016) noch das Risiko von Waldbränden in Torflandschaften. Daher müssen die Schätzungen der künftigen Feueremissionen die Komplexität der Torfbrennstoffbedingungen und -belastungen einbeziehen. So ist beispielsweise die Wiederherstellung von Torf kein linearer Prozess. Frühere Ergebnisse aus Kanada zeigen, dass für die Wiederherstellung und Wiederbefeuchtung von degradierten Torfgebieten, die noch Torf- und Vegetationsreste aufweisen, 1 bis 2 Jahrzehnte benötigt werden (Nugent et al., 2019). Solange diese wiederhergestellten Torfgebiete nicht ausreichend feucht und mit Vegetation bedeckt sind, sind sie weiterhin brandgefährdet. Die Brandtiefe in Torf kann in natürlich feuchten und wiedervernässten Torfgebieten begrenzt werden, wenn die Oberfläche durch hydrologische und vegetative Prozesse einen hohen Feuchtigkeitsgehalt beibehält (Granath et al., 2016). Die Aufrechterhaltung dieser notwendigen hydrologischen Prozesse ist in degradierten, nicht bewirtschafteten Torfgebieten schwierig. In Alberta kam es an wilden Torfstandorten ohne konstante Wasser- und Ablagerungsquellen zu schweren Verbrennungen an den Rändern (Ingram et al., 2019), während Wilkinson et al. (2019) feststellten, dass bewaldete Torfränder extrem anfällig für Torfschwelbrände sind, insbesondere in zuvor abgebrannten Gebieten, in denen seit dem Brand mehr als 60 Jahre vergangen sind. Ronkainen et al. (2013) gehen davon aus, dass ein wärmeres Klima den Grundwasserspiegel in unbewirtschafteten Torfgebieten in Finnland über die Evapotranspiration absenken und damit das Waldbrandrisiko erhöhen wird. Die Erstellung vollständigerer Schätzungen der Brennstoffbelastungen für Torfgebiete in der gesamten arktischen Region kann nach den von Johnston et al. (2015) festgelegten Methoden erfolgen, um die dynamischen Brennstoffbelastungen für boreale Gebiete, Taiga und Tundra zu ergänzen, z. B. Innes (2013) und Ivanova et al. (2019).

Permafrost

Etwa die Hälfte aller Torfgebiete in der nördlichen Hemisphäre fällt mit Permafrost zusammen (Hugelius et al., 2020), wobei viele diskontinuierliche Permafrostgebiete in Kanada (Estop-Aragonés et al., 2018; Gibson et al., 2018), Russland (Hugelius et al., 2014) und Schweden (Chang et al., 2019) von Torfgebieten dominiert werden. Im flachen westsibirischen Terrain zeigen Kotlyakov und Khromova (2002) und Malevsky-Malevich et al. (2001) keinen kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Permafrost unterhalb von 65∘ N, was die lebensfähige Vegetation für die Tundra und die spärliche Larix sibirica-Taiga beeinflusst. Aktuelle Klimamodelle übersehen möglicherweise die Verbindung zwischen schmelzendem Bodeneis, manchmal auch als Thermokarstprozesse bezeichnet, und der potenziellen Permafrostdegradation des derzeit stabilen und kohlenstoffreichen nordostsibirischen arktischen Tieflands (NESAL). Nitzbon et al. (2020) weisen darauf hin, dass wir unter RCP4.5 (einem Stabilisierungsszenario) bis zum Jahr 2100 einen dreifachen Anstieg des Permafrosts in der NESAL-Region erwarten können, wenn Thermokarstprozesse mit erhöhten Temperaturprojektionen in numerischen Modellen kombiniert werden, wodurch sich die Menge an Torfbrennstoffen in einer Region mit bereits hoher Feueraktivität potenziell erhöht. Die Kombination aktueller Torfverteilungskarten mit neueren modellierten Datensätzen über die prognostizierte Ausdehnung des Permafrosts in der Mitte und am Ende des Jahrhunderts sowie über Georisiko-Indizes unter klimaverstärkenden Szenarien (Karjalainen et al., 2019) kann die Unsicherheiten reduzieren, um (1) ein erhöhtes Risiko für Torfbrände und deren Standorte aufgrund des Auftauens des Permafrosts und (2) eine verringerte Fähigkeit zum Einsatz bodennaher Waldbrandbekämpfung zu bestimmen und damit die Fähigkeit zur Kontrolle künftiger Torfbrände und Feueremissionen in der Panarktis zu begrenzen. Darüber hinaus verändert das Auftauen des Permafrosts die Hydrologie (z. B. größere Flussabflüsse oder das Verschwinden von Seen) und die Geomorphologie (Solifluktion und Thermokarstprozesse) über weite Teile der heutigen Permafrostzone. In einem wärmeren und trockeneren Klima könnten viele Orte in der Arktis von Solifluktion betroffen sein, wobei Thermokarst durch häufige katastrophale Brände und tieferes Auftauen der aktiven Schicht verändert wird. Insgesamt dürfte der sich zurückziehende Permafrost zu einer Verringerung der Waldflächen und ihrer Ersetzung durch Steppe auf gut entwässerten, geneigten Geomorphologien (Lawrence und Slater, 2005) oder durch Moore auf schlecht entwässerten Ebenen (Tchebakova et al., 2009) führen.

Permafrostgebiete, insbesondere in ihren südlichen Verbreitungsgebieten, werden durch Waldbrände gestört (Holloway et al., 2020). In Alaska und im Nordwesten Kanadas wurden die Auswirkungen von Waldbrandschäden auf den Permafrost gut quantifiziert. So zeigten die Veränderungen des Permafrosts in Alaska nach Bränden eine stärkere Erwärmung der Oberfläche an borealen Standorten als in der Tundra, wobei die Oberflächentemperaturen an zuvor verbrannten Standorten höher waren als an nicht verbrannten Standorten, selbst nachdem sich die Vegetation 1 bis 4 Jahrzehnte lang erholt hatte (Jiang et al., 2017). Am North Slope von Alaska deuten neuere Erkenntnisse darauf hin, dass nach Tundrabränden ein Übergang von Gräsern zu buschigeren Bedingungen stattfindet (Jones et al., 2013). Obwohl die überwiegende Mehrheit der Brände in den kontinuierlichen und diskontinuierlichen Permafrostzonen in sommergrünen Nadelwäldern auftritt (Loranty et al., 2016), gibt es Wissenslücken bezüglich der Widerstandsfähigkeit von Lärchenwäldern (Larix spp.) in Sibirien nach Bränden. So wurde kürzlich in der Republik Sacha festgestellt, dass ein 36 km2 großer Waldbrand in einer offenen Lärchen-, Strauch- und Moosflechtenlandschaft nordwestlich des Batagaika-Megastroms dazu führte, dass fünf Jahre später etwa 3,5 Millionen Kubikmeter Permafrost aufgetaut waren (Yanagiya und Furuya, 2020). Auch bei den borealen Wäldern im Osten Kanadas, z. B. in Quebec und Labrador, bestehen Unsicherheiten hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit des Permafrosts nach Bränden (Holloway et al., 2020). Wie bei den Torfgebieten verbessern verbesserte Geodaten unser Verständnis der potenziellen Auswirkungen von Waldbränden auf großen räumlichen Skalen (Hugelius et al., 2020).

Satellitengestützte Brandemissionen

Die Feuerregime in den borealen Regionen werden häufig durch die Auswirkungen von Feueremissionen beschrieben (Rogers et al., 2020), wobei viele Modelle für die Emissionen in den hohen nördlichen Breiten auf Erdbeobachtungen beruhen. Die Unsicherheiten in den Emissionsmodellen werden durch die Verfügbarkeit und Qualität von Daten zur Feueraktivität aus satelliten- und bodengestützten Quellen sowie durch unvollständige Kenntnisse über Brennstoffe und Emissionsfaktoren bestimmt. Derzeitige globale Verzeichnisse der Feueremissionen stützen sich auf satellitengestützte Daten zur Feueraktivität, die aus der Erkennung aktiver Feuer, der Kartierung verbrannter Flächen und der Strahlungsleistung von Feuer stammen (Liu et al., 2020). Ein Vergleich von vier satellitengestützten Datenbanken für globale Feueremissionen über Nordamerika – GFED, FINN, GFAS, QFED – ergab, dass die angenommenen Trockenmasseanteile in Brennstoffen und nicht die Emissionsfaktoren zu Aerosolschätzungen bei der Biomasseverbrennung führen, die um den Faktor 4 bis 7 voneinander abweichen, was die Fähigkeit zur genauen Quantifizierung der Auswirkungen von Rauch auf das Klima und die Luftqualität wesentlich einschränkt (Carter et al., 2020). Da sich die internationale wissenschaftliche Gemeinschaft auf zwei Hauptquellen für Brandemissionsfaktoren stützt (Akagi et al., 2011; Andraea, 2019, als Aktualisierung von Andraea und Merlet, 2001), sind die für eine robuste Unsicherheitsanalyse für diese Variable verfügbaren Informationen begrenzt (Pan et al., 2020).

Satellitengestützte Beobachtungen von Bränden in der Arktis und den borealen Regionen unterschätzen offene Brände in Agrarlandschaften, Oberflächenbrände in borealen Wäldern und schwelende Torfbrände. So unterschätzen beispielsweise aktuelle Emissionsinventare, die auf satellitengestützten Produkten der verbrannten Fläche wie GFEDv4 basieren, die vom Menschen verursachten Brände in Agrarlandschaften und Mischwäldern in Eurasien zwischen 50 und 65∘ N jährlich um etwa 2100 km2 (Zhu et al., 2017), was darauf hindeutet, dass die tatsächlich verbrannte Fläche durch anthropogene Zündungen in der borealen Zone Eurasiens derzeit um bis zu 16 % unterschätzt wird. Oberflächenbrände unter Waldkronen dominieren die Feuerregime in weiten Teilen Nordeurasiens, aber diese Brände werden in den aktuellen satellitengestützten Produkten zur verbrannten Fläche (Rogers et al., 2015; Duncan et al., 2020) und damit in den Emissionsinventaren nicht gut quantifiziert. Schwelbrände in kohlenstoffreichen Humus- und Torflandschaften werden nur schwer zu erkennen sein, da Schwelbrände bei viel niedrigeren Temperaturen ablaufen als Flammenbrände: 500 bis 700 ∘C gegenüber 1500 bis 1800 ∘C (Rein et al., 2008). Wie bereits erwähnt, beschränken sich die täglichen, globalen Beobachtungen von Bränden geringer Intensität durch bestehende Satellitensysteme derzeit auf VIIRS (Johnston et al., 2018), da es für die Erkennung kleinerer und kühlerer Brände als MODIS konzipiert wurde. Für diese Überprüfung stützen sich die analysierten Versionen von GFAS, GFED, FINN, FEER und QFED auf thermische Anomalien von MODIS, im Gegensatz zu den benutzerdefinierten AMAP-Feueremissionen, die nur VIIRS verwendeten. Schwelbrände in der Arktis können über regional abgestimmte Algorithmen kartiert werden, die für die Aufnahme täglicher aktiver Feuerdetektionen von multispektralen VIIRS- (Waigl et al., 2017) und hyperspektralen Hyperion-Sensoren (Waigl et al., 2019) entwickelt wurden. Im Allgemeinen sind Satelliten- und Drohnenerkennungen (Burke et al., 2019) von schwelenden Torfbränden schwierig, da Bodenbrände eine niedrige Temperatur aufweisen, unterirdisch brennen und an neuen Orten wieder aufflammen können (Rein, 2016), wobei zusätzliche Erkennungsbeschränkungen durch globale Satellitensensoren mit grober Auflösung (>1 km), Überdachungen und Wolken bestehen (Johnston et al., 2018).

Eine weitere Komplikation besteht darin, dass Torfbrände über Monate, Jahre und sogar Jahrzehnte hinweg schwelen können (Hu et al., 2018), wobei sie seitlich und vertikal unter der Oberfläche brennen und scheinbar erloschen sind, aber an der Oberfläche an einem anderen Ort als dem ursprünglichen Entzündungsort Rauch freisetzen. Dieses Phänomen wird als Holdover-, Überwinterungs- und/oder Zombie-Feuer bezeichnet und erschwert die Zuordnung als einzelnes – aber komplexes – Brandereignis anhand der kumulativen Satellitenpixel für aktive Feuer und verbrannte Flächen. Zum Beispiel überwachte die Alaska Division of Forestry im April 2020 mehrere aktive schwelende Torfbrände des ∼ 5 km2 großen Deshka Landing Fire vom August 2019, das trotz der starken Schneeschmelze in der Nähe von Willow, Alaska, überwintert hatte (Alaska Wildland Fire Information, 2020). Vorläufige Ergebnisse von Scholten und Veraverbeke (2020) deuten darauf hin, dass es sich bei überwinternden Bränden eher um Überbleibsel von Bränden hoher Schwere handelt, die häufiger in borealen Wäldern mit Schwarzfichten im Tiefland auftreten. McCarty et al. (2020) stellen die Hypothese auf, dass einige der frühesten Brände entlang der noch gefrorenen Thermokarstseen in der Republik Sacha im Mai 2020 Überbleibsel von Bränden sein könnten, da die Ursachen und das Ausmaß der vom Menschen verursachten Brände zu Beginn der Saison in der wissenschaftlichen Literatur für weite Teile der Arktis noch nicht gut dokumentiert sind.

Mangelnde Übereinstimmung zwischen amtlichen Statistiken und Satellitenbeobachtungen

Erdbeobachtungen aus Satellitenprodukten sind leistungsstarke Instrumente für die Vorhersage (Pickell et al., 2017), die Verbesserung von Modellen für die schnelle Reaktion nach Bränden (Miller et al., 2017) und die Quantifizierung von Bränden in borealen und arktischen Regionen (Hislop et al., 2020). Die Korrelation zwischen satellitengestützten und offiziellen Schätzungen der verbrannten Fläche ist jedoch durchweg gering (Fusco et al., 2019). Loepfe et al. (2012) stellten fest, dass mehrere satellitengestützte Feuerprodukte eine hohe Korrelation mit den offiziellen Berichten über verbrannte Flächen in Schweden aufwiesen, aber nur wenig bis gar keine Korrelation mit den offiziellen Statistiken für Finnland. Die Übereinstimmung der verbrannten Fläche in sibirischen Wäldern zwischen den offiziellen russischen Statistiken und vier satellitengestützten Produkten für verbrannte Flächen betrug weniger als 10 % (Kukavskaya et al., 2013). Die durchschnittlichen amtlichen satellitengestützten russischen Schätzungen der verbrannten Fläche unterscheiden sich für 2002-2015 um durchschnittlich 48 % im Vergleich zum regional abgestimmten Produkt von Loboda et al. (2017), das sich nur um durchschnittlich 18 % im Vergleich zu den amtlichen Statistiken der verbrannten Fläche für Alaska und Kanada unterscheidet. Ein Grund für diese Unterschiede könnte darin liegen, dass Algorithmen auf regionaler bis globaler Ebene möglicherweise nicht die nötige Sensibilität besitzen, um Oberflächenfeuer zu definieren, die in normalen Feuerjahren in Sibirien die vorherrschende Brandart sind. Außerdem verfügen die nordamerikanischen und nordischen Länder über langfristige bodengestützte Aufzeichnungen über verbrannte Flächen in borealen Gebieten, die sich über 50 Jahre oder mehr erstrecken, was bei der Kalibrierung aktueller Satellitendaten und der Analyse von Beziehungen zwischen Feuerregimen, Vegetation, Wetter und Klima hilfreich ist. Für weite Teile Russlands gibt es keine genauen Langzeit-Brandaufzeichnungen, vor allem weil Feuer in den abgelegenen “ungeschützten Gebieten” historisch nicht aufgezeichnet wurden (Sofronov et al., 1998; Soja et al., 2004). Folglich sind die Kenntnisse über das Gleichgewicht zwischen Flächenbränden und den vom Ökosystem abhängigen Flächen, die in Sibirien brennen, begrenzt, was sich negativ auf die Schätzungen der Feueremissionen auswirkt. Das Global Wildfire Information System (GWIS; https://gwis.jrc.ec.europa.eu/, letzter Zugriff: 13. September 2021), ein gemeinsames Programm der Group on Earth Observations (GEO; https://www.earthobservations.org/geoss_wp.php, letzter Zugriff: 13. September 2021), Copernicus (https://www.copernicus.eu/en/services/emergency, letzter Zugriff: 13. September 2021) und der NASA (https://www.nasa.gov/, letzter Zugriff: 13. September 2021), verwendet das MODIS MOD64A1 Collection 6 Burned Area Produkt (Giglio et al., 2018), um Statistiken über verbrannte Flächen auf Länderebene zu erstellen. Die vom GWIS-Satelliten abgeleitete verbrannte Fläche überschätzt die Verbrennung offener Biomasse sowohl in Norwegen als auch in Finnland im Vergleich zu den offiziellen Statistiken um 199 % bzw. 129 % (Tabelle 3). Allerdings unterschätzt GWIS die offene Biomasseverbrennung in Schweden um 48 %. Die Arbeit der SLCF EG war nicht in der Lage, die genauen Gründe für diese Diskrepanz zu ermitteln, obwohl frühere Arbeiten gezeigt haben, dass satellitengestützte Brandbeobachtungen mit zunehmender Brandgröße eher mit den offiziellen Aufzeichnungen übereinstimmen (Fusco et al., 2019). Sowohl Norwegen als auch Finnland meldeten die geringste Feueraktivität und verbrannte Fläche (Tabelle 1). Für künftige Emissionen aus der Verbrennung offener Biomasse sind verbesserte Methoden zur Erkennung von Bränden per Satellit in der Arktis und den borealen Regionen sowie eine kürzere Latenzzeit bei Bodenberichten und Statistiken von offiziellen Stellen erforderlich. Darüber hinaus erfordert die Verifizierung von Bränden per Satellit und die Verknüpfung mit der Verifizierung am Boden konzertierte Anstrengungen und wird wahrscheinlich zu einem besseren Verständnis dafür führen, wie und warum diese beiden Branddatenquellen derzeit nicht übereinstimmen.

Menschen und zukünftige arktische Feuerregime

Prävention und Management panarktischer Brände beschränken sich auf die Verringerung von durch den Menschen verursachten Bränden und das Management von Landschaftsbrennstoffen (Flannigan et al., 2013). Der Einfluss des Menschen auf das Brandrisiko hängt von Maßnahmen auf lokaler bis nationaler Ebene ab, die Brände und Emissionen durch Abholzung, Verkehrsnetze, Energiegewinnung und offenes Feuer in der Landwirtschaft verstärken oder Brände und Emissionen durch aktive Unterdrückung verringern können. Auf praktischer Ebene sind Menschen die Hauptzündquellen für Brände in der arktischen Region, während Blitzzündungen eher zu größeren Bränden führen. Im Landesinneren Alaskas, wo durch Blitzschlag verursachte Brände 95 % der gesamten verbrannten Fläche ausmachen (Veraverbeke et al., 2017), waren 52 % der gesamten Brände menschlichen Ursprungs, traten aber in Gebieten mit starker Brandbekämpfung auf, was zu nur 5 % der gesamten verbrannten Fläche von 1990-2016 führte (Calef et al., 2017). Archard et al. (2008) schätzten, dass 65 % aller Waldbrände in der Russischen Föderation durch menschliche Zündung verursacht wurden, und eine neuere Studie ergab, dass etwa die Hälfte aller Brände in der Republik Sacha auf anthropogene Aktivitäten zurückzuführen ist (Kirillina et al., 2020). Im gesamten borealen Kanada erhöhen anthropogene Faktoren die Brandwahrscheinlichkeit (Parisien et al., 2016), wobei der Mensch die meisten Brände in der Nähe von Straßen entfacht, während durch Blitzschlag verursachte Brände für den Großteil der verbrannten Fläche in entlegeneren Gebieten verantwortlich sind (Gralewicz et al., 2012). Blouin et al. (2016) fanden heraus, dass 45 % der Waldbrände in Alberta durch Blitzschlag ausgelöst wurden, aber für 71 % der verbrannten Fläche verantwortlich waren. In Finnland machen durch Blitzschlag ausgelöste Brände weniger als 15 % der Waldbrände aus (Larjavaara et al., 2005). Auf Maschinen, die für forstwirtschaftliche Arbeiten in steinigen Gebieten Schwedens eingesetzt werden, entfallen 7 % bis 10 % der gesamten jährlichen Brände und 40 % der gesamten verbrannten Fläche (Sjöström et al., 2019). Für die 19 europäischen Länder, die Brände und Zündquellen an das Europäische Waldbrandinformationssystem (EFFIS; https://effis.jrc.ec.europa.eu/, letzter Zugriff: 13. September 2021) melden, stellten de Rigo et al. (2017) fest, dass nur 4 % der Brände natürlichen Ursprungs waren, wobei bei der Hälfte der Brandmeldungen keine verifizierte Ursache angegeben wurde.

Indigenes Feuermanagement (IFM) und das Verständnis der indigenen Nutzung des Feuers sowie das Feuerrisiko und die Reaktion auf Feuerereignisse (Mottershead et al., 2020) werden in einer sich verändernden arktischen Umwelt benötigt. IFM wird immer häufiger in feuergefährdeten und/oder feuerangepassten Gebieten eingesetzt (Nikolakis et al., 2020), was einen Großteil der borealen, aber nicht unbedingt arktischen Ökosysteme ausmacht. Cogos et al. (2019) dokumentierten historische Ortsnamen in Nordschweden (z. B. roavve und roavvi) im Zusammenhang mit historischen Praktiken der Saami, die Kiefernheidelandschaften abbrannten, um die langfristige Nahrungssuche der Rentiere zu verbessern. Etwa einer von zehn Menschen in der Arktis ist indigen (Nordregio, 2019), was schätzungsweise 15 % der Bevölkerung Alaskas, 53 % der Nördlichen Territorien Kanadas und 98 % der Bevölkerung Grönlands ausmacht, was insgesamt 1,13 Millionen indigene Menschen in der gesamten Arktis ausmacht (Young und Bjerregaard, 2019). Die arktischen Gemeinschaften fordern mehr Führungsrollen in der Klimaforschung und -anwendung (Stone, 2020). Forschungs- und erfahrungsbasierte Empfehlungen, wie traditionelles indigenes Wissen in die Arbeit der Arbeitsgruppen des Arktischen Rates einbezogen werden kann, einschließlich (1) der Verwendung partizipatorischer Methoden, (2) der Verwendung indigener Methoden, (3) der Anerkennung, dass traditionelles ökologisches Wissen lokal ist, (4) der Anwendung auf die Politik und (5) des kulturübergreifenden Verständnisses (Sidorova, 2020), stimmen gut mit gemeinschafts- und landschaftsorientierten Methoden der Feuerforschung überein, die für die Vorhersage zukünftiger Feuerrisiken benötigt werden (Bowman et al., 2020; Johnston et al., 2020) und zur Beantwortung vieler der in diesem Bericht aufgeworfenen Ungewissheiten in Bezug auf das Feuerregime und die Emission, einschließlich der Entzündung und des Brennstofftyps. Wen könnte man besser fragen – und anführen – als die Menschen, die dort leben?

Schlussfolgerungen

Seit Mitte der 2000er Jahre haben die Emissionen aus der offenen Verbrennung von Biomasse oberhalb von 60∘ N zugenommen, wobei Brände oberhalb von 66∘ N früher im Jahr auftreten und später in der Vegetationsperiode brennen, was auf ein sich veränderndes arktisches Feuerregime hindeutet. Im Vergleich zu den anthropogenen Quellen im GAINS-Modell ist die Verbrennung von Biomasse bereits für mehr BC- und PM2,5-Emissionen verantwortlich als die anthropogenen Quellen nördlich von 60∘ N, einschließlich des Abfackelns von Begleitgas aus der Erdöl- und Erdgasförderung. Die zunehmende Länge der Feuersaison geht einher mit der Vorhersage einer zunehmenden Schwere der Brände, wobei Prognosen zufolge bereits im Jahr 2050 physisch nicht mehr beherrschbare Kronenbrände in den borealen Wäldern auftreten werden (Wotton et al., 2017). Künftige Emissionen aus Bränden sind schwer vorherzusagen, und hier sind weitere Arbeiten erforderlich. So sind beispielsweise die Emissionen aus funktionell unkontrollierbaren Bränden in borealen Wäldern aufgrund von Unsicherheiten bei der Beobachtung und Schätzung der Verbrennungseffizienz nicht gut quantifiziert (Xu et al., 2020). Ein besseres Verständnis der Zukunft arktischer Brände und Feueremissionen wird es uns auch ermöglichen, künftige Erdsystemprozesse besser vorherzusagen – sowohl in hohen Breitengraden als auch auf globaler Ebene.

Als Beitrag zur AMAP 2021-Bewertung von SLCFs wurde diese Überprüfung von politischen Fragen angetrieben, die von den Mitgliedsstaaten des Arktischen Rates (Tabelle S2) identifiziert wurden, und baut auf den Berichten von 2011 (AMAP, 2011) und 2015 (AMAP, 2015) auf, die einige Analysen und Diskussionen über natürliche, “halbnatürliche” (d. h. vom Menschen verursachte Entzündungen in Wildlandschaften) und landwirtschaftliche Feldbrände enthielten. Wir haben keine systematische Überprüfung der Literatur zur Brandforschung durchgeführt (Robinne et al., 2020), und die zitierte Literatur wurde nicht auf Einschränkungen oder Fehler geprüft. Die Autoren haben zwar versucht, veröffentlichte Literatur und offizielle Brandstatistiken für die sieben Staaten des Arktischen Rates zu zitieren, in denen offene Biomasseverbrennung betrieben wird (mit Ausnahme von Island), aber wir wissen, dass die über 200 von Fachleuten begutachteten Literatur- und Datenquellen, die für diese Untersuchung ausgewählt wurden, immer noch Verzerrungen enthalten können (Johnston et al., 2020). Diese Überprüfung ist ein Ausgangspunkt, eine Grundlage für zukünftige pan-arktische Forschungspläne für die Feuerüberwachung und notwendige systematische Überprüfungen (Haddaway et al., 2020) des zukünftigen Feuerrisikos, der Feueremissionen und der Feuerverhütung und -verwaltung in der Arktis – alles notwendig, um zukünftige arktische Feuerregime genau zu beschreiben.

Zukünftige arktische Feuerregime werden wahrscheinlich durch die Auswirkungen des Klimawandels auf Brennstoffe angetrieben, einschließlich der Wechselwirkungen zwischen Torf und Permafrost, Feuerwetter und Zündquellen sowie der Komplexität von Klima und Feuerstörungen, die die Vegetationstypen verändern (Tchebakova et al., 2009; Shuman et al., 2017). Der Konsens in der aktuellen Literatur ist, dass der Klimawandel und menschliche Aktivitäten das Brandrisiko in der Arktis erhöhen werden, und zwar durch vermehrte Blitzeinschläge, Auftauen des Permafrosts, den Übergang zu Gräsern, Taiga und trockenem Torf sowie durch mehr vom Menschen verursachte Brände. In Ostkanada wird die Ausdehnung der Laubwälder nach Norden das Brandrisiko wahrscheinlich verringern, was auch für Teile Südsibiriens und Fennoskandiens gelten könnte. Vom Menschen und durch Blitzschlag verursachte Brände werden angesichts der Ausweitung der Energiegewinnung, der Verkehrsnetze, des Tourismus und des Klimawandels wahrscheinlich zunehmen. Darüber hinaus sind arktische Landschaften komplex und weisen aufgrund polygonaler Tundra-Landformen (Lara et al., 2020), komplexer und endemischer Vegetationstypen und -gemeinschaften (Raynolds et al., 2019) sowie der Topografie (Morin et al., 2016) ein hohes Maß an lokaler Heterogenität auf. Zukünftige Studien zu Feueremissionen müssen mehrere Datensätze integrieren, um die arktischen Feuerregime genau zu quantifizieren (Masrur et al., 2018), einschließlich Klima, Permafrostbedingungen, oberirdische, oberflächliche und torfhaltige Brennstoffe, Topografie, Landnutzung, indigenes und lokales Feuermanagement, Saisonalität von Bränden und Zündquellen.

Menschliche Aktivitäten und Gemeinschaften in der Arktis müssen sich an das steigende Brandrisiko anpassen. Um sich auf diese Veränderungen im arktischen Feuerregime des 21. Jahrhunderts vorzubereiten, müssen evidenzbasierte Brandüberwachung und -management – einschließlich Präventionsstrategien – indigenes und lokales Wissen in der Arktis einbeziehen. Dies erfordert eine zunehmende transdisziplinäre Forschung (Sidorova, 2020), um Feuer im Norden zu verstehen und vorherzusagen, wie sich der Mensch an eine neue feuergefährdete Landschaft im Anthropozän anpassen kann und muss (Bowman et al., 2020), sowie eine pan-arktische Zusammenarbeit und Kooperation. Das Verständnis ökologischer Landschaftsveränderungen, die voraussichtlich in ganz Asien Russlands erheblich zunehmen werden, ist entscheidend für die Entwicklung tragfähiger Strategien für die langfristige wirtschaftliche und soziale Entwicklung in Vorbereitung auf die Klimamigration und die strategische Anpassungsplanung (Parfenova et al., 2019).

Die Rolle des Arktischen Rates als Akteur des Wandels in der Region ist vielversprechend, da er seine Rolle von der Politikinformation zur Politikgestaltung verlagert hat (Barry et al., 2020). In Anbetracht der extremen Feuersaison 2020 ist eine vom Arktischen Rat geleitete Initiative zur Überwachung, Verhütung und Verwaltung von Bränden in der gesamten Arktis für eine sich schnell verändernde Arktis dringend erforderlich (McCarty et al., 2020). Entsprechende Bemühungen sind bereits angelaufen, darunter das Arctic Wildland Fire Ecology Mapping and Monitoring Project (Arctic FIRE; https://www.caff.is/arcticfire, letzter Zugriff: 13. September 2021), das vom Gwich’in Council International, einem indigenen ständigen Teilnehmer, über die Arbeitsgruppe Conservation of Arctic Flora and Fauna (CAFF) des Arktischen Rates geleitet wird, sowie andere Aktivitäten des Arktischen Rates. Eine mögliche Ausweitung bestehender Bemühungen oder die Koordination mit neuen Initiativen, um die fünf anderen indigenen ständigen Teilnehmer einzubeziehen, sowie weitere Bemühungen der Wissenschafts- und Katastrophenschutzbehörden der acht Mitgliedsstaaten und das Fachwissen anderer Arbeitsgruppen des Arktischen Rates könnten die Art von gemeinschafts- und arktisbezogener Wissenschaft schaffen, die für eine pan-arktische Feuerpolitik benötigt wird, und die Fähigkeit der indigenen Völker der Arktis erhöhen, ihre arktischen Heimatgebiete (Wilson, 2020) zu überwachen und vor Feuerrisiken zu schützen und sich an das sich verändernde arktische Feuerregime anzupassen.

Code und Datenverfügbarkeit

Die GFEDv4s, FINNv1.5, GFASv1.2, QFEDv2.5r1 und FEERv1.0-G1.2 Brandemissionsdaten für 2005 bis 2018 wurden von https://globalfires.earthengine.app/view/firecam (Liu, 2020) heruntergeladen. Die AMAP SLCF EG 2018 pan-arktische Feueremissionsdatenbank kann unter https://doi.org/10.5281/zenodo.4648723 (Fain und McCarty, 2021) heruntergeladen werden, und der zur Berechnung verwendete R-Code kann unter https://github.com/fainjj heruntergeladen werden (letzter Zugriff: 13. September 2021). Die globalen GFAS-Emissionsdaten für 2020 wurden von https://apps.ecmwf.int/datasets/data/cams-gfas/ (Copernicus Atmosphere Monitoring Service Information, 2020) heruntergeladen. Weder die Europäische Kommission noch das ECMWF sind für die Verwendung der darin enthaltenen Informationen verantwortlich. Die globalen GAINS-Emissionsdaten können unter https://iiasa.ac.at/web/home/research/researchPrograms/air/Global_emissions.html abgerufen werden (Klimont und Heyes, 2019).

Ergänzung

Die Beilage zu diesem Artikel ist online verfügbar unter: https://doi.org/10.5194/bg-18-5053-2021-supplement.

Beiträge der Autoren

JLM koordinierte die Überprüfung, entwarf den Vergleich der Brandemissionsmodelle, leitete gemeinsam mit JJF die Erstellung des maßgeschneiderten AMAP-Brandemissionsmodells, archivierte die Literatur für die Überprüfung, schrieb das Manuskript und leitete die Überarbeitung. JA, VVP, ZK, SE, AV, SRA, NE, NMT, EIP, AJS und KK waren maßgeblich an der Gestaltung, Organisation und Überarbeitung des Papiers beteiligt. VVP, JJF, ZK und JLM leiteten die GAINS- und GFAS-Analyse. JJF, VVP, SE und JLM erstellten die Abbildungen und ergänzenden Materialien, wobei die übrigen Autoren mitwirkten. Alle Autoren trugen zur Interpretation und Verifizierung der Überprüfung sowie zum Verfassen des Manuskripts bei.

Gegensätzliche Interessen

Die Autoren erklären, dass sie sich in keinem Interessenkonflikt befinden.

Haftungsausschluss

Anmerkung des Herausgebers: Copernicus Publications bleibt neutral in Bezug auf juristische Ansprüche in veröffentlichten Karten und institutionelle Zugehörigkeiten.

Erklärung zur Sonderausgabe

Dieser Artikel ist Teil der Sonderausgabe “Arctic climate, air quality, and health impacts from short-lived climate forcers (SLCFs): contributions from the AMAP Expert Group (ACP/BG inter-journal SI)”. Er ist nicht mit einer Konferenz verbunden.

Danksagungen

Dieses Papier wurde im Rahmen des Arctic Monitoring Assessment Programme (AMAP), AMAP 2021 Assessment, erstellt: Arctic climate, air quality, and health impacts from short-lived climate forcers (SLCFs). Die Autoren danken dem Sekretariat des Arctic Monitoring and Assessment Programme für die Bereitstellung zusätzlicher Beiträge und die Überprüfung. Clayton (“C.J.”) Mescher (meschecj@miamioh.edu) wird für seine Beiträge bei der Gestaltung und Erstellung von Komponenten der wissenschaftlichen Originalgrafik in diesem Papier gedankt. Die Autoren möchten sich auch bei den drei anonymen Gutachtern bedanken, die mit ihren Bewertungen dieses Papier verbessert haben.

Finanzielle Unterstützung

Diese Forschung wurde unterstützt von der Universität Miami, dem finnischen Außenministerium (IBA Forest Fires, Entscheidung PC0TQ4BT-53); Business Finland (BC Footprint; Zuschuss Nr. 1462/31/2019); dem ACRoBEAR-Projekt, das von der Belmont Forum Climate, Environment and Health (CEH) Collaborative Research Action und dem UK Natural Environment Research Council (Zuschuss Nr. NE/T013672/1); das Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP); die Russische Stiftung für Grundlagenforschung (RFBR-Zuschuss Nr. 19-45-240004); ein gemeinsames Projekt der Regierung des Gebiets Krasnojarsk und der Russischen Stiftung für Grundlagenforschung (GKT KRFS und RFBR-Zuschuss Nr. 20-05-00540); das Wetter- und Datenanalyseprogramm der NASA; und der Climate Adaptation Research Fund von Environment and Climate Change Canada. Teile dieser Veröffentlichung wurden mit finanzieller Unterstützung der Europäischen Union im Rahmen der von der EU finanzierten “Action on Black Carbon in the Arctic” erstellt. Der Inhalt liegt in der alleinigen Verantwortung von Jessica L. McCarty, Ville-Veikko Paunu, Zbigniew Klimont und Justin J. Fain und spiegelt nicht unbedingt die Ansichten der Europäischen Union wider.

Erklärung zur Überprüfung

Dieses Papier wurde von Sandy Harrison herausgegeben und von drei anonymen Gutachtern geprüft.

Quellen/Original/Links:
https://bg.copernicus.org/articles/18/5053/2021/

Übersetzung:
https://www.deepl.com/de/translator

Geografin
Jessica McCarty

Jessica McCarty

Wissenschaftlerin und Mutter. Als Mutter ist es mir ein Anliegen, Kindern und unseren zukünftigen Generationen ein besseres Leben zu ermöglichen. Und das bedeutet, sich mit dem Klimawandel zu befassen – dort, wo wir leben, und für die globale Gemeinschaft. Schließen Sie sich mir an. Ich verwende Geowissenschaften und Daten, um die komplexen Zusammenhänge von Bränden… Weiterlesen »Jessica McCarty