Das CloudRoots-Projekt stellt eine einfache, aber tiefgreifende Frage: Wie interagiert der Amazonas-Regenwald mit seinen eigenen Wolken? In vielerlei Hinsicht tut er genau das. So wie Baumwurzeln im Boden die Bäume mit Wasser versorgen, fungiert der Wald selbst als eine Art „Wurzel“ für die Wolken in der Atmosphäre. Durch die winzigen Poren in den Blättern, die sogenannten Stomata, geben Billionen von Blättern Wasserdampf an die Luft ab. Warme aufsteigende Luftströmungen, sogenannte Thermiken, transportieren diese Feuchtigkeit nach oben und tragen so dazu bei, dass sich über dem Wald Wolken bilden und wachsen. Umgekehrt beeinflussen die Wolken den darunterliegenden Wald, indem sie die Menge des Sonnenlichts verändern, das das Blätterdach erreicht. Dies kühlt die Pflanzenoberflächen ab und wirkt sich auf die Photosynthese und die Kohlenstoffaufnahme aus. CloudRoots erforscht diesen wechselseitigen Dialog zwischen Wald und Atmosphäre über verschiedene Maßstäbe hinweg – von winzigen Blattporen bis hin zu Wolken in mehreren Kilometern Höhe über dem Amazonas. Das Projekt vereint Meteorologie, Ökophysiologie, Bodenbiochemie, Atmosphärenchemie und Physik. Ein Team aus Doktoranden, Postdoktoranden, Technikern und internationalen Wissenschaftler*innen treibt diese wahrhaft interdisziplinäre Initiative voran.
Die zentrale Feldkampagne fand im August 2022 während der Trockenzeit bei ATTO im zentralen Amazonas-Regenwald statt. Im Rahmen dieser Kampagne setzten die Wissenschaftler*innen hochmoderne Instrumente auf Messmasten, vertikale Sondierungen mit Ballons, Flugzeuge und Wolkenradare ein. Sie maßen, wie sich Energie, Wasser, Kohlendioxid und Turbulenzen zwischen dem Wald und der Atmosphäre bewegen. Ein umfassender Überblick über diese einzigartige Kampagne wurde in Vilà-Guerau de Arellano et al. (2022) vorgestellt, der zeigt, wie kombinierte Beobachtungen von Blättern, Baumkronen, Atmosphäre und Wolken dazu beitragen können, die Zukunft des Amazonas-Regenwaldes und seine Rolle im Klimasystem der Erde besser zu verstehen und darzustellen.
Unter dem dichten Blätterdach des Amazonas-Regenwaldes
Eine von Robbert Moonen geleitete CloudRoots-Studie beginnt im Unterholz, das kaum von Sonnenlicht erreicht wird. In dieser dunklen und feuchten Zone nahe dem Waldboden setzen Böden, Wurzeln und kleine Pflanzen kontinuierlich Kohlendioxid und Wasserdampf frei. Überraschenderweise verläuft der Austausch zwischen dieser Schicht und der Atmosphäre über den Bäumen weder gleichmäßig noch reibungslos. Er ist äußerst unregelmäßig und ähnelt eher einem Gespräch, das in plötzlichen Ausbrüchen stattfindet. Mithilfe extrem schneller Messungen, die 20 Mal pro Sekunde über dem Kronendach durchgeführt wurden, entdeckten die Forschenden, dass Windböen und vorbeiziehende Wolken feuchte, CO2-reiche Luftblasen aus dem Unterholz plötzlich nach oben in die Atmosphäre „spülen“ können. Diese turbulenten Ausstöße zeigen, wie der Wald auf dynamische und unregelmäßige Weise atmet.
Das Team kombinierte hochfrequente Beobachtungen von Wind, Feuchtigkeit und Temperatur mit Isotopenmessungen. So konnten sie unterscheiden, ob der freigesetzte Wasserdampf aus dem Boden oder aus den Bäumen selbst stammte. Diese Studie eröffnet neue Einblicke in den Kohlenstoff- und Wasseraustausch des Amazonas mit der Atmosphäre. Sie zeigt, dass der Regenwald nicht kontinuierlich mit dem Himmel kommuniziert, sondern durch sporadische Impulse, die von Turbulenzen, Wolken und Sonnenlicht gesteuert werden.
Wie Wälder und Wolken miteinander „kommunizieren“
Eine weitere Studie unter der Leitung von Raquel González-Armas konzentriert sich auf die schmale, aber entscheidende Grenzfläche, an der das dichte Kronendach auf die darüber liegende turbulente Atmosphäre trifft. An dieser Grenze ändert sich der Austausch von Kohlendioxid, Wasserdampf, Wärme und Impuls abrupt, da der Wald Turbulenzen, Strahlung (einschließlich des Verhältnisses zwischen direkter und diffuser Strahlung) und Luftfeuchtigkeit stark beeinflusst.
Die Studie zeigt, dass diese Austauschprozesse durch vorbeiziehende flache Cumuluswolken kontinuierlich gestört werden. Diese verstärken abwechselnd die Sonneneinstrahlung oder werfen innerhalb von Sekunden bis Minuten plötzlich Schatten auf das Blätterdach. Infolgedessen reagieren die Stomata – die mikroskopisch kleinen Poren auf den Blättern, die die Aufnahme von CO2 und die Abgabe von Wasserdampf regulieren – dynamisch auf sich rasch ändernde Umweltbedingungen. Die Forscher kombinierten detaillierte Beobachtungen innerhalb und oberhalb des Baumkronendachs mit mehrschichtigen Modellen. Dabei zeigen sie, dass Wälder und Wolken nicht getrennt voneinander untersucht werden können. Stattdessen bilden sie ein eng gekoppeltes System, das über verschiedene Skalen hinweg – vom Blatt bis zur atmosphärischen Grenzschicht – interagiert. Die durch Wolkenverstärkung, Wolkenbeschattung und Turbulenzen im Baumkronendach erzeugte Variabilität bestimmt maßgeblich den Austausch zwischen dem Regenwald und der Atmosphäre.
Daher ist es für die korrekte Darstellung des Kohlenstoff- und Wasseraustauschs im Regenwald in Wetter- und Klimamodellen unerlässlich, zu verstehen, wie sich die Spaltöffnungen unter schwankenden Lichtverhältnissen und Turbulenzen öffnen und schließen. Es ist daher entscheidend, dass Modelle innerhalb des Waldes selbst eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung aufweisen, um diese Variabilität zu erfassen.
Vom Boden bis zur freien Troposphäre
Kim Faassen und ihr Team untersuchten die Prozesse, die die täglichen Schwankungen von Kohlendioxid und Wasserdampf bestimmen, und zwar vom Walddach aus bis hinauf in die Atmosphäre. Die Wissenschaftler*innen kombinierten Messungen aus Flugzeugen und von hohen Messmasten im Amazonasgebiet mit Beobachtungen aus einem gemäßigten Wald in den Niederlanden. Um die Herkunft des Kohlenstoffs aufzudecken, maßen die Forscher zusätzliche Tracer wie Sauerstoff und das Kohlenstoffisotop Kohlenstoff-13 (δ13CO2). Diese Tracer wirken wie Fingerabdrücke und helfen den Forschenden zu bestimmen, ob der Kohlenstoff aus der Bodenatmung, der Pflanzenaktivität oder aus der Atmosphäre stammt, wo er von weit her transportiert wurde.
Sie fanden heraus, dass die tageszeitliche Entwicklung des atmosphärischen Kohlenstoffs nicht nur vom Wald selbst gesteuert wird, sondern auch von Prozessen, die weit entfernt von der Erdoberfläche stattfinden. Einer davon ist der Luftaustausch zwischen zwei atmosphärischen Schichten: der bodennahen atmosphärischen Grenzschicht und der darüber liegenden freien Troposphäre. Diese Schichten enthalten Luft mit unterschiedlichen Eigenschaften, und ihre Wechselwirkungen beeinflussen maßgeblich, wie sich die Kohlenstoff- und Feuchtigkeitskonzentrationen im Laufe des Tages verändern. Ein weiterer Prozess ist der Transport durch Wolken. Obwohl diese Prozesse in beträchtlicher Entfernung vom Wald stattfinden, haben sie einen stärkeren Einfluss auf die Kohlenstoffentwicklung als der Austausch an der Waldoberfläche selbst.
Die Studie macht deutlich, dass das Verständnis des Regenwaldes erfordert, den Wald und die Atmosphäre als ein zusammenhängendes System zu betrachten, das sich vom Boden bis in die freie Troposphäre erstreckt, wo Wolken und atmosphärische Transportprozesse die vom Wald abgegebenen Signale kontinuierlich neu gestalten.
Die Rolle der Wolken für die „Atmung“ des Amazonas-Regenwaldes
In Amazonien sind tiefe Wolken fast allgegenwärtig. Dennoch war ihr Einfluss auf den Transport von Kohlendioxid und Wasserdampf lange Zeit kaum verstanden. Eine von Vincent de Feiter geleitete CloudRoots-Studie zeigt, dass Wolken nicht nur passive atmosphärische Phänomene sind: Sie regulieren aktiv den Kohlenstoffaustausch zwischen der atmosphärischen Grenzschicht und der freien Troposphäre. Flache Konvektionswolken wirken wie atmosphärische Ventile und transportieren CO2-reiche Luft aus der bewaldeten Grenzschicht nach oben in die freie Troposphäre. Dadurch verändern sie die vertikale Verteilung und die tägliche Variabilität von Kohlenstoff und Feuchtigkeit über dem Regenwald grundlegend. Die Stärke und Effizienz dieses Transports hängen nicht nur von den vom Wald abgegebenen Oberflächenflüssen ab. Sie hängen auch von den thermodynamischen Bedingungen der freien Troposphäre ab, die die Wolkenbildung und die vertikale Durchmischung steuern.
Die Studie zeigt, dass eine fehlerhafte Darstellung von Wolkenprozessen zu erheblichen Unsicherheiten in den simulierten Tageszyklen von CO2 und H2O führen kann. Diese Ergebnisse unterstreichen, dass Wolken ein wesentlicher Bestandteil des Wald-Atmosphäre-Systems sind. Sie müssen in Atmosphären- und Klimamodellen genau dargestellt werden, um die Kopplung zwischen Wäldern, Konvektion und den globalen Wasser- und Kohlenstoffkreisläufen korrekt zu beschreiben.
© Jordi Vila
Mehr Informationen zum CloudRoots projekt auf: https://cloudroots.wur.nl/
Studien
Vilà-Guerau de Arellano et al. (2024). CloudRoots-Amazon22: Integrating Clouds with Photosynthesis by Crossing Scales. Bulletin of the American Meteorological Society.
Moonen et al. (2025). Amazon rainforest ecosystem exchange of CO₂ and H₂O through turbulent understory ejections. Atmospheric Chemistry and Physics, 25, 12197–12212.
González-Armas et al. (2025). Daytime water and CO₂ exchange within and above the Amazon rainforest. Agricultural and Forest Meteorology, 372, 110621.
Faassen et al. (2025). Tracing diurnal variations of atmospheric CO₂, O₂, and δ¹³CO₂ over a tropical and a temperate forest. Geophysical Research Letters, 52, e2025GL118016.
de Feiter et al. (2025). Turbulent exchange of CO2 in the lower tropical troposphere across clear‐to‐cloudy conditions. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 130, e2025JD044231.
Similar articles
Warme Luftmassen transportieren pflanzliche Emissionen aus dem Amazonaswald bis in zwölf Kilometer Höhe, wo sie in der Morgendämmerung wieder abgebaut werden
Luciane Reis und ihre Kolleg*innen haben nun eine neue Studie am ATTO-Standort durchgeführt, die zeigt, dass auch Böenfronten große Sprünge in der Kohlendioxid-Konzentration verursachen können. Aber was sind die Quellen dieser kohlendioxidreichen Luft?
Atmosphärische Aerosolpartikel sind für die Bildung von Wolken und Niederschlag essenziell und beeinflussen so den Energiehaushalt, den Wasserkreislauf und das Klima der Erde. Der Ursprung von Aerosolpartikeln in sauberer Luft über dem Amazonas-Regenwald während der Regenzeit ist bisher jedoch nicht geklärt. Eine neue Studie unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz zeigt, dass Regenfälle zur Neubildung großer Mengen von Nanopartikeln in der Luft über dem Blätterdach des Waldes führen.
In einer neuen Studie stellen Luca Mortarini und seine Kollegen einen neuartigen Ansatz zur Untersuchung der rauen Unterschicht vor, der ein kospektrales Budgetmodell verwendet. Die Originalität des Modells liegt darin, dass es die Mischungsschicht-Analogie zur Parametrisierung der Turbulenzstatistiken nicht berücksichtigt. Darüber hinaus werden sie mit den verschiedenen Skalen des Windgeschwindigkeitsspektrums in Beziehung gesetzt, ohne dass Annahmen über die Eigenschaften der Strömung getroffen werden.
Eiky Moraes, Cléo Dias-Júnior und ihre Kollegen wollten herausfinden, ob die lokale Topografie an ATTO die atmosphärischen Bewegungen beeinflusst. Insbesondere interessierten sie sich für die Auswirkungen der Topografie auf die Bildung von Schwerewellen. Der Vergleich von zwei Simulationen, eine mit und eine ohne Topografie, ergab einige wichtige Unterschiede in der Dynamik und Chemie der Atmosphäre.
Nur wenn sich die Luft im Inneren der Baumkronen mit der Luft darüber vermischt, kann ein Austausch stattfinden. Die physikalische Bewegung der Luft, ihre Turbulenz, bestimmt, wie gut sich diese beiden Luftschichten, die im Inneren des Kronendachs und die darüber, vermischen. Daniela Cava, Luca Mortarini, Cleo Quaresma und ihre Kollegen wollten mit zwei neuen Studien, die sie an ATTO durchgeführt haben, einige dieser Fragen beantworten. Sie wollten die verschiedenen Regime der atmosphärischen Turbulenz oder Stabilität definieren (Teil 1) und die räumlichen und zeitlichen Skalen der turbulenten Strukturen beschreiben (Teil 2).
In einer neuen Studie untersuchten Marco A. Franco und seine Kollegen, wann und unter welchen Bedingungen Aerosole eine für die Wolkenbildung relevante Größe erreichen. Solche Wachstumsereignisse sind im Amazonas-Regenwald relativ selten und folgen ausgeprägten tages- und jahreszeitlichen Zyklen. Die meisten davon finden tagsüber und während der Regenzeit statt. Aber das Team entdeckte auch einige bemerkenswerte Ausnahmen.
Es ist seit langem bekannt, dass Aerosole direkt und indirekt Wolken und Niederschlag beeinflussen. Aber nur sehr wenige Studien haben sich auf das Gegenteil konzentriert: die Frage, wie Wolken die Eigenschaften von Aerosolen verändern. Deshalb haben Luiz Machado und seine Kollegen diesen Prozess an ATTO untersucht. Konkret untersuchten sie, wie Wetterereignisse die Größenverteilung von Aerosolpartikeln beeinflussen.
Polari Corrêa und seine Co-Autoren analysierten die atmosphärische Dynamik in und über der Baumkrone während einer bestimmten Nacht an ATTO. Diese Bedingungen änderten sich im Laufe der Nacht. Auf die Turbulenzen folgten die Bildung einer Gravitationswelle und eines Tiefdruckgebiets. Dieser wurde wahrscheinlich durch die Brise vom Fluss Uatumã und das hügelige Gelände verursacht. Die Studie verdeutlicht die komplexen Dynamiken und Mechanismen in der Atmosphäre über einem dichten Wald.
Bioaerosole können als Wolkenkondensations- und Eiskerne wirken und damit die Bildung von Wolken und Niederschlägen beeinflussen. Bislang gibt es jedoch nur wenige Erkenntnisse über die Eiskernbildungsaktivität der einzelnen Bioaerosolgruppen, und atmosphärische Modelle haben bisher nicht zwischen ihnen unterschieden. Patade et al. erstellten eine neue empirische Parametrisierung für fünf Gruppen von Bioaerosolen, die auf der Analyse der Eigenschaften von Bioaerosolen an ATTO basiert: Pilzsporen, Bakterien, Pollen, pflanzlicher/tierischer/viraler Detritus und Algen. Dies ermöglicht es für jedes Wolkenmodell, die Rolle einer einzelnen Gruppe von Bioaerosolen bei der Veränderung der Wolkeneigenschaften und der Niederschlagsbildung zu erfassen.