Manchmal verlässt Jonathan Williams das Camp, wenn es noch dunkel ist. Er steigt aus seiner Hängematte, schlüpft in feste Schuhe und marschiert los. Sein Weg durch die Nacht führt ihn an Baumriesen vorbei, an versteckten Schlangen, Spinnen und Käfern, die Tellerformat erreichen, wenn sie ihre Flügel ausbreiten, und brummend umherschwirren. Nach einem kurzen Marsch erreicht Williams einen roten Stahlturm, der mitten im Regenwald in den noch fahlen Himmel ragt. Aus der Finsternis des Waldes steigt Williams dann Stufe für Stufe empor, bis er die Aussichtsplattform in 325 Meter Höhe erreicht.

Eine halbe Stunde dauere der Aufstieg, aber bereut habe er ihn noch nie, erzählt Jonathan William am Telefon. Wenn er oben ankomme, dämmere es bereits. Diesen Moment genießt er jedes Mal: nur der Himmel und der Wald und mittendrin er, der Wissenschaftler. Kaum fallen die ersten Sonnenstrahlen auf die Baumkronen, verwandelt sich das endlose dunkle Nichts in jenen grünen Teppich, den er bei der Anreise vom Flugzeug aus sehen konnte. Dann bildet sich Dampf über den Wipfeln, die Luft trägt Düfte empor, und er entdeckt kleine Farbtupfer: Papageien, die von Baum zu Baum fliegen. Es sei der Moment, in dem die Größe und Schönheit und Einzigartigkeit des Regenwalds im brasilianischen Amazonasgebiet am ehesten begreifbar werden. 

Für seine nächtlichen Ausflüge gibt er „touristische Gründe“ an, aber Williams ist beruflich dort. Ein-, zweimal im Jahr wechselt der Engländer vom Schreibtisch am Mainzer Max-Planck-Institut für Chemie ins tropische Amazonien, um den größten zusammenhängenden Regenwald des Planeten aus nächster Nähe und luftiger Höhe zu erforschen. ATTO heißt das Projekt, kurz für Amazonian Tall Tower Observatory, das Williams koordiniert und das die Max-Planck-Gesellschaft zusammen mit der brasilianischen Regierung vor einigen Jahren initiierte. Herzstück des Projekts ist der 325 Meter emporragende Stahlturm in Brasilien, an dem „wir den Atem des Regenwalds messen“, wie der Atmosphärenchemiker es ausdrückt, und zwar in unterschiedlichen Höhen. Gemeint sind die komplexen Kreisläufe in diesem gewaltigen Ökosystem, etwa des Kohlenstoffs, faszinierend ist auch der Wasserkreislauf. Schon Kinder lernen, dass der Regenwald sein eigenes Wetter produziert, da gefallener Regen schnell verdunstet, somit neue Wolken in den Himmel wachsen oder genauer: sich eine eigene feuchte Atmosphärenschicht bildet. Schwebende Flüsse nennen Wissenschaftler dieses hydrologische Wunder, das dafür sorgt, dass vom Atlantik anrückende Regenfronten weit in den Kontinent vordringen und sich verstärken können – so eine eigene Zirkulation schaffen, die Regennachschub sichert und das Risiko für eine Dürre senkt.

 Die grünen Urwaldriesen recyceln den Regen, indem sie das Wasser gleich wieder verdampfen lassen oder über die Wurzeln in die Kronen pumpen, wo es über die Blätter verdunstet. Evapotranspiration nennen Hydrologen diesen Prozess: Der Wald schwitzt, bildet Wolken, Regen fällt. Dieses System reguliert den Wasserkreislauf und bildet die Lebensgrundlage für Mensch und Tier. Zudem schirmt das Blätterdach die dünne, sensible Bodenschicht vor der senkrecht stehenden Sonne in den Tropen ab, schützt sie dadurch vor Austrocknung und Erosion. Genau verstanden ist dieser regionale Wasserkreislauf trotzdem noch nicht. Wie viel Regen der Wald selbst erzeugt und welche Mechanismen dabei ineinandergreifen, das sind Forschungsfragen, denen die Wissenschaftler um Jonathan Williams nachgehen – und die sie bald beantworten möchten. Die Schätzungen zum recycelten Regen liegen beispielsweise weit auseinander, reichen von einem bis drei Viertel. Unklar ist zudem, an welchem kritischen Punkt die Kreisläufe zusammenbrechen, wann also der Waldverlust das ganze System bedroht. Um diese Fragen beantworten zu können, wurde das ATTO-Projekt ins Leben gerufen. Mit dem Ziel, den Regenwald und seine Austauschprozesse mit Boden sowie Atmosphäre genauer zu verstehen – und den Einfluss des Klimawandels zu klären, um diesen exakter modellieren zu können. Deshalb haben sich die Wissenschaftler diesen Ort fernab der Zivilisation ausgesucht. Einen Ort ohne Fabriken, Kamine und Abgase, die ihre empfindlichen Messungen stören könnten. Errichtet wurde das monströse Bauwerk 150 Kilometer nordöstlich von Manaus, inmitten des schier unendlichen Regenwalds mit seinem einzigartigen Ökosystem. Die Anreise per Flugzeug, Boot und Jeep ist aufwendig und dauert sehr lange, aber nur so lassen sich unverfälschte Daten erhalten. Die Atmosphärenforscher, Biologen und Chemiker wollen zudem die Frage beantworten, was aus dem Regenwald wird, wenn ihm der Klimawandel weiter einheizt. Hitze und Dürre bedrohen das Naturparadies; Landnahme, Abholzung und Brände besorgen den Rest. Die Zukunft ist nicht sicher und klar nur eines: Ohne Urwaldriesen hat Amazonien keine Chance.

Einige Wissenschaftler gehen davon aus, dass das empfindliche Ökosystem Amazonas bereits kippt. Dann könnte sich das gigantische Kohlenstoffreservoir in eine Kohlenstoffquelle verwandeln, aus der mehr CO₂ entweicht, als darin eingelagert werden kann. Sie fragen sich, was aus dem Regenwald wird, wenn der Normalzustand Dürre heißt: Kollabiert dann der Wasserkreislauf, und verwandelt sich der Regenwald in eine Savanne? Was wird aus der Artenvielfalt?

Die Dürre ist eine der Hauptfragen, um die sich auch Williams’ Forschung dreht. Klimamodelle deuten jedenfalls darauf hin, dass künftig häufiger damit zu rechnen ist, was Beobachtungen aus den letzten Jahren untermauern: 2005, 2010 und 2015 suchten drei schwere Dürren Amazonien heim. In manchen Regionen verlängerte sich die Trockenzeit von vier auf fast fünf Monate. 

Das alles bleibt nicht folgenlos, weder für die schätzungsweise 400 Milliarden Bäume noch für die Kreisläufe, die damit verbunden sind. Beim Kohlenstoff könnte bereits ein Wendepunkt erreicht sein, rechnete im Sommer 2021 ein Forscherteam von der brasilianischen Weltraumbehörde INPE im Fachmagazin Nature vor. Demnach habe sich Amazonien bereits in eine Region verwandelt, die unterm Strich mehr CO₂ in die Atmosphäre abgebe, als sie ihr entziehe. Zu diesem Ergebnis kamen die Forscher um Luciana Gatti nach 590 Messflügen über vier verschiedenen Regenwaldgebieten im Zeitraum von 2010 bis 2018 und ermittelten so die jeweiligen Kohlenstoffbilanzen. Vor allem der östliche Teil weise höhere Kohlendioxidemissionen auf, fanden die Forscher heraus. Ganz Ostamazonien ist demnach schon eine Kohlenstoffquelle, und da waren die Feuerjahre 2019 bis 2021 noch gar nicht eingerechnet. Aber die hohen Emissionen überraschen nicht, weil die Abholzung in den östlichen Gebieten in den vergangenen vierzig Jahren schneller voranschritt als im Westen. Ungefähr ein Sechstel des Regenwalds im Osten wurde zerstört und in Acker- oder Weideland umgewandelt. Die Temperaturen und die Feuergefahr sind seit 1979 stark angestiegen, das offene Land erwärmt sich stärker als der dichte, feuchte Regenwald; Dürre und Hitze setzen der Region vermehrt zu.

Zu ähnlich deprimierenden Ergebnissen waren 2021 auch Forscher der NASA anhand von Satellitendaten gekommen. „Die Fähigkeit der tropischen Regenwälder, Kohlenstoff zu speichern, schwindet“, lautete das Fazit der in Science Advances veröffentlichten Studie. Betroffen davon sind hauptsächlich die Regenwälder in Südamerika und Südostasien, wo die Abholzung stark zugenommen hat. Unterm Strich gehen diese Autoren davon aus, dass der Amazonaswald mittlerweile gleich viel Kohlenstoff speichere, wie er in die Atmosphäre abgebe. Damit scheidet dieser als natürliche Senke aus.

Besonders viel Kohlenstoff emittieren südamerikanische Regenwälder während El Niño. Das gefürchtete Wetterphänomen tritt alle paar Jahre auf und lässt Amazonien austrocknen, während an der Westküste heftiger Regen fällt. Im Jahr 2015 wirkte El Niño zuletzt besonders heftig, selbst im tiefsten Regenwald fiel über Wochen kein Tropfen vom Himmel. Jonathan Williams war zu dieser Zeit im Camp und berichtet noch heute schockiert von dem, was er sah. Die Blätter hingen traurig herunter, die Sprösslinge waren alle abgestorben. „Normalerweise regnet es auch in der Trockenzeit“, erzählt er, aber damals habe sich keine Regenwolke in den Regenwald verirrt. Das Amazonasbecken war 2015 auch deshalb so heftig von der Dürre betroffen, weil dort schon vor Beginn von El Niño Trockenheit herrschte.

Erschreckend trocken wurde es auch in dem Waldstück, in dem sich die Freiburger Professorin Christiane Werner vor zwei Jahren aufhielt. „Kleine Erde“ nennt die Biologin diesen Regenwald liebevoll, er wächst mitten in der Wüste von Arizona, umgeben von einer riesigen Glaskuppel, dem Forschungslabor Biosphere 2. In diesem Gebäudekomplex, in dem vor dreißig Jahren acht Wissenschaftler das Leben auf einem fremden Planeten simulieren wollten und kläglich scheiterten, gedeiht unter künstlichen Bedingungen ein tropisches Ökosystem, in das der Mensch kaum eingreift. Hier lässt sich unter kontrollierten Bedingungen erforschen, mit welchen Strategien die Bäume auf Trockenheit reagieren. Also spielte Christiane Werner Wettergott, drehte dem Wald das Wasser ab, setzte Flüsse und Wasserfälle trocken, simulierte fünf Monate Dürre. Die erste Reaktion ließ nicht lange auf sich warten: „Wenn es trocken wird, schließt der Baum die Spaltöffnungen“, sagt sie, das sei eine typische Schutzfunktion. Manche Baumarten reagierten sofort, andere waren deutlich toleranter, zum Beispiel jene mit dicken Hartlaubblättern. Doch das hat seinen Preis: Gute Dürreanpassung gehe immer auf Kosten der Produktivität.

Das zeigte sich zur Überraschung der Forscher selbst während der Dürre in Biosphere 2: Gerade die extrem produktiven, großen Bäume reagierten am empfindlichsten, schlossen sofort die Spaltöffnungen, über die Wasserdampf nach draußen dringt und die dem Gasaustausch dienen, und warfen ihre Blätter ab. „Nach kurzer Zeit sah es aus wie im Herbst“, erinnert sich Werner. Zudem beobachteten die Forscher, wie die Bäume ihren Stoffwechsel herunterfuhren, den Verbrauch drosselten und die letzten Reserven des Tiefenwassers erst ganz zum Schluss anzapften. Jeder Baum reagierte anders. Und gerade dieses Zusammenspiel verleihe einem Wald jene Pufferfunktion, die er benötigt, um eine längere Dürre zu überstehen, ist Werner überzeugt. Intakte, artenreiche Wälder können Dürren also besser überstehen als geschundene. 

Im Kohlenstoffkreislauf war eine ähnliche Trägheit zu beobachten: „Alle Prozesse verlangsamten sich, sobald der Regen ausblieb“, sagt Werner. Die Wurzeln erkannten die Trockenheit früh, weil der Oberboden austrocknete, und sie gaben ihre Informationen über Phytohormone rasch an die Blätter weiter. Mit sündhaft teuren Tracergasen konnten die Biologen den Weg des Kohlenstoffs nachverfolgen und wurden Zeuge, wie dieser von der Aufnahme durch die Photosynthese in den Blättern weiter in die Äste und in den Stamm transportiert wurde und von dort immer weiter nach unten wanderte. Ewig sei das gegangen, erinnert sich Werner. Träge reagierten die Bäume aber auch auf das Ende der Dürre. Als Werner den Wasserhahn wieder aufdrehte, blieben einige Bäume zunächst im Schutzmodus, pumpten das auf sie niedergegangene Wasser nicht sofort in die Blätter, sondern lagerten es erst einmal im Stamm ein.

Zwar wurde der Stoffwechsel während der Dürre heruntergeregelt, aber die Produktion der flüchtigen organischen Verbindungen war hingegen dynamisch. Bäume verströmen solche „volatile organic compounds“, kurz VOC, und geben diese als Gas oder Dampf an die Atmosphäre ab, wo sie mit Molekülen der Luft reagieren. Diese Substanzen locken mitunter Insekten an oder dienen der Kommunikation von Baum zu Baum. Als erste Reaktion auf die Trockenheit maß das Team von Christiane Werner einen starken Anstieg der Kohlenwasserstoffverbindung Isopren, mit der sich Pflanzen vor Hitze und starker UV-Strahlung zu schützen versuchen. Anschließend setzten die Pflanzen große Mengen von Monoterpenen frei, die man zum Beispiel im Kiefernöl riecht oder vielleicht als das Harz kennt, das im Sommerurlaub das Zelt verklebt: ein Zeichen von Stress.

Organische Kohlenstoffverbindungen, die aus der Vegetation stammen, stehen unter besonderer Beobachtung von Christiane Werner und ihrem Kollegen Jonathan Williams, der ebenfalls in Biosphere 2 forschte. Gerade die erwähnten Monoterpene spielen eine wichtige Rolle bei der Bildung von Aerosolen, die wiederum Wolken und anschließend Regen entstehen lassen. Die beiden Forscher stellen sogar die Hypothese auf, dass Bäume unter Trockenstress mehr Monoterpene gezielt absondern, um Wolken zu bilden und Regen auszulösen. Wie dieser Prozess funktioniert und zu welcher Tageszeit, das möchte Williams nun endlich besser verstehen, und zwar am Stahlturm unter realen Bedingungen. Denn durch das Glasdach der Biosphere 2 dringt kein UV-Licht – viele der chemischen Reaktionen, die normalerweise in der freien Atmosphäre ablaufen, bleiben deshalb aus.

Auch das ist ein Grund, warum Jonathan Williams so gerne in aller Frühe auf den Turm klettert. Er möchte dabei sein, wenn der Duftcocktail und die darin enthaltenen hochreaktiven organischen Verbindungen den Turm emporströmen. Das passiert immer kurz nach Sonnenaufgang. Wenn der Regenwald erwacht.