Ein internationales Team von Wissenschaftlern sammelte akribisch Daten aus mehr als 50 Jahren wissenschaftlicher Bohrmissionen auf See, um eine einzigartige Studie über organischen Kohlenstoff durchzuführen, der auf den Grund des Ozeans fällt und tief in den Planeten gezogen wird.
Ihre Studie, veröffentlicht diese Woche in Naturdeutet darauf hin, dass die Klimaerwärmung die Einlagerung von organischem Kohlenstoff verringern und die Menge an Kohlenstoff erhöhen könnte, die in die Atmosphäre zurückgeführt wird, da wärmere Meerestemperaturen die Stoffwechselraten von Bakterien erhöhen könnten.
Forscher der Rice University, der Texas A&M University, der University of Leeds und der Universität Bremen analysierten Daten aus Bohrkernen schlammiger Meeresbodensedimente, die während 81 der mehr als 1.500 Schiffsexpeditionen des International Ocean Discovery Program (IODP) und gesammelt wurden seine Vorgänger. Ihre Studie liefert die bis dato detaillierteste Bilanz der Einlagerung von organischem Kohlenstoff in den letzten 30 Millionen Jahren und deutet darauf hin, dass Wissenschaftler noch viel über die Dynamik des langfristigen Kohlenstoffkreislaufs der Erde lernen müssen.
„Was wir feststellen, ist, dass die Vergrabung von organischem Kohlenstoff sehr aktiv ist“, sagte der Co-Autor der Studie, Mark Torres von Rice. „Es verändert sich stark und reagiert viel mehr auf das Klimasystem der Erde, als Wissenschaftler bisher angenommen haben.“
Der korrespondierende Autor des Papiers, der texanische A&M-Ozeanograph Yige Zhang, sagte: „Wenn sich unsere neuen Rekorde als richtig herausstellen, werden sie unser Verständnis des organischen Kohlenstoffkreislaufs stark verändern. Während wir den Ozean erwärmen, wird es wird es für organischen Kohlenstoff schwieriger machen, seinen Weg zu finden, um im marinen Sedimentsystem begraben zu werden.
Kohlenstoff ist der Hauptbestandteil des Lebens, und Kohlenstoff zirkuliert ständig zwischen der Erdatmosphäre und der Biosphäre, wenn Pflanzen und Tiere wachsen und sich zersetzen. Kohlenstoff kann auch auf einer Reise durch die Erde wandern, die Millionen von Jahren dauert. Es beginnt an tektonischen Subduktionszonen, wo die relativ dünnen tektonischen Platten auf Ozeanen unter dickere Platten gezogen werden, die auf Kontinenten sitzen. Die nach unten tauchende ozeanische Kruste erwärmt sich, wenn sie sinkt, und der größte Teil ihres Kohlenstoffs kehrt als Kohlendioxid (CO2) von Vulkanen in die Atmosphäre zurück.
Wissenschaftler haben lange die Menge an Kohlenstoff untersucht, die in Meeressedimenten vergraben wird. Bohrkerne vom Meeresboden enthalten Sedimentschichten, die sich über zig Millionen Jahre abgelagert haben. Mithilfe radiometrischer Datierung und anderer Methoden können Forscher feststellen, wann bestimmte Sedimente abgelagert wurden. Wissenschaftler können auch viel über vergangene Bedingungen auf der Erde lernen, indem sie Mineralien und mikroskopisch kleine Skelette von Organismen untersuchen, die in Sedimenten eingeschlossen sind.
„Es gibt zwei Isotope von Kohlenstoff – Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13“, sagte Torres, Assistenzprofessor am Department of Earth, Environmental and Planetary Sciences von Rice. „Der Unterschied ist nur ein Neutron. Kohlenstoff-13 ist also nur ein bisschen schwerer.
„Aber das Leben ist faul, und wenn etwas schwerer ist – auch nur ein kleines bisschen – ist es schwieriger zu bewegen“, sagte Torres. „Das Leben bevorzugt also das leichtere Isotop, Kohlenstoff-12. Und wenn Sie eine Pflanze anbauen und ihr CO2 geben, nimmt sie tatsächlich bevorzugt das leichtere Isotop auf. Das bedeutet, dass das Verhältnis von Kohlenstoff-13 zu -12 in der Pflanze sinkt niedriger sein – weniger 13 enthalten – als in dem CO2, das Sie der Pflanze zugeführt haben.“
Seit Jahrzehnten verwenden Wissenschaftler Isotopenverhältnisse, um die relativen Mengen an anorganischem und organischem Kohlenstoff zu untersuchen, die zu bestimmten Zeitpunkten in der Erdgeschichte verschüttet wurden. Basierend auf diesen Studien und Berechnungsmodellen, sagte Torres, seien Wissenschaftler weitgehend davon ausgegangen, dass sich die Menge an Kohlenstoff, die vergraben wird, in den letzten 30 Millionen Jahren nur sehr wenig verändert habe.
Zhang sagte: „Wir hatten diese Idee, die tatsächlichen Daten zu verwenden und ihre Verschüttungsraten für organischen Kohlenstoff zu berechnen, um die globale Verkohlung zu berechnen. Wir wollten sehen, ob diese ‚Bottom-up‘-Methode mit der traditionellen Methode der Isotopenberechnung übereinstimmt, das ist eher ‚von oben nach unten‘.“
Die Aufgabe, Daten von IODP-Expeditionen zusammenzustellen, fiel der Studienerstautorin Ziye Li aus Bremen zu, die damals Gaststudentin in Zhangs Labor bei A&M war.
Zhang sagte, die Ergebnisse der Studie seien schockierend.
„Unsere neuen Ergebnisse sind sehr unterschiedlich – sie sind das Gegenteil von dem, was die Isotopenberechnungen vermuten lassen“, sagte er.
Zhang sagte, dies sei besonders während einer Periode namens mittleres Miozän vor etwa 15 Millionen Jahren der Fall. Herkömmliche wissenschaftliche Erkenntnisse besagten, dass eine große Menge an organischem Kohlenstoff um diesen Abschnitt herum vergraben war, wie die an organischen Stoffen reiche „Monterey-Formation“ in Kalifornien veranschaulicht. Die Ergebnisse des Teams deuten stattdessen darauf hin, dass in diesem Zeitraum in den letzten 23 Millionen Jahren die kleinste Menge an organischem Kohlenstoff vergraben wurde.
Er beschrieb das Papier des Teams als den Beginn einer potenziell wirkungsvollen neuen Methode zur Analyse von Daten, die zum Verständnis und zur Bewältigung des Klimawandels beitragen könnten.
„Es ist die Neugier der Leute, aber ich möchte es auch informativer darüber machen, was in Zukunft passieren wird“, sagte Zhang. „Wir machen mehrere Dinge sehr kreativ, um Paläodaten wirklich zu nutzen, um uns über die Gegenwart und Zukunft zu informieren.“
Mehr Informationen:
Ziye Li et al, Neogene Bestattung von organischem Kohlenstoff im globalen Ozean, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05413-6