Studie zeigt: Schwächere Meeresströmungen könnten CO₂-Anreicherung in der Atmosphäre verstärken

Mit fortschreitendem Klimawandel wird sich die Umwälzströmung des Ozeans voraussichtlich deutlich abschwächen. Wissenschaftler schätzen, dass der Ozean bei einer solchen Verlangsamung weniger Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnehmen wird.

Eine langsamere Zirkulation sollte jedoch auch weniger Kohlenstoff aus der Tiefsee holen, der sonst wieder in die Atmosphäre freigesetzt würde. Insgesamt sollte der Ozean seine Rolle bei der Reduzierung der Kohlenstoffemissionen aus der Atmosphäre beibehalten, wenn auch langsamer.

Eine neue Studie eines MIT-Forschers erschien in Naturkommunikation stellt fest, dass Wissenschaftler möglicherweise die Beziehung zwischen der Zirkulation des Ozeans und seiner langfristigen Fähigkeit, Kohlenstoff zu speichern, überdenken müssen. Wenn der Ozean schwächer wird, könnte er stattdessen mehr Kohlenstoff aus der Tiefsee in die Atmosphäre freisetzen.

Der Grund hierfür liegt in einer bislang nicht beschriebenen Rückkopplung zwischen dem im Ozean vorhandenen Eisen, aufsteigendem Kohlenstoff und Nährstoffen, Oberflächenmikroorganismen und einer wenig bekannten Klasse von Molekülen, die allgemein als „Liganden“ bezeichnet werden.

Wenn die Zirkulation des Ozeans langsamer wird, interagieren alle diese Akteure in einem sich selbst erhaltenden Kreislauf, der letztlich die Menge an Kohlenstoff erhöht, die der Ozean wieder in die Atmosphäre ausgast.

„Indem wir die Auswirkungen dieser Rückkopplung isolieren, erkennen wir eine grundsätzlich andere Beziehung zwischen der Meereszirkulation und dem Kohlenstoffgehalt der Atmosphäre mit Auswirkungen auf das Klima“, sagt Studienautor Jonathan Lauderdale, ein Wissenschaftler in der Abteilung für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften des MIT.

„Alles, was wir dachten, was im Ozean vor sich geht, wird völlig auf den Kopf gestellt.“

Laut Lauderdale zeigten die Ergebnisse: „Wir können uns nicht darauf verlassen, dass der Ozean als Reaktion auf künftige Veränderungen der Zirkulation Kohlenstoff in der Tiefsee speichert. Wir müssen jetzt aktiv werden und die Emissionen reduzieren, anstatt uns darauf zu verlassen, dass diese natürlichen Prozesse uns Zeit verschaffen, den Klimawandel abzumildern.“

Box-Flow

Im Jahr 2020 leitete Lauderdale eine Studie zur Erforschung von Meeresnährstoffen, Meeresorganismen und Eisen sowie der Frage, wie ihre Wechselwirkungen das Wachstum von Phytoplankton weltweit beeinflussen.

Phytoplankton sind mikroskopisch kleine, pflanzenähnliche Organismen, die auf der Meeresoberfläche leben und sich von Kohlenstoff und Nährstoffen ernähren, die aus der Tiefsee aufsteigen, sowie von Eisen, das mit dem Wüstenstaub hereinweht.

Je mehr Phytoplankton wachsen kann, desto mehr Kohlendioxid kann es durch Photosynthese aus der Atmosphäre aufnehmen, und dies spielt eine große Rolle für die Fähigkeit des Ozeans, Kohlenstoff zu binden.

Für die Studie aus dem Jahr 2020 entwickelte das Team ein einfaches „Boxmodell“, das die Bedingungen in verschiedenen Teilen des Ozeans als allgemeine Boxen darstellt, jede mit einem anderen Gleichgewicht von Nährstoffen, Eisen und Liganden – organischen Molekülen, die vermutlich Nebenprodukte des Phytoplanktons sind.

Das Team modellierte eine allgemeine Strömung zwischen den Kästen, um die größere Zirkulation des Ozeans darzustellen – die Art und Weise, wie Meerwasser in verschiedenen Teilen der Welt absinkt und dann wieder an die Oberfläche befördert wird.

Diese Modellierung ergab, dass selbst wenn Wissenschaftler die Ozeane mit zusätzlichem Eisen „anreichern“ würden, dieses Eisen keinen großen Einfluss auf das globale Phytoplanktonwachstum hätte. Der Grund dafür war eine durch Liganden gesetzte Grenze.

Es stellt sich heraus, dass Eisen, wenn es in seiner ursprünglichen Form bleibt, im Ozean unlöslich und daher für Phytoplankton nicht verfügbar ist. Eisen wird nur dann in „nützlichen“ Mengen löslich, wenn es mit Liganden verknüpft wird, die das Eisen in einer Form halten, die Plankton konsumieren kann.

Lauderdale fand heraus, dass die Aufnahme von Eisen in eine Meeresregion, um zusätzliche Nährstoffe zu verbrauchen, anderen Regionen Nährstoffe entzieht, die das dortige Phytoplankton zum Wachsen braucht. Dies verringert die Produktion von Liganden und die Eisenzufuhr in die ursprüngliche Meeresregion und begrenzt die Menge an zusätzlichem Kohlenstoff, der aus der Atmosphäre aufgenommen wird.

Unerwarteter Wechsel

Nachdem das Team seine Studie veröffentlicht hatte, überarbeitete Lauderdale das Boxmodell und brachte es in eine Form, die er öffentlich zugänglich machen konnte. Dabei bezog er auch den Kohlenstoffaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre mit ein und erweiterte die Boxen, um vielfältigere Umgebungen abzubilden, etwa Bedingungen ähnlich denen im Pazifik, im Nordatlantik und im Südpolarmeer.

Dabei prüfte er weitere Wechselwirkungen innerhalb des Modells, unter anderem den Einfluss unterschiedlicher Meeresströmungen.

Er ließ das Modell mit unterschiedlichen Zirkulationsstärken laufen und erwartete, dass bei schwächerer Meeresumwälzung weniger Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangt – ein Zusammenhang, den auch frühere Studien seit den 1980er Jahren bestätigt hatten. Stattdessen fand er jedoch einen klaren, entgegengesetzten Trend: Je schwächer die Meereszirkulation, desto mehr CO2 reicherte sich in der Atmosphäre an.

„Ich dachte, es sei ein Fehler“, erinnert sich Lauderdale. „Warum tendierten die Kohlenstoffwerte in der Atmosphäre in die falsche Richtung?“

Als er das Modell überprüfte, stellte er fest, dass der Parameter, der die Liganden im Ozean beschreibt, als Variable „ein“ gelassen worden war. Mit anderen Worten berechnete das Modell die Ligandenkonzentrationen als sich von einer Ozeanregion zur anderen ändernd.

Lauderdale hatte eine Ahnung und schaltete diesen Parameter aus, wodurch die Ligandenkonzentrationen in jeder modellierten Meeresumgebung konstant blieben – eine Annahme, die viele Meeresmodelle normalerweise machen. Diese eine Änderung kehrte den Trend um und führte zurück zur angenommenen Beziehung: Eine schwächere Zirkulation führte zu weniger Kohlendioxid in der Atmosphäre. Aber welcher Trend war näher an der Wahrheit?

Lauderdale untersuchte die spärlichen verfügbaren Daten zu Ozeanliganden, um herauszufinden, ob ihre Konzentrationen im tatsächlichen Ozean konstanter oder variabler sind. Eine Bestätigung dafür fand er in GEOTRACES, einer internationalen Studie, die Messungen von Spurenelementen und Isotopen in den Weltmeeren koordiniert und mit deren Hilfe Wissenschaftler die Konzentrationen von Region zu Region vergleichen können.

Tatsächlich variierten die Konzentrationen der Moleküle. Wenn sich die Ligandenkonzentrationen von einer Region zur anderen tatsächlich ändern, dann war sein überraschendes neues Ergebnis wahrscheinlich repräsentativ für den realen Ozean: Eine schwächere Zirkulation führt zu mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre.

„Es ist dieser eine seltsame Trick, der alles verändert hat“, sagt Lauderdale. „Der Ligandenwechsel hat diese völlig andere Beziehung zwischen der Meereszirkulation und dem atmosphärischen CO2 enthüllt, von der wir dachten, wir hätten sie ziemlich gut verstanden.“

Langsamer Zyklus

Um herauszufinden, was den umgekehrten Trend erklären könnte, analysierte Lauderdale die biologische Aktivität sowie die Kohlenstoff-, Nährstoff-, Eisen- und Ligandenkonzentrationen des Ozeanmodells unter verschiedenen Zirkulationsstärken und verglich Szenarien, in denen die Liganden in den verschiedenen Boxen unterschiedlich oder konstant waren.

Dabei zeigte sich eine neue Rückkopplung: Je schwächer die Zirkulation im Ozean, desto weniger Kohlenstoff und Nährstoffe zieht der Ozean aus der Tiefe nach oben. Phytoplankton an der Oberfläche hat dann weniger Ressourcen zum Wachsen und produziert infolgedessen weniger Nebenprodukte (einschließlich Liganden).

Wenn weniger Liganden verfügbar wären, wäre weniger Eisen an der Oberfläche nutzbar, was die Phytoplanktonpopulation weiter reduzieren würde. Dann stünde weniger Phytoplankton zur Verfügung, um Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufzunehmen und aufsteigenden Kohlenstoff aus der Tiefsee zu verbrauchen.

„Meine Arbeit zeigt, dass wir genauer untersuchen müssen, wie die Meeresbiologie das Klima beeinflussen kann“, betont Lauderdale. „Einige Klimamodelle prognostizieren eine 30-prozentige Verlangsamung der Meeresströmungen aufgrund schmelzender Eisschichten, insbesondere rund um die Antarktis.“

„Diese enorme Verlangsamung der Umwälzströmung könnte tatsächlich ein großes Problem darstellen: Neben einer Reihe anderer Klimaprobleme würde der Ozean nicht nur weniger vom Menschen verursachtes CO2 aus der Atmosphäre aufnehmen, sondern dies könnte durch eine Nettoentgasung von Kohlenstoff aus der Tiefsee noch verstärkt werden, was zu einem unerwarteten Anstieg des CO2-Gehalts in der Atmosphäre und einer unerwarteten weiteren Klimaerwärmung führen würde.“

Diese Geschichte wird mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Site mit Neuigkeiten zu Forschung, Innovation und Lehre am MIT.