Die Bewegung von Kohlenstoff zwischen Atmosphäre, Ozeanen und Kontinenten – der Kohlenstoffkreislauf – ist ein grundlegender Prozess, der das Klima der Erde reguliert. Einige Faktoren, wie Vulkanausbrüche oder menschliche Aktivitäten, geben Kohlendioxid in die Atmosphäre ab. Andere, wie Wälder und Ozeane, absorbieren dieses CO2. In einem gut regulierten System wird die richtige Menge CO2 emittiert und absorbiert, um ein gesundes Klima aufrechtzuerhalten. Die Kohlenstoffbindung ist eine Taktik im aktuellen Kampf gegen den Klimawandel.
Eine neue Studie zeigt, dass Form und Tiefe des Meeresbodens bis zu 50 % der Veränderungen in der Tiefe erklären, in der in den letzten 80 Millionen Jahren Kohlenstoff im Meer gebunden wurde. Bisher wurden diese Veränderungen anderen Ursachen zugeschrieben. Wissenschaftler wissen seit langem, dass der Ozean, der größte Kohlenstoffabsorber der Erde, die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre direkt steuert. Aber bis jetzt war nicht genau verstanden, wie sich Veränderungen der Meeresbodentopographie im Laufe der Erdgeschichte auf die Fähigkeit des Ozeans auswirken, Kohlenstoff zu binden.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
„Wir konnten zum ersten Mal zeigen, dass die Form und Tiefe des Ozeanbodens eine wichtige Rolle im langfristigen Kohlenstoffkreislauf spielen“, sagte Matthew Bogumil, der Hauptautor der Studie und Doktorand der Erd-, Planeten- und Weltraumwissenschaften an der UCLA.
Der langfristige Kohlenstoffkreislauf besteht aus vielen beweglichen Teilen, die alle auf unterschiedlichen Zeitskalen funktionieren. Einer dieser Teile ist die Bathymetrie des Meeresbodens – die mittlere Tiefe und Form des Meeresbodens. Diese wird wiederum von der relativen Position des Kontinents und der Ozeane, dem Meeresspiegel sowie der Strömung im Erdmantel bestimmt. Mit Paläoklimadatensätzen kalibrierte Kohlenstoffkreislaufmodelle bilden die Grundlage für das Verständnis der Wissenschaftler über den globalen marinen Kohlenstoffkreislauf und seine Reaktion auf natürliche Störungen.
„Typischerweise betrachten Kohlenstoffkreislaufmodelle der Erdgeschichte die Bathymetrie des Meeresbodens entweder als festen oder als sekundären Faktor“, sagte Tushar Mittal, Co-Autor der Studie und Professor für Geowissenschaften an der Pennsylvania State University.
Die neue Forschung rekonstruierte die Bathymetrie der letzten 80 Millionen Jahre und fügte die Daten in ein Computermodell ein, das die Kohlenstoffbindung im Meer misst. Die Ergebnisse zeigten, dass die Alkalität der Ozeane, der Kalzitsättigungszustand und die Karbonatkompensationstiefe stark von Veränderungen in flachen Teilen des Meeresbodens (etwa 600 Meter oder weniger) und von der Verteilung tieferer Meeresregionen (mehr als 1.000 Meter) abhingen. Diese drei Maße sind entscheidend, um zu verstehen, wie Kohlenstoff im Meeresboden gespeichert wird.
Die Forscher stellten außerdem fest, dass im aktuellen geologischen Zeitalter, dem Känozoikum, 33 bis 50 Prozent der beobachteten Schwankungen bei der Kohlenstoffbindung allein auf die Bathymetrie zurückzuführen sind. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Forscher durch die Nichtbeachtung der bathymetrischen Veränderungen Änderungen bei der Kohlenstoffbindung fälschlicherweise auf andere, weniger sichere Faktoren zurückführen, wie etwa atmosphärisches CO2, die Temperatur der Wassersäule sowie Silikate und Karbonate, die über Flüsse ins Meer gespült werden.
„Das Verständnis wichtiger Prozesse im langfristigen Kohlenstoffkreislauf kann Wissenschaftlern, die heute an Technologien zur Kohlendioxid-Entfernung aus dem Meer arbeiten, um den Klimawandel zu bekämpfen, bessere Informationen liefern“, sagte Bogumil. „Indem wir untersuchen, was die Natur in der Vergangenheit getan hat, können wir mehr über die möglichen Folgen und die Praktikabilität der Sequestrierung im Meer zur Eindämmung des Klimawandels erfahren.“
Dieses neue Verständnis, dass Form und Tiefe des Ozeanbodens möglicherweise den größten Einfluss auf die Kohlenstoffbindung haben, kann auch bei der Suche nach bewohnbaren Planeten in unserem Universum hilfreich sein.
„Wenn wir weit entfernte Planeten untersuchen, verfügen wir derzeit nur über eine begrenzte Anzahl von Werkzeugen, die uns Hinweise auf ihr Potenzial für Bewohnbarkeit geben“, sagte Co-Autorin Carolina Lithgow-Bertelloni, Professorin an der UCLA und Leiterin der Abteilung für Erd-, Planeten- und Weltraumwissenschaften. „Jetzt, da wir die wichtige Rolle der Bathymetrie im Kohlenstoffkreislauf verstehen, können wir die innere Entwicklung des Planeten direkt mit seiner Oberflächenumgebung verknüpfen, wenn wir Rückschlüsse aus JWST-Beobachtungen ziehen und die Bewohnbarkeit von Planeten im Allgemeinen verstehen.“
Der Durchbruch stellt erst den Anfang der Arbeit der Forscher dar.
„Da wir nun wissen, wie wichtig die Bathymetrie im Allgemeinen ist, wollen wir mithilfe neuer Simulationen und Modelle besser verstehen, wie sich unterschiedlich geformte Meeresböden konkret auf den Kohlenstoffkreislauf auswirken und wie sich dieser im Laufe der Erdgeschichte verändert hat, insbesondere in der Frühphase der Erde, als das meiste Land unter Wasser lag“, sagte Bogumil.
Mehr Informationen:
Matthew Bogumil et al., Die Auswirkungen der Bathymetrie auf den langfristigen Kohlenstoffkreislauf und CCD, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2400232121