Untersuchungen enthüllen Kohlendioxidquellen aus Vulkanen im Aleuten-Alaska-Bogen

Wissenschaftler haben sich gefragt, was mit dem organischen und anorganischen Kohlenstoff passiert, den die Pazifische Platte der Erde mit sich führt, wenn sie entlang des von Vulkanen übersäten Feuerrings in das Innere des Planeten gleitet.

Eine neue Studie legt nahe, dass eine beträchtliche Menge dieses subduzierten Kohlenstoffs in die Atmosphäre zurückkehrt, anstatt tief in den Erdmantel einzudringen.

Der Befund kann langfristige Prognosen über das Erdklima verbessern.

Eine von einem Wissenschaftler des Fairbanks Geophysical Institute der University of Alaska durchgeführte Studie hat gezeigt, dass Vulkane des Aleuten-Alaska-Bogens mehr subduzierten Plattenkohlenstoff als Kohlendioxid in die Atmosphäre zurückgeben als bisher angenommen. Dies geschieht durch einen Prozess, der als Recycling bezeichnet wird.

Die wissenschaftliche Mitarbeiterin Taryn Lopez ist die Hauptautorin der heute in der Zeitschrift veröffentlichten Forschungsergebnisse Wissenschaftliche Fortschritte. Die 12 Co-Autoren kommen von Institutionen in Kalifornien, New Mexico, New York, Rhode Island, dem US-Bundesstaat Washington und Washington, D.C. sowie aus Italien und Neuseeland.

„Während wir jetzt eine ziemlich gute Vorstellung davon haben, wie viel Kohlenstoff durch Subduktion in das Erdinnere getrieben wird und wie viel durch Vulkane in die Atmosphäre freigesetzt wird, müssen wir noch viel darüber lernen, was mit dem Kohlenstoff passiert, nachdem er subduziert wurde und was.“ „Der Bruchteil wird in die Atmosphäre zurückgeführt“, sagte Lopez.

Der Aleuten-Alaska-Bogen, der sich vom Cook Inlet nach Westen über die Aleuten-Inseln erstreckt, weist in seiner Kruste und subduzierten Platte weniger Kohlenstoffquellen auf als die meisten Vulkanbögen auf der ganzen Welt. Dies ermöglicht es, Kohlenstoff während des Subduktionszyklus zu verfolgen und eine bessere Vorstellung davon zu bekommen, wie viel subduzierter Kohlenstoffvulkane in die Atmosphäre zurückkehren.

Kohlenstoff, der zu Bogenvulkanen zurückgeführt wird – solchen, die sich über einer Subduktionszone einer ozeanischen Platte befinden – stammt von drei Orten: der subduzierten ozeanischen Platte oder Platte, dem Mantelkeil, der über der absteigenden Platte liegt, und der darüber liegenden Kruste.

Lopez wollte besser bestimmen, wie viel Kohlenstoff aus der subduzierten Platte stammt.

Organischer Kohlenstoff lagert sich auf dem Meeresboden ab – der Oberfläche der ozeanischen Krustenplatte, die in Richtung Subduktion geht. Organischer Kohlenstoff umfasst Überreste von Meerespflanzen und -tieren sowie von Landpflanzen und -tieren, die in den Ozean gespült wurden.

Anorganischer Kohlenstoff, der aus Meerwasser stammt, kann sich als Mineralien auf der ozeanischen Kruste niederschlagen.

Die neue Forschung stützte sich auf Gasproben, die Lopez und andere während dieser und früherer Forschungen von 17 Vulkanen gesammelt hatten. Sie nutzten Daten von Meeresbohrkernen, die an vier Standorten in der Nähe des Aleutengrabens entnommen wurden, wo die Pazifische Platte unter die Nordamerikanische Platte taucht.

Mit diesen Informationen nutzten die Forscher chemische Modelle, um zu verfolgen, welcher Anteil an organischem und anorganischem Kohlenstoff aus der im Aleutengraben abgetauchten Platte in die Atmosphäre zurückkehrt. Sie verfolgten den Kohlenstoff von der Subduktion bis zur Vulkanausgasung.

Die Forschung konzentrierte sich auf die zentralen und westlichen Regionen des Aleuten-Alaska-Bogens, die aus ozeanischer Kruste bestehen.

„Von der Alaska-Halbinsel im Westen wissen wir, dass die darüber liegende Kruste keine nennenswerte Menge Kohlenstoff enthält“, sagte Lopez. „Das bedeutet also, dass wir davon ausgehen können, dass die Kohlenstoffentgasung von Vulkanen entweder vom Erdmantel oder von der subduzierten Platte herrührt.“

Lopez und ihre Kollegen begannen, nach dem Anteil der Kohlenstoffatome 12 und 13 im Gas von Vulkanen zu suchen. Das Kohlenstoff-12-Isotop macht fast 99 % des Kohlenstoffs der Erde aus. Das Kohlenstoff-13-Isotop, das ein zusätzliches Neutron in seinem Kern hat, macht nur etwa 1 % aus. Anorganischer Kohlenstoff, organischer Kohlenstoff und Mantelkohlenstoff haben alle etwas unterschiedliche Anteile der beiden Isotope.

Das Team ermittelte die durchschnittliche Kohlenstoffisotopenzusammensetzung der vulkanischen Gase sowie die Isotopenzusammensetzung und die Gesamtmenge an Kohlenstoff, der von der subduzierten Platte in den Graben gelangt. Anhand dieser Informationen berechneten sie die Menge an subduziertem Kohlenstoff, der durch die Entgasung von Vulkanen im Aleuten-Alaska-Bogen in die Atmosphäre freigesetzt wird.

Frühere Studien kamen zu dem Schluss, dass minimale Mengen an organischem Kohlenstoff in Meeresbodensedimenten und anorganischem Kohlenstoff aus der subduzierten Erdkruste in die Atmosphäre zurückkehrten.

Lopez und Kollegen fanden stattdessen heraus, dass etwa 43 bis 61 % des aus Sedimenten stammenden organischen Kohlenstoffs durch vulkanische Entgasung in den zentralen Aleuten in die Atmosphäre zurückgeführt werden und dass etwa 6 bis 9 % des anorganischen Kohlenstoffs aus der Plattenkruste in die Atmosphäre zurückgeführt werden durch Entgasung westlicher Aleuten-Vulkane.

Die Wissenschaftler fanden außerdem heraus, dass die Anteile an organischem und anorganischem Kohlenstoff, die durch Bogenvulkane recycelt werden, offenbar von Eigenschaften der Subduktionszone wie der Subduktionsgeschwindigkeit und der Plattentemperatur beeinflusst werden.

„Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass weniger Kohlenstoff in den tiefen Mantel zurückgeführt wird, als wir bisher angenommen haben“, sagte Lopez. „Diese Ergebnisse tragen dazu bei, unser Verständnis über das Schicksal des subduzierten Kohlenstoffs zu klären und können zur Verbesserung globaler Klimamodelle beitragen.“