Das Zusammenspiel von kalten Klimata und Kohlenstoffbindung im Meer

Wissenschaftler nutzen Korallenfossilien, um die Effizienz der biologischen Kohlenstoffpumpe in den vergangenen 40.000 Jahren zu verfolgen

 

Mainz, 3.4.2017

Pressemeldung des California Institute of Technology - Caltech/ Ergänzt durch MPI für Chemie

In der Heimat der Eisberge: Für ihre Studie sammelten die Forscher Korallenfossilien im Südpolarmeer. Quelle: Alfredo Martínez-García
In der Heimat der Eisberge: Für ihre Studie sammelten die Forscher Korallenfossilien im Südpolarmeer. Quelle: Alfredo Martínez-García

Der Gehalt an Kohlenstoffdioxid (CO2) in der Atmosphäre trägt wesentlich zu Klimaveränderungen bei. In einer neuen Untersuchung hat ein internationales Wissenschaftlerteam, zu dem auch  Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz gehören, einen der Mechanismen offengelegt, die während der kälteren Klimabedingungen der vergangenen Eiszeiten zu einer Verringerung des atmosphärischen CO2 geführt haben.

Das übergeordnete Ziel der Forschungsgruppe ist es, eine Antwort auf die Frage zu finden, wie und warum es auf der Erde regelmäßig zu Klimaveränderungen kommt.  Dies könnte Aufschluss darüber geben, wie menschengemachte Faktoren das globale Klima beeinflussen.

Während der letzten Jahrmillion hat die Erde mehrere Kaltzeiten durchlaufen. Im Zuge dieser kontinuierlichen Klimawechsel schwankte die Durchschnittstemperatur des Planeten regelmäßig und ganz natürlich um etwa 4 bis 5°C. Auch der CO2-Gehalt in der Atmosphäre hat sich während dieser Periode immer wieder verändert und schwankte zwischen etwa 180 und 280 Teilen pro Million (ppm) in Abständen von circa 100.000 Jahren. (In der jüngsten Vergangenheit ist die CO2-Konzentration durch menschengemachte Kohlenstoffemissionen auf über 400 ppm gestiegen.)

Vor ungefähr zehn Jahren entdeckten Forscher eine enge Wechselwirkung zwischen den Schwankungen des CO2-Gehalts und der Temperatur während der letzten Jahrmillion: Wenn es auf der Erde am kältesten war, war auch die Menge an CO2 in der Atmosphäre am niedrigsten. Während der letzten Eiszeit, die vor circa 11.000 Jahren endete, lagen die globalen Temperaturen etwa 5  C unter den aktuellen Werten und die CO2-Konzentration in der Atmosphäre betrug 180 ppm.

Anhand einer von Jess Adkins (Caltech) zusammengetragenen Sammlung von mehr als 10.000 Tiefseekorallen konnte ein internationales Forscherteam – unter ihnen Xingchen (Tony) Wang, Alfredo Martínez-García, Anja Studer und Gerald Haug vom Max-Planck-Institut für Chemie – belegen, dass kältere Klimaperioden mit einer höheren Phytoplanktoneffizienz und einer Verringerung des Nährstoffgehalts in den oberflächennahen Wasserschichten des Südpolarmeers (Antarktischer Ozean) einhergehen, und damit auch mit einer höheren Kohlenstoffbindung in der Tiefsee. Die Studie wurde Mitte März in der Onlineausgabe der „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht.

„Es ist von entscheidender Bedeutung, dass wir verstehen, warum die CO2-Konzentration in der Atmosphäre während der Eiszeiten niedriger war. Nur so können wir besser vorhersagen, wie die Weltmeere auf die anhaltenden menschengemachten CO2-Emissionen reagieren werden“, erläutert Xingchen (Tony) Wang, Hauptautor der Studie. Wang forschte an dem Projekt als Doktorand in Princeton im Labor von Daniel Sigman, Dusenbury Professor of Geological and Geophysical Sciences. Anschließend arbeitete er als Postdoc am MPI für Chemie und ist aktuell Simons Foundation Postdoctoral Fellow on the Origins of Life an der Caltech.

Der Kohlenstoffgehalt des Ozeans ist 60-mal höher als der Kohlenstoffgehalt der Atmosphäre, was teilweise seiner enormen Größe geschuldet ist. Insgesamt ist die Masse der Weltmeere etwa 270-mal größer als die Masse der Atmosphäre. Deshalb ist der Ozean auch der größte Regulierer des Kohlenstoffgehalts  der Atmosphäre und agiert sowohl als Senke als auch als Quelle atmosphärischen CO2.

Der wichtigste Antriebsfaktor für die Aufnahme von atmosphärischem CO2 in die Ozeane sind biologische Prozesse. Ebenso wie Photosynthese betreibende Bäume und Pflanzen an Land wandelt das Plankton an der Meeresoberfläche CO2 in Zucker um, die anderen Lebewesen als Nahrung dienen. Die Meerestiere, die diese Zucker und den darin enthaltenen Kohlenstoff aufnehmen, sinken nach ihrem Tod in die Tiefsee, wo der Kohlenstoff für lange Zeit von der Atmosphäre isoliert bleibt. Dieser Prozess wird als „biologische Pumpe“ bezeichnet.

Eine gesunde Phytoplanktonpopulation trägt dazu bei, Kohlenstoff aus der Atmosphäre zu binden. Damit Phytoplankton gedeihen kann, benötigt es Nährstoffe, insbesondere Stickstoff, Phosphor und Eisen. In den meisten Teilen der heutigen Meere braucht das Phytoplankton sämtliche verfügbaren Nährstoffe in den oberflächennahen Wasserschichten auf und die biologische Pumpe arbeitet mit maximaler Effizienz.

Im heutigen Südpolarmeer jedoch steht nur eine begrenzte Menge an Eisen zur Verfügung. Daher gibt es hier nicht genügend Phytoplankton, um sämtlichen Stickstoff und Phosphor im Oberflächenwasser zu verbrauchen. Gibt es weniger lebende Biomasse, stirbt auch weniger Biomasse und weniger Biomasse sinkt auf den Meeresgrund. Als Konsequenz nimmt die Kohlenstoffbindung ab. Gegenwärtig arbeitet die biologische Pumpe nicht so effizient, wie es theoretisch möglich wäre. 

Um die Effizienz der biologischen Pumpe im Verlauf der letzten 40.000 Jahre nachzuvollziehen, sammelten Adkins und seine Kollegen mehr als 10.000 Fossilien der Koralle Desmophyllum dianthus.

Warum konzentrierte sich das Team auf Korallen? Dafür gibt es zwei Gründe: Zum einen bauen Korallen während ihres Wachstums ein Skelett auf, indem sie Calciumcarbonat (CaCO3) und andere Spurenelemente (u. a. Stickstoff) aus dem umgebenden Wasser herauslösen. Durch diesen Prozess wird die chemische Zusammensetzung des Meerwassers gleichsam in Stein dokumentiert. Zum anderen lässt sich das Alter von Korallen mittels Kohlenstoffdatierung und Urandatierung exakt bestimmen.

Gemeinsam mit seinem Team sammelte er Korallen unter anderem in der mit etwas über 804 Kilometern relativ schmalen Meerenge zwischen Südamerika und der Antarktis, Drakestraße genannt. Da das Südpolarmeer die Antarktis umfließt, passiert sein gesamtes Wasser diese Meerenge. Die von Adkins gesammelten Proben liefern also zuverlässige Daten zu diesem gesamten Meeresgebiet.

Wang analysierte die Anteile zweier Isotope von Stickstoffatomen in den Korallen: Stickstoff-14 (14N, das häufigste Isotop des Atoms, mit sieben Protonen und sieben Neutronen im Atomkern) und Stickstoff-15 (15N, ein Isotop mit einem zusätzlichen Neutron). Phytoplankton bevorzugt 14N bei der Stickstoffaufnahme gegenüber 15N. Dadurch ergibt sich eine Wechselwirkung zwischen dem Anteil an Stickstoffisotopen im absinkenden organischen Material (von dem sich die Korallen am Meeresboden ernähren), der im Oberflächenwasser verbrauchten Menge an Stickstoff und, im weiteren Sinne, der Effizienz der biologischen Pumpe.

Ein höherer 15N-Anteil in den Fossilien deutet darauf hin, dass die biologische Pumpe im betreffenden Zeitraum effizienter arbeitete. Ein Vergleich zur Verdeutlichung: Würde man den Nahrungsverbrauch eines Menschen in seinem Zuhause beobachten und feststellen, dass er mehr von den Nahrungsmitteln isst, die er nicht so sehr mag, so kann man daraus schließen, dass er insgesamt weniger Nahrungsvorräte zu Hause hat.

Tatsächlich stellte Wang in Fossilien aus der letzten Eiszeit höhere 15N-Gehalte fest: ein Hinweis, dass die biologische Pumpe damals effizienter arbeitete. „Diese Daten liefern ein umfassendes Bild über die Rolle, die die Nährstoffdynamik im Südpolarmeer bei der Kohlenstoffbindung während der Eiszeiten spielte“, fasst MPIC-Gruppenleiter Alfredo Martínez-García zusammen.