E10 Physikalische Biogeochemie

Thema

Die physikalische Biogeochemie beschreibt, wie die physikalischen Prozesse des Ozeans – Zirkulation, Durchmischung, Schichtung und Wellen – die Verteilung von Nährstoffen, Kohlenstoff, Sauerstoff und anderen Elementen steuern, die sowohl die biologische Produktivität des Meeres als auch seine Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf bestimmen. Genau diese Fähigkeit der Ozeanphysik, Elemente von einem Ort zum anderen zu transportieren, ermöglicht es dem Ozean, gleichzeitig als Motor und Speicher für einen Großteil der chemischen Prozesse zu fungieren, die das marine Leben erhalten.

Der Ozean absorbiert etwa 25 bis 30 Prozent des gesamten vom Menschen verursachten Kohlendioxids, das in die Atmosphäre gelangt, und ist damit die größte langfristige Kohlenstoffsenke der Erde. Diese Absorption wird durch die sogenannte biologische Kohlenstoffpumpe ermöglicht: Phytoplankton bindet gelöstes Kohlendioxid in der sonnenbeschienenen Zone des Ozeans zu organischem Kohlenstoff. Wenn diese Organismen sterben oder gefressen werden, wird ein Teil dieses Kohlenstoffs in die Tiefsee transportiert, wo er erneut zersetzt wird. Das bedeutet, dass der nahe der Oberfläche gebundene Kohlenstoff lange Zeit gespeichert bleibt und somit nicht mit der Atmosphäre in Kontakt kommt.

Die Nährstoffverfügbarkeit in der sonnenbeschienenen Zone des Ozeans hängt von drei Zufuhrwegen ab: Auftrieb, vertikaler turbulenter Durchmischung und atmosphärischer Eintrag. In den intensivsten Auftriebszonen der Erde, vor Peru, vor Benguela und vor Kalifornien, sorgt der kontinuierliche Auftrieb nährstoffreichen Tiefenwassers dafür, dass diese Regionen einige der produktivsten marinen Ökosysteme der Welt beherbergen.

Sauerstoffminimumzonen bilden sich genau dort, wo ein Großteil des organischen Kohlenstoffs, der durch die biologische Sauerstoffpumpe von der Oberfläche transportiert wird, absinkt. Die Zersetzung dieses Kohlenstoffs in der Tiefsee und unterhalb von Regionen hoher Oberflächenproduktivität führt dazu, dass der biologische Sauerstoffverbrauch die durch die Zirkulation zugeführte Menge übersteigt und diese Gewässer nahezu sauerstofffrei werden. Die Ozeanversauerung ist die direkte chemische Folge der bereits eingangs beschriebenen Kohlendioxidaufnahme. Das vom Meerwasser aufgenommene Kohlendioxid reagiert mit diesem zu Kohlensäure, die wiederum dissoziiert und dabei Wasserstoff- und Bicarbonat-Ionen freisetzt. Genau dieser Anstieg der Wasserstoffionenkonzentration senkt den pH-Wert des Ozeans und verringert die Sättigung von Aragonit und Kalzit. Der pH-Wert des Ozeans ist seit der vorindustriellen Zeit um ein Zehntel gesunken, was einem Anstieg der Wasserstoffionenkonzentration um 26 Prozent entspricht. Zu den zu erwartenden Auswirkungen zählen sowohl eine Verringerung der Wassertiefe, in der die Karbonatsättigung aufhört, als auch direkte Auswirkungen auf kalkbildende Organismen.

Von den physikalischen Prozessen, die Nährstoffe und Kohlenstoff im Ozean verteilen, bis hin zur chemischen Versauerung, die am Ende dieses Dokuments erörtert wird, einschließlich der biologischen Kohlenstoffpumpe und der dadurch entstehenden Sauerstoffminimumzonen, bestimmt die physikalische Biogeochemie, dass die Ozeanzirkulation, die Durchmischung und die Schichtung letztlich sowohl die Fähigkeit des Ozeans zur Kohlenstoffbindung als auch seine innere Chemie bestimmen.

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