Wie schnell reagiert der chemische Zustand des Ozeans auf die Klimaerwärmung?

Ohne Stickstoff ist Leben im Meer nicht möglich. Die Bindung und Freisetzung von Stickstoff in den Weltmeeren ist ein fein ausbalancierter Kreislauf. Doch der Mensch setzt diesen Stickstoffkreislauf unter Druck, indem er durch die Düngung landwirtschaftlicher Flächen zusätzlich riesige Mengen an Stickstoff in die Meere bringt.

Um herauszufinden, wie der Stickstoffkreislauf auf Druck von außen reagiert, haben jetzt 40 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus elf Nationen seine Entwicklung am Ende der letzten Eiszeit rekonstruiert. Zu dieser ersten globalen Studie zum Stickstoffkreislauf, die in der aktuellen Ausgabe der internationalen Fachzeitschrift „Nature Geoscience“ erscheint, haben auch Kieler Forschende aus dem Sonderforschungsbereich (SFB) 754 beigetragen.

Ohne Stickstoff als Dünger und dessen Umwandlungsprodukte kann pflanzliches Plankton im Meer nicht existieren. Damit könnte es auch kein Kohlendioxid binden und keinen Sauerstoff produzieren. Und es fiele als Basis für die Nahrungskette weg. Doch auch zu viel Stickstoff wäre für das marine Ökosystem eine Katastrophe. Plankton würde in solchen Mengen wachsen, dass bei der späteren Zersetzung des organischen Materials ungeheure Mengen an Sauerstoff verbraucht würden. Damit würde auch Sauerstoff in weiten Bereichen des Meeresbodens fehlen und der Lebensraum für Fische und andere Meereslebewesen zerstört. Das bestehende Gleichgewicht halten marine Bakterien aufrecht, die Stickstoff aus der Atmosphäre fixieren und nahe der sauerstoffreichen Oberfläche speichern.

Das Gleichgewicht wird jedoch immer dann gestört, wenn zusätzlicher Stickstoff in die Meere gelangt, beispielsweise durch Düngemittel für die industrielle Landwirtschaft. Gleichzeitig erwärmt der Mensch das System Erde und damit auch die Ozeane, indem er große Mengen Kohlendioxid in die Atmosphäre entlässt. Beides könnte den ozeanischen Stickstoffkreislauf verändern. Trotz der immensen Bedeutung des Stickstoffkreislaufs für alles Leben im Meer, fehlten bisher verlässliche wissenschaftliche Daten darüber, wie dieser Kreislauf auf den äußeren Druck reagieren wird.

Kieler Forschende aus dem SFB 754 „Klima – Biogeochemische Wechselwirkungen im tropischen Ozean“ haben mit ihren internationalen Kolleginnen und Kollegen rekonstruiert, wie der Stickstoffkreislauf im Ozean auf extreme äußere Einflüsse zum Ende der Eiszeit reagiert hat. Für ihre Studie haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das größte Klimaarchiv der Erde genutzt – den Meeresboden. Denn wenn das mit Stickstoff angereicherte Phytoplankton stirbt, sinkt es auf den Meeresboden ab und sammelt sich dort an. Über die Jahrtausende bilden sich dort so einzelne Schichten, die jeweils etwas über die Umweltbedingungen zur Zeit ihrer Entstehung aussagen können. Bisherige Studien zu diesem Thema waren allerdings lokal begrenzt. „Deshalb haben wir zum ersten Mal die Erkenntnisse vieler Arbeitsgruppen, die an dem Thema arbeiten, zusammengefasst“, erklärt Professor Ralph Schneider, Direktor des Instituts für Geowissenschaften an der Universität Kiel und einer der Autoren. „Wir haben rund 2.300 Sedimentkerne aus allen Ozeanen vom Ende der Eiszeit miteinander verglichen und 76 Zeitserien aus Stickstoff-Isotopen über die vergangenen 30.000 Jahre erstellt.“
Aus den Daten der Vergangenheit können die Forschenden ablesen, dass sich der chemische Zustand des Ozeans erst nach wenigen tausend Jahren während des natürlichen Klimawandels nach der Eiszeit stabilisieren konnte. „Diese einmaligen Datensätze sind eine wesentliche Grundlage für Computersimulationen, mit denen wir abschätzen können, wie schnell der Stickstoffkreislauf auf den heutigen Klimawandel reagiert“, ergänzt Mitautor Christopher Somes vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel.

Ein Ergebnis der Studie ist, dass die Intensität der Prozesse, bei denen im Ozean gebundener Stickstoff freigesetzt wird und so in die Atmosphäre gelangen kann, am Ende der letzten Eiszeit stark zunahm, während die lichtarmen Teile des Ozeans wesentlich sauerstoffärmer wurden. Die Ökosysteme mussten sich an die geänderten Bedingungen anpassen. Als die Eisschilde sich vor rund 8.000 Jahren zurückgezogen hatten und gleichzeitig die erste menschliche Zivilisation auf der Erde erschien, hatte sich der Ozean in einen neuen, wärmeren Zustand stabilisiert, in dem der Stickstoffkreislauf schneller ablief als noch während der Eiszeit.
„Die heutigen Einflüsse auf den Ozean sind wahrscheinlich gravierender als während des Endes der Eiszeit. Ein neues Gleichgewicht wird der Ozean vielleicht erst in einigen Jahrhunderten oder sogar in mehreren Jahrtausenden erreichen“, prognostiziert Professor Ralph Schneider. „Damit bleibt die Frage offen, wie der Ozean mit dem vergleichsweise schnellen, vom Menschen verursachten Klimawandel zurecht kommt und wie dramatisch sich lokale Ökosysteme anpassen müssen“, so Ralph Schneider weiter.

Links/Originalartikel:
www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/full/ngeo1832.html
www.geomar.de Das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel
www.ifg.uni-kiel.de Institut für Geowissenschaften der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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