Schwimmende Roboter enthüllen, wie viel Staub aus der Luft das Südpolarmeer düngt – ein wichtiger „Klimadämpfer“ | Polarjournal
Staubsturm, der vor der australischen Ostküste über den Südpazifik weht. Foto: Jeff Schmaltz/NASA GSFC, vom Autor zur Verfügung gestellt

Jakob Weis, Andrew Bowie, Peter Strutton und Zanna Chase, Universität von Tasmanien und Christina Schallenberg, CSIRO

Der Südliche Ozean, eine für das Klima der Erde entscheidende Region, ist Schauplatz riesiger Blüten von mikroskopisch kleinen Meerespflanzen, dem so genannten Phytoplankton. Sie bilden die Grundlage des antarktischen Nahrungsnetzes.

Unsere heute [15. Mai, Anm. d. Red.] in Nature veröffentlichte Studie zeigt, dass der vom Wind verwehte Staub genug Eisen liefert, um ein Drittel des Phytoplanktonwachstums im Südpolarmeer zu unterstützen. Dieses Wissen wird uns helfen zu verstehen, wie sich die globale Erwärmung auf wichtige Klimaprozesse auswirken wird, an denen Phytoplankton beteiligt ist.

Der Südliche Ozean wirkt wie ein „Klimadämpfer“. Sein kaltes Wasser und seine riesige Fläche fangen bis zu 40% des vom Menschen verursachten Kohlendioxids (CO₂) ein, das die Ozeane der Erde jedes Jahr aufnehmen.

Vom Menschen erzeugtes CO₂ gelangt hauptsächlich in den Ozean, wenn es sich an der Oberfläche löst. Biologische Prozesse, die große Mengen an CO₂ von der Oberfläche in die Tiefsee transportieren, spielen jedoch eine entscheidende Rolle im natürlichen Kohlenstoffkreislauf des Ozeans.

Selbst geringfügige Veränderungen dieser Prozesse im Südlichen Ozean könnten den Klimadämpfer schwächen oder stärken. Hier spielt das Phytoplankton eine Schlüsselrolle.

Phytoplankton: winzig, aber mächtig

Wie Pflanzen an Land wandelt das Phytoplankton CO₂ durch Photosynthese in Biomasse um. Wenn Phytoplankton stirbt, sinkt es in die Tiefsee. Dadurch wird der Kohlenstoff für Jahrzehnte oder sogar Hunderte von Jahren unter Verschluss gehalten. Dies wird als biologische Kohlenstoffpumpe bezeichnet und trägt zur Regulierung des Klimas der Erde bei.

Phytoplankton braucht Nährstoffe und Licht, um zu gedeihen. Stickstoff, in Form von Nitrat, ist einer dieser essentiellen Nährstoffe und im Südlichen Ozean reichlich vorhanden. Während der Blütezeit im Frühjahr und Sommer verbraucht das Phytoplankton Nitrat.

Eine massive Phytoplanktonblüte vor der Atlantikküste von Patagonien, Argentinien, im Jahr 2010. Bild: NASA-Erdobservatorium/Norman Kuring, Ocean Color Web

Dies bietet den Wissenschaftlern eine einzigartige Gelegenheit – indem sie messen, wie viel Nitrat saisonal verschwindet, können sie das Wachstum des Phytoplanktons und den in seiner Biomasse gebundenen Kohlenstoff berechnen.

Aber es gibt eine Wendung. Eisen, ein weiterer essentieller Nährstoff, ist im Südlichen Ozean Mangelware. Dieser Mangel hemmt das Wachstum des Phytoplanktons und verringert die Effizienz der biologischen Kohlenstoffpumpe.

Staub fördert das Leben im Südpolarmeer

Eisen kommt häufig im Boden vor. Winde tragen eisenhaltigen Staub von den Kontinenten zu den Ozeanen. Diese Zufuhr von Eisen aus dem Staub kann Phytoplanktonblüten auslösen, die weite Teile des Ozeans ergrünen lassen und die Kohlenstoffpumpe verstärken.

In der Vergangenheit mussten Wissenschaftler, um die Auswirkungen der Eisendüngung auf das Phytoplankton zu untersuchen – ob das Eisen nun aus Staub oder anderen natürlichen Quellen stammte oder absichtlich hinzugefügt wurde – teure Forschungsreisen in das entlegene Südpolarmeer unternehmen.

Die Erkenntnisse aus solchen Experimenten waren jedoch auf kleine Regionen und kurze Zeiträume während bestimmter Jahreszeiten beschränkt. Über die Auswirkungen von Staub auf das Phytoplankton im gesamten Südlichen Ozean war bisher wenig bekannt.

Um diese Lücke zu schließen, haben wir uns Robotern zugewandt.

Forscher setzen einen Schwimmroboter vom CSIRO-Forschungsschiff (RV) Investigator aus. Foto: Jakob Weis

Ozeanroboter folgen der Spur des Staubs

In den letzten zehn Jahren haben Forschungsorganisationen weltweit eine Flotte von schwimmenden Robotern eingesetzt. Diese Roboter verfolgen unermüdlich die Eigenschaften des Ozeans, einschließlich der Nitratkonzentration.

In unserer Studie haben wir Nitratmessungen an 13.600 Orten im Südlichen Ozean analysiert. Wir berechneten das Phytoplanktonwachstum aus dem Nitratschwund und kombinierten diese Wachstumsschätzungen mit Computermodellen der Staubablagerung.

Mit diesem neuen Ansatz haben wir eine direkte Verbindung zwischen der Zufuhr von Eisen aus dem Staub und dem Wachstum des Phytoplanktons aufgedeckt. Wichtig ist auch, dass wir herausgefunden haben, dass der Staub nicht nur mit dem Wachstum des Phytoplanktons zusammenfällt, sondern dieses sogar antreibt, indem er Eisen liefert.

Wir haben diese Beziehung genutzt, um Produktivitätskarten des Südlichen Ozeans zu erstellen – in der Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. Diese Karten deuten darauf hin, dass Staub heute etwa ein Drittel des Phytoplanktonwachstums im Südlichen Ozean unterstützt.

Starke Westwinde tragen Staub aus den Wüsten Australiens, Patagoniens und des südlichen Afrikas über den Südlichen Ozean. Die hier gezeigte Staubablagerung wurde durch Computermodelle berechnet. Grafik: Adaptiert von Weis et al. (2024)

Während der Eiszeiten führte eine Kombination aus trockeneren Bedingungen, niedrigerem Meeresspiegel und stärkeren Winden dazu, dass die Staubablagerung im Südlichen Ozean bis zu 40 Mal größer war als heute.

Wenn wir die Staub-Simulationen der letzten Eiszeit auf unsere neu entdeckten Zusammenhänge anwenden, schätzen wir, dass das Phytoplankton-Wachstum während dieser staubigeren Zeiten doppelt so hoch war wie heute.

Indem er das Wachstum des Phytoplanktons ankurbelte, spielte Staub also wahrscheinlich eine wichtige Rolle dabei, die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre während der Eiszeiten niedrig zu halten.

Warum ist das wichtig?

Die globale Erwärmung und die veränderte Landnutzung könnten die Staubzufuhr zum Ozean in Zukunft schnell verändern.

Diese Verschiebungen hätten wichtige Konsequenzen für die Ökosysteme und die Fischerei, und unsere Forschung liefert die Instrumente, um diese Veränderungen vorherzusagen.

Um die globale Erwärmung unter 1,5°C zu halten, müssen wir unbedingt sichere und effektive Methoden finden, um CO₂ aktiv aus der Atmosphäre zu entfernen. Eine vorgeschlagene und umstrittene Strategie besteht darin, das Südpolarmeer mit Eisen zu düngen und so die natürlichen Prozesse nachzuahmen, die während der Eiszeiten zu einem Rückgang des CO₂ geführt haben.

Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine solche Strategie die Produktivität in den am wenigsten staubigen Teilen des Südlichen Ozeans ankurbeln könnte. Es bestehen jedoch noch Unsicherheiten hinsichtlich der ökologischen Folgen dieser Maßnahme und ihrer langfristigen Wirksamkeit bei der Bindung von Kohlenstoff.

Indem wir untersuchen, wie die Natur dies in der Vergangenheit getan hat, können wir mehr über die möglichen Ergebnisse und die Praktikabilität der Düngung des Ozeans zur Abschwächung des Klimawandels erfahren.

Jakob Weis, Postdoktorand, University of Tasmania

Andrew Bowie, leitender Wissenschaftler für marine Biogeochemie, University of Tasmania

Christina Schallenberg, Wissenschaftliche Mitarbeiterin, CSIRO

Peter Strutton, Professor, Institut für Meeres- und Antarktisstudien, Universität von Tasmanien

Zanna Chase, Professorin, Universität von Tasmanien

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative-Commons-Lizenz neu veröffentlicht. Lesen Sie hier den Originalartikel.

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