biologische Pumpe
Natürlicher Prozess der Entnahme von organischem Kohlenstoff (und auch von Nährstoffen) aus dem oberen Ozean und deren Abgabe in der Tiefe.
Der aus der Atmosphäre aufgenommene Kohlenstoff verteilt sich im Ozean innerhalb einiger weniger Jahre in der von der Sonne durchleuchteten Schicht des Meeres. Um in noch größere Tiefen zu gelangen, gibt es zwei Mechanismen. Am wichtigsten ist die so genannte physikalische Kohlenstoffpumpe, wobei sich das kohlenstoffreiche Oberflächenwasser in der Arktis abkühlt und schwerer wird, absinkt und über die kalte Tiefenströmung des Globalen Förderbandes weiträumig in den Tiefen der Ozeane verteilt wird. Weniger wichtig, aber dennoch nicht unbedeutend, ist die hier beschriebene biologische Kohlenstoffpumpe, bei der Kohlenstoff als Meeresschnee (biogener Teilchenregen) in tiefere Regionen absinkt.
Pflanzliche Mikroorganismen (Phytoplankton) können nur in den oberen Wasserschichten leben, da sie auf das Licht zur Energiegewinnung über die Photosynthese angewiesen sind. Diese Organismen verwenden u.a. Nitrate, in Wasser gelöste Phosphate und Kohlendioxid (CO2), um organisches Material herzustellen. Viele Phytoplankton- und Zooplanktonarten bilden mineralische Stütz- oder Schutzkonstruktionen aus Silikaten oder Carbonaten. Nach dem Absterben dieser Lebewesen sinkt das organische und mineralische Material in größere Tiefe, wo es allmählich durch die Aktivität von Bakterien zersetzt wird oder sich zu einem geringen Teil in Sedimenten ablagert, hauptsächlich im Küstenbereich. Der restliche organische Kohlenstoff wird im tiefen Ozean durch Zersetzung in gelösten anorganischen Kohlenstoff zurückverwandelt, der durch aufsteigendes Wasser wieder an die Oberfläche gelangt.
| | Die biologische Pumpe Dargestellt ist das pelagische Nahrungsnetz, das die zentrale Rolle mariner Mikroorganismen dabei zeigt, wie der Ozean Kohlenstoff importiert und dann wieder in die Atmosphäre und den Meeresboden exportiert Das Phytoplankton in der euphotischen Zone fixiert Kohlendioxid mit Hilfe der Sonnenenergie. Der produzierte partikuläre organische Kohlenstoff (engl. particulate organic carbon, POC) wird vom pflanzenfressenden Zooplankton abgeweidet oder direkt oder indirekt von heterotrophen Mikroben verzehrt, die sich von gelösten Phytoplanktonresten ernähren. Zwischen 1 und 40 % der Primärproduktion wird aus der euphotischen Zone exportiert und schwächt sich zur Basis der mesopelagischen Zone in etwa 1.000 m Tiefe exponentiell ab. Die Remineralisierung der organischen Substanz in der ozeanischen Wassersäule wandelt den organischen Kohlenstoff wieder in CO2 um. Nur etwa 1 % der Oberflächenproduktion erreicht den Meeresboden. Auf geologischen Zeitskalen ist die Folge der Kohlenstoffablagerung die Anreicherung von Sauerstoff in der Atmosphäre. Quelle: Oak Ridge National Laboratory nach EarthLabs |
Insgesamt sorgt die biologische Pumpe dafür, dass die atmosphärische CO2-Konzentration 150-200 ppm unter dem Wert liegt, der ohne das ozeanische Phytoplankton herrschen würde. Diese Prozesse von Aufnahme an der Meeresoberfläche und Remineralisierung in tiefen Wasserschichten des Ozeans führen zu einer Verringerung der Konzentration vieler chemischer Substanzen im Oberflächenwasser (bis zu 1000 m) bei gleichzeitiger Anreicherung in der Tiefe. Die große Ausnahme davon ist der Sauerstoff, welcher an der Oberfläche gebildet und freigesetzt wird und bei Oxidationsprozessen in tieferen Schichten verbraucht wird. Da letztendlich die Menge an Kohlenstoff an der Ozeanoberfläche die Konzentration an Kohlendioxid in der Atmosphäre kontrolliert, wird angenommen, dass Änderungen in der Stärke der biologischen Pumpe der Ozeane über längere Zeiträume einen der wichtigsten Kontrollmechanismen der atmosphärischen Kohlendioxid-Konzentration darstellt. Die Ozeane spielen im Kohlenstoffkreislauf der Erde als Kohlenstoffsenke eine wichtige Rolle, da 70 Prozent der Erdoberfläche von Wasser bedeckt sind. In der gesamten Hydrosphäre sind schätzungsweise 38.000 Gigatonnen (Gt) Kohlenstoff gespeichert.
Das Kohlenstoffdioxid gelangt aufgrund der Differenz im CO2-Partialdruck in den Ozean. Ein Gas strömt immer vom Bereich des höheren Partialdruckes (Atmosphäre) in den Bereich des niedrigeren Drucks (Ozean). Kohlenstoffdioxid wird so lange im Meer gelöst, bis der Partialdruck in der Atmosphäre und im Meer gleich ist. Umgekehrt entweicht es auch wieder, wenn der Druck in der Atmosphäre geringer als im Meer ist. Die Temperatur eines Meeres beeinflusst ebenfalls die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid, da Wasser bei steigender Temperatur weniger Kohlenstoffdioxid aufnehmen kann.
biogeochemische Kreisläufe
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