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Meeresboden beeinflusst den langfristigen Kohlenstoffkreislauf
Der Meeresboden ist nicht nur Untergrund, sondern Teil des langfristigen Kohlenstoffkreislaufs. Modellrechnungen für die vergangenen 80 Millionen Jahre zeigen, dass seine Form und Tiefe allein 33 bis 50 Prozent der beobachteten Verschiebungen jener Tiefengrenze erklären könnten, unterhalb derer Karbonat am Meeresboden kaum erhalten bleibt.
Los Angeles (U.S.A.). Über die Erdgeschichte haben Meeresbodensedimente nach der Studie ein bis zwei Größenordnungen mehr Kohlenstoff gespeichert als Ozean und Atmosphäre zusammen. Ob Karbonatminerale am Boden erhalten bleiben oder wieder gelöst werden, hängt von der Chemie des Meerwassers und vom Druck in der Tiefe ab. Eine entscheidende Grenze ist die Karbonat-Kompensationstiefe (CCD), unterhalb derer Karbonatablagerungen kaum dauerhaft bestehen.
Wie tief diese Grenze liegt, wurde in Modellen häufig vor allem mit Faktoren wie Temperatur, atmosphärischem CO₂ oder Verwitterungsflüssen erklärt. Die Form des Meeresbodens, die sogenannte Bathymetrie, galt dagegen oft als feste Randbedingung. Eine neue Modellstudie zeigt, dass gerade diese Geometrie selbst einen erheblichen Anteil der Veränderungen erklären kann.
Forscher der University of California, Los Angeles (UCLA) um Matthew Bogumil haben dafür die globale Bathymetrie der vergangenen 80 Millionen Jahre rekonstruiert und in das Erdsystemmodell LOSCAR eingespeist. Das Modell beschreibt den langfristigen marinen Kohlenstoffkreislauf und erlaubt zu testen, wie sich veränderte Meeresbodentiefen auf die Ozeanchemie auswirken.
„Wir konnten erstmals zeigen, dass Form und Tiefe des Meeresbodens eine wichtige Rolle im langfristigen Kohlenstoffkreislauf spielen“, erklärt Matthew Bogumil.
In den Modelltests reagierten vor allem die Alkalinität des Ozeans, der Sättigungszustand von Kalzit und die CCD stark auf die Bathymetrie. Besonders wichtig waren flache Meeresbodenbereiche bis 600 Meter Wassertiefe und die Verteilung tiefer Regionen unterhalb von 1.000 Metern. Damit beeinflusst nicht nur die mittlere Tiefe, sondern auch die Verteilung der Tiefen, wie effizient Karbonat abgelagert wird.
Wenn das Team im Modell nur die Bathymetrie des Känozoikums veränderte, verschob sich die CCD über eine Spanne von rund 500 Metern. Das entspricht 33 bis 50 Prozent der gesamten Schwankung, die geologische Stellvertreterdaten für diesen Zeitraum erkennen lassen. Die Autoren folgern daraus, dass frühere Modelle Veränderungen teilweise anderen, unsichereren Größen zugeschrieben haben könnten.
„Modelle des Kohlenstoffkreislaufs behandeln die Bathymetrie des Meeresbodens in der Erdgeschichte typischerweise entweder als feste Größe oder als nachrangigen Faktor. Unsere Forschung zeigt jedoch, dass sowohl die mittlere Tiefe des Meeresbodens als auch die Verteilung der Tiefen in verschiedenen Ozeanbecken stark beeinflussen, wie viel Kohlenstoff die Ozeane aufnehmen und wo er am Meeresboden abgelagert wird“, sagt Tushar Mittal von der Pennsylvania State University.
In einer Fallstudie zum frühen Paläogen veränderte die neue Bathymetrie außerdem die Schätzungen des Karbonateintrags durch Flüsse. Die daraus abgeleitete Entwicklung der Verwitterung kehrte den Trend gegenüber heutigen Bedingungen um und wich damit von früheren Studien ab. Nach Angaben der Autoren passt sie jedoch zu geologischen Proxydaten und tektonischen Rekonstruktionen.
Die Studie untersucht ausdrücklich die chemische Wirkung der Bathymetrie auf das Ozean-Atmosphäre-System. Physikalische Effekte auf Strömungen, Durchmischung und Wärmetransport kommen zusätzlich hinzu, wurden hier aber nicht als derselbe Mechanismus behandelt. Die Ergebnisse beruhen damit auf Modellrechnungen über geologische Zeiträume und sind kein direkter Messnachweis eines einzelnen heutigen Klimaprozesses.