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Antarktisches Tiefenwasser enthält Jahrtausende alten organischen Kohlenstoff
Im Weddellmeer entsteht Tiefenwasser, das große Mengen Kohlenstoff in die Tiefsee transportiert. Trotz reger Planktonproduktion verändert sich die Zusammensetzung der untersuchten gelösten organischen Stoffe auf dem antarktischen Schelf kaum, wie Messungen zeigen. Eine mögliche Erklärung ist die lange Verweildauer des Wassers, während der leicht abbaubares Material wieder zerfallen kann.
Bremerhaven (Deutschland). Am Rand der Antarktis bilden sich besonders kalte und salzreiche Wassermassen, die über den Kontinentalhang in die Tiefsee absinken. Sie tragen zum antarktischen Bodenwasser bei und transportieren darin gespeicherten Kohlenstoff durch große Teile des Weltmeers.
Auf dem Weg über den Schelf treffen diese Wassermassen auf Algenblüten und einen aktiven mikrobiellen Stoffwechsel. Dabei entsteht gelöste organische Materie, deren Kohlenstoff teils rasch abgebaut wird, teils aber über Jahrtausende im Meer überdauert. Ob die Vorgänge auf dem Schelf die chemische Signatur des später absinkenden Wassers verändern, war bislang unklar.
Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) um Dr. Gonzalo V. Gomez-Saez haben deshalb den organischen Kohlenstoff im südlichen Weddellmeer untersucht. Auf zwei Expeditionen des Forschungseisbrechers Polarstern von 2016 und 2021 wurden 178 Wasserproben an 38 Stationen gesammelt. Für den direkten Vergleich der Tiefenwasserbildung ordnete das Team 116 Proben sieben Wassermassen zu, von oberflächennahen Schichten bis in 4.433 Meter Tiefe.
Der Kohlenstoffgehalt wurde chemisch gemessen. Um die Zusammensetzung der gelösten organischen Substanzen zu bestimmen, setzten die Wissenschaftler hochauflösende Massenspektrometrie und Kernspinresonanz-Spektroskopie ein. Über den Anteil radioaktiven Kohlenstoffs ermittelten sie außerdem das scheinbare Alter der untersuchten organischen Moleküle.
Für die Untersuchung der Molekülstruktur wurde eine aus den Wasserproben angereicherte Teilfraktion verwendet, die rund 34 Prozent des gesamten gelösten organischen Kohlenstoffs erfasste. Die Aussagen zur molekularen Zusammensetzung betreffen daher vor allem diese extrahierbaren Verbindungen, während der gesamte gelöste organische Kohlenstoff separat gemessen wurde.
„Gelöste organische Substanzen sind ein riesiger und komplexer Kohlenstoffspeicher im Ozean. Indem wir ihre Moleküle im Detail untersuchen, können wir erforschen, wie sie sich verändern, während das Wasser über den antarktischen Kontinentalschelf strömt“, sagt Prof. Dr. Thorsten Dittmar vom Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM).
Das Ergebnis fiel überraschend einheitlich aus. Zwischen den sieben Wassermassen fanden sich keine statistisch signifikanten Unterschiede in der Konzentration des gelösten organischen Kohlenstoffs. Auch die analysierte Molekülzusammensetzung und ihre strukturellen Merkmale blieben während der Tiefenwasserbildung weitgehend ähnlich. Eine deutliche Anreicherung frischer organischer Stoffe durch saisonale Algenblüten ließ sich nicht nachweisen.
Die Radiokohlenstoffmessungen ergaben für die extrahierte organische Fraktion ein mittleres scheinbares Alter von rund 5.700 Jahren. Dieses Alter beschreibt eine Mischung von Molekülen unterschiedlicher Herkunft und nicht das Alter des Wassers. Der Befund deutet darauf hin, dass schwer abbaubare organische Verbindungen die Proben dominieren.
„Unsere Studie zeigt, dass die molekularen Eigenschaften gelöster organischer Substanzen während der Tiefenwasserbildung im südlichen Weddellmeer erhalten bleiben. Unsere Ergebnisse unterstreichen, dass gelöste organische Substanzen ein stabiler Bestandteil des regionalen Kohlenstoffkreislaufs im Südlichen Ozean sind“, erklärt Dr. Gonzalo V. Gomez-Saez.