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Südozean könnte die Erderwärmung vor 50 Millionen Jahren verstärkt haben
Vor rund 50 Millionen Jahren herrschte auf der Erde extreme Wärme, zugleich erreichte der CO₂-Gehalt der Luft ungewöhnlich hohe Werte. Chemische Spuren in fossilen Meeresschalen deuten nun auf eine schwächere Kohlenstoffspeicherung im Südozean hin. Modellrechnungen zufolge könnte dieser Effekt mindestens die Hälfte des damaligen Anstiegs der CO₂-Konzentration erklären.
Mainz (Deutschland). Während des frühen Eozäns durchlief die Erde eine der wärmsten Phasen der vergangenen 66 Millionen Jahre. Zwischen etwa 53 und 49 Millionen Jahren vor heute lagen die globalen Temperaturen mehr als zehn Grad über den heutigen Werten. Der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre erreichte damals schätzungsweise 1.600 Teile pro Million, doch die Ursachen dieser hohen Konzentration sind noch nicht vollständig geklärt.
Ein Teil des atmosphärischen Kohlenstoffs wird durch die biologische Kohlenstoffpumpe im Meer gebunden. Dabei nimmt pflanzliches Plankton an der Oberfläche CO₂ auf, während ein Teil der gebildeten organischen Substanz in tiefere Wasserschichten sinkt. Wie wirksam diese Speicherung ist, hängt unter anderem davon ab, wie vollständig das Plankton die verfügbaren Nährstoffe verwertet.
Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPIC) um Dr. Simone Moretti haben untersucht, wie sich diese Kohlenstoffpumpe während der Wärmephase veränderte. Dazu analysierten sie Stickstoffisotope, also unterschiedliche Formen des Elements Stickstoff, in winzigen fossilen Schalen von Foraminiferen. Die in den Schalen erhaltenen chemischen Signaturen liefern Hinweise darauf, welcher Anteil des Nährstoffs Nitrat einst von pflanzlichem Plankton aufgenommen wurde.
Das Material stammt aus vier Tiefseebohrkernen im Atlantik und Indischen Ozean, darunter zwei Fundorte im antarktischen Südozean und zwei Vergleichsstandorte in mittleren Breiten. Durch den Vergleich ließ sich die Veränderung des Nährstoffverbrauchs im Südozean von übergreifenden Veränderungen des marinen Stickstoffkreislaufs unterscheiden. Damit erschließt die Analyse eine Zeitspanne, aus der keine direkten Messungen des damaligen Meerwassers existieren.
Die Isotopendaten sprechen dafür, dass der Anteil des verbrauchten Nitrats im Südozean auf dem Höhepunkt der Wärmephase um rund 40 Prozent zurückging. Demnach blieben mehr Nährstoffe im Oberflächenwasser ungenutzt, während die biologische Kohlenstoffpumpe weniger Kohlenstoff in der Tiefsee festhalten konnte. Das Ergebnis fällt zeitlich mit den besonders hohen rekonstruierten Temperaturen und CO₂-Konzentrationen zusammen.
Welche Veränderung den geringeren Nährstoffverbrauch genau verursachte, lässt sich aus den Schalen allein nicht bestimmen. Eine Möglichkeit ist, dass stärkere Meeresströmungen und Durchmischung zusätzliche Nährstoffe an die Oberfläche transportierten. Ebenso könnte das Plankton weniger stark gewachsen sein und dadurch weniger organisches Material in die Tiefe befördert haben.
Beide Erklärungen können die Speicherung von Kohlenstoff im Ozean schwächen. Gerade der Südozean verbindet das kohlenstoffreiche Tiefenwasser mit der Meeresoberfläche, sodass Veränderungen dort auch den Austausch von CO₂ mit der Atmosphäre beeinflussen.
Um die mögliche Klimawirkung zu beziffern, übertrug das Team die rekonstruierte Veränderung des Nährstoffverbrauchs in ein vereinfachtes Ozean-Atmosphäre-Modell. Ohne zusätzliche Rückkopplungen stieg die berechnete CO₂-Konzentration darin von einem angenommenen Ausgangswert von 700 auf etwa 900 Teile pro Million. Berücksichtigte das Modell außerdem die Erwärmung und Veränderungen der Meerwasserchemie, erreichte der Wert ungefähr 1.100 Teile pro Million.
Der zusätzliche Anstieg von rund 400 Teilen pro Million würde damit mindestens die Hälfte des für diese Wärmephase rekonstruierten CO₂-Zuwachses von etwa 800 Teilen pro Million erklären. Die Zahlen beschreiben jedoch ein Modellergebnis und keinen unmittelbar gemessenen CO₂-Ausstoß des Südozeans. Auch andere natürliche Quellen und Prozesse könnten zur damali