Effects of increasing temperatures and CO2 on phytoplankton and marine biogeochemical cycles – combining experimental work and numerical modeling

Der stetige Anstieg atmosphärischer Kohlendioxidkonzentrationen (CO2) führt zu einem globalen Temperaturanstieg. Gleichzeitig resultiert die Aufnahme von CO2 durch die Ozeane in beträchtlichen Veränderungen der Carbonatchemie des Meerwassers – ein Phänomen, welches im Allgemeinen als „Ozeanversauerung“ bezeichnet wird. Sowohl die Erwärmung als auch die Versauerung der Ozeane geschehen mit einer Geschwindigkeit, die in der jüngeren geologischen Vergangenheit beispiellos ist. Es wird damit gerechnet, dass dies signifikante Auswirkungen auf marine Lebewesen haben wird. In der vorliegenden Arbeit wurde die Sensitivität mariner Ökosysteme und biogeochemischer Kreisläufe gegenüber steigenden Temperaturen und CO2-Konzentrationen untersucht. Dabei wurde ein kombinierter Forschungsansatz aus numerischer Modellierung und experimenteller Arbeit angewandt. Zunächst wurde mit einem globalen Modell des Erdsystems untersucht, wie marine Ökosysteme auf Ozeanerwärmung reagieren und welche Bedeutung direkte Temperaturauswirkungen dabei spielen. Hierfür wurde der künftige Klimawandel basierend auf Emissionsszenarien für das 21. Jahrhundert simuliert. Die Studie offenbarte beträchtliche Unsicherheiten in unserem Verständnis der Temperatursensitivitäten mariner Ökosysteme und biogeochemischer Kreisläufe. In Simulationen des projizierten Klimawandels nahm die simulierte marine Primärproduktion entweder zu oder ab, abhängig davon, ob biologische Prozesse eine Temperatursensitivität beinhalteten oder nicht. Das Resultat dieser Modellstudie war Motivation für die Durchführung eines Mesokosmenexperiments, um die Temperatursensitivität biogeochemisch bedeutender Prozesse in Planktongemeinschaften, welche von Diatomeen dominiert werden, spezifisch zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Studie deuteten im Gegensatz zu früheren vergleichbaren Experimenten auf eine ausgeprägte Zunahme der Kohlenstoffaufnahme bei erhöhten Temperaturen hin. Da ein Hauptunterschied zu vorherigen Mesokosmenexperimenten die dominante Phytoplanktonart war, bestimmte möglicherweise die physiologische Reaktion dieser Spezies die biogeochemische Reaktion der gesamten Planktongemeinschaft. Um diese Hypothese zu testen wurden Kulturexperimente durchgeführt, in denen die Sensitivität zweier global bedeutender Diatomeenarten (Thalassiosira weissflogii und Dactyliosolen fragilissimus) gegenüber Temperatur und CO2 vergleichend untersucht wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten einen deutlichen Einfluss von Temperatur und CO2 auf Kohlenstoffaufnahme und -partitionierung in partikuläres und gelöstes organisches Material, und insbesondere auf das Phänomen des übermäßigen Kohlenstoffkonsums sowie die damit verbundene Entkopplung von Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf. Des Weiteren konnten die Experimente zeigen, dass sich die Sensitivität dieser Prozesse gegenüber Temperatur und CO2 deutlich zwischen den Arten unterscheidet. Damit konnte die Hypothese bestätigt werden, welche anknüpfend an die Mesokosmenstudie entstanden war. Die Resultate der diversen Laborexperimente waren der Grundstein für die Entwicklung eines neuartigen biogeochemischen Ökosystemmodells. Die meisten Modelle berücksichtigen weder übermäßigen Kohlenstoffkonsum und dynamische Stöchiometrie, noch die Sensitivität der damit verbundenen Prozesse gegenüber Temperatur und CO2, wie sie in den Laborexperimenten beobachtet wurde. Aus diesem Grund wurde ein Modell konstruiert, welches übermäßigen Kohlenstoffkonsum und dessen Sensitivität gegenüber Temperatur und CO2 simuliert. Die Anwendung dieses Modells könnte dabei helfen zu verstehen, wie sich übermäßiger Kohlenstoffkonsum und damit verbundene Prozesse auf marine biogeochemische Kreisläufe auswirken. Überdies wurde untersucht wie sich eine wärmebedingte Abnahme der Viskosität des Meerwassers im Zuge der globalen Erwärmung auf Sinkgeschwindigkeiten mariner Partikel und den Kohlenstofffluss in die Tiefsee auswirken könnte. Die Anwendung eines globalen Erdsystemmodells konnte darlegen, dass dieser bisher übersehene „Viskositätseffekt“ in den nächsten Jahrhunderten und Jahrtausenden tiefgreifende Auswirkungen auf biogeochemische Stoffflüsse und Kohlenstoffaufnahme der Ozeane haben könnte. In dem Modellexperiment bewirkte der Viskositätseffekt eine signifikante Beschleunigung sinkender Partikel. Dies reduzierte effektiv den Anteil organischen Materials, welcher im oberflächennahen Ozean respiriert wurde und steigerte somit die langfristige Speicherung von atmosphärischem CO2 im Ozean. Die Repräsentation sinkender Partikel in biogeochemischen Modellen wurde in einer weiteren Sensitivitätsanalyse genauer untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass die Struktur verbreiteter Ökosystemmodelle dem Fluss organischen Materials aus der euphotischen Zone in die Tiefsee eine obere Begrenzung setzt, auch unter licht- und nährstoffgesättigten Bedingungen. Diese Obergrenze wird bestimmt durch die funktionale Form der verschiedenen Ökosystem-Prozessbeschreibungen sowie deren jeweiligen Parametereinstellungen. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass es fragwürdig ist, ob solche relativ simplen Ökosystemmodelle in der Lage sind, die Sensitivität biogeochemischer Flüsse gegenüber Umweltveränderungen zu simulieren, obwohl diese Modelle gegenwärtige Verteilungen biogeochemischer Tracer gut abbilden können. Zusammenfassend hat die vorliegende Doktorarbeit beträchtliche Sensitivitäten mariner Kohlenstoffflüsse gegenüber steigenden Temperaturen und CO2-Konzentrationen aufgezeigt. Diese sollten in künftigen Studien und Einschätzungen über die Folgen des Klimawandels auf marine Ökosysteme und Rückkopplungen im globalen Kohlenstoffkreislauf berücksichtigt werden.