Hitzewellen verändern die Kohlenstoffbindung im Meer

Marine Hitzewellen führen zu einem Rückgang des Meereises in Polarregionen. Quelle: Hereon/Hanna Joerss

Als marine Hitzewellen bezeichnen Forschende Phasen, in denen die Wassertemperatur im Meer mindestens fünf Tage lang höher ist als 90 Prozent der Temperaturwerte, die in einem 30-jährigen Vergleichszeitraum für dieselbe Region gemessen wurden. Sie können bis zu mehreren Wochen andauern. Bisher gingen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler davon aus, dass wärmeres Meerwasser weniger CO₂ aufnehmen kann, denn die physikalische Löslichkeit von Gasen nimmt mit steigender Temperatur ab. Bisherige Untersuchungen aus dem offenen Ozean zeigen klar eine entsprechende Abschwächung der natürlichen CO₂-Aufnahme während Hitzewellen. In polaren und subpolaren Schelfmeeren tritt jedoch ein gegenteiliger Effekt auf, wie die Hereon-Studie zeigt.

Meereis schmilzt, Primärproduktion steigt

Schelfmeere sind flache Meergebiete am Rand von Kontinenten wie zum Beispiel Regionen des Nordwest-Pazifiks und Nordatlantiks. Ihr Anteil an der weltweiten Ozeanfläche beträgt etwa 7 Prozent. In polaren Regionen führen marine Hitzewellen zu einem Rückgang des Meereises. Dadurch kann sich die offene Wasserfläche um bis zu 30 Prozent vergrößern. Zwischen der Atmosphäre und dem Meer herrscht ein ständiger Gasaustausch. Das Wasser nimmt unter anderem CO₂ aus der Luft auf. Eine dicke Meereisschicht wirkt wie eine Barriere und hemmt diesen Austausch. Schmilzt das Eis, kann mehr CO₂ vom flüssigen Wasser aufgenommen werden.

Gleichzeitig dringt durch den Rückgang des Eises mehr Licht ins Oberflächenwasser, was das Wachstum von Phytoplankton fördert. Diese mikroskopisch kleinen Algen sind die Nahrungsgrundlage allen Lebens im Meer. Sie bilden durch Photosynthese Biomasse und entziehen dem Wasser Kohlenstoff - die CO₂-Konzentration im Oberflächenwasser sinkt.

Die Forschenden analysierten mit modernen Ozeanmodellen riesige Datensätze zum CO₂-Austausch in globalen Küsten- und Schelfmeeren von 1985 bis 2020 und verglichen sie mit Daten des offenen Ozeans. Das Ergebnis: Während der Hitzewellen erhöhte sich die CO₂-Aufnahme in den Küsten- und Schelfmeeren weltweit um durchschnittlich 11 Prozent, während sie auf dem offenen Ozean um 8 Prozent sank. Das Team konnte zeigen, dass die Kombination aus vergrößerter eisfreier Wasserfläche und verstärkter CO₂-Aufnahme den durch die Erwärmung verursachten Rückgang der CO₂-Löslichkeit teilweise oder sogar vollständig ausgleichen kann.

Wichtige Erkenntnisse für Klimaprojektionen

„Auf den ersten Blick scheint die Sache einfach: Wärmeres Wasser löst weniger CO₂. Unsere Ergebnisse zeigen aber, dass Temperatur nur ein Faktor von vielen ist“, sagt Zhentao Hu, Erstautor der Studie und Doktorand am Hereon-Institut für Küstensysteme – Analyse und Modellierung.

„Unsere Ergebnisse liefern einen wichtigen Baustein, um die komplexen Entwicklungen des Klimas auf der Erde besser zu verstehen“, sagt der Co-Autor und Hereon-Forscher Dr. Wenyan Zhang. Er betont, dass die Studie einen einzelnen Aspekt eines hochkomplexen Systems beleuchtet. „Dass wir eine erhöhte CO₂-Aufnahme in Küsten- und Schelfmeeren feststellen, bedeutet nicht zwangsläufig, dass marine Hitzewellen positive Auswirkungen auf das Meer und das Klima haben. Marine Hitzewellen verursachen weltweit erhebliche Veränderungen. Durch das Schmelzen des Schelfeises steigt der Meeresspiegel, Lebensräume, Biodiversität und Nahrungsnetze werden verschoben, der Salzgehalt der Ozeane sinkt und die Erde erwärmt sich schneller, weil weniger Sonnenlicht vom Eis reflektiert wird."

Der Ozean nimmt heute einen erheblichen Teil der vom Menschen verursachten CO₂-Emissionen auf und ist damit ein wichtiger Faktor für das Klimageschehen auf der Erde. „Unklar ist, ob der Effekt der zusätzlichen CO₂-Aufnahme in Schelfmeeren auch in einer Zukunft bestehen bleibt, in der marine Hitzewellen häufiger, länger und intensiver werden könnten“, sagt Zhang. Die Studienergebnisse können dabei helfen, zukünftige Klimaszenarien besser einzuschätzen und zu berechnen. Das Zusammenspiel aller Faktoren des hochkomplexen Klimasystems muss in weiterführenden Studien genauer erforscht werden.

Spitzenforschung für eine Welt im Wandel

Das Ziel der Wissenschaft am Helmholtz-Zentrum Hereon ist der Erhalt einer lebenswerten Welt. Dafür erzeugen rund 1000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Wissen und erforschen neue Technologien für mehr Resilienz und Nachhaltigkeit – zum Wohle von Klima, Küste und Mensch. Der Weg von der Idee zur Innovation führt über ein kontinuierliches Wechselspiel zwischen Experimentalstudien, Modellierungen und künstlicher Intelligenz bis hin zu Digitalen Zwillingen, die die vielfältigen Parameter von Klima und Küste oder der Biologie des Menschen im Rechner abbilden. Damit wird interdisziplinär der Bogen vom grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis komplexer Systeme hin zu Szenarien und praxisnahen Anwendungen geschlagen. Als aktives Mitglied in nationalen und internationalen Forschungsnetzwerken und im Verbund der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt das Hereon mit dem Transfer der gewonnenen Expertise Politik, Wirtschaft und Gesellschaft bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft.