Transport in die Tiefe

Beide Pumpen sind schon seit vielen Jahrmillionen aktiv. Urzeitliche Ablagerungen der Karbonat-Pumpe kennen wir heute vor allem als Kreidefelsen wie jene der Insel Rügen. Teile des einst vom organisch basierten Mechanismus deponierten Kohlenstoffs indes sind für den jetzigen Klimawandel mitverantwortlich. Aus ihnen gehen die fossilen Brennstoffe Erdöl und Gas hervor.

Die Basis der organischen Kohlenstoffpumpe bildet das Phytoplankton – einzellige Algen und andere autotrophe Kleinstlebewesen wie Cyanobakterien. Um Photosynthese betreiben zu können, benötigen diese Mikro-Gewächse neben Licht auch CO2. Und davon gibt es im Meerwasser genug. Der Kohlenstoff wird photosynthetisch in organische Materie eingebunden und ist dann Bestandteil der Zellen. Phytoplankton ist das Fundament der marinen Nahrungspyramiden. Die Winzlinge machen ganze Heerscharen von Kleinkrebsen, Flügelschnecken und sonstigen Zooplankton-Geschöpfen satt. Diese werden dann von größeren Tieren verzehrt. Totes und Ausgeschiedenes nimmt das Meeresökosystem wieder auf, Kohlenstoff inklusive.

Variable Material-Mengen

Judith Hauck analysiert die Kohlenstoffströme im globalen Kontext. Jährlich werden zwischen sechs und zehn Gigatonnen Kohlenstoff als organisches Material aus den oberen Meeresbereichen in die Tiefsee transportiert, erklärt die ebenfalls am AWI tätige Ozeanographin. Dazu kommen rund zweieinhalb Gigatonnen, die das Wasser physikalisch gelöst aufnimmt. Die Mengen schwanken von Jahr zu Jahr. „Wir wissen aber noch nicht, wie groß diese Variabilität genau ist“, sagt Hauck.

Im Pazifik ist die periodische warme Meeresströmung „El Niño“ ein wichtiger Treiber der CO2-Einlagerung. Auch Vulkanausbrüche dürften laut Hauck einen Beitrag liefern. Weil ihre Aerosole die Sonneneinstrahlung verringern und sich die Meeresoberfläche dementsprechend etwas abkühlt, kann kurzfristig mehr CO2 im Wasser gelöst werden. Berechnungen von Hauck und ihren Kollegen weisen allerdings auf eine Freisetzung von Kohlendioxid in manchen tropischen Ozeanregionen hin. Diese neue Entwicklung ist wohl auf den Klimawandel zurückzuführen. Mancherorts gast infolge der Wassererwärmung wohl schon CO2 aus, anstatt dass es aufgenommen wird.

Für die Wissenschaft ist auch das Wirken der biologischen Pumpen ein schier unendliches Puzzle. Das Zusammenspiel Tausender Spezies in einem ozeanischen Gefüge, beeinflusst von höchst variablen abiotischen Faktoren, ist kaum überschaubar. Trotzdem lassen sich bereits mehrere große Linien erkennen. Meeresschnee zum Beispiel wird hauptsächlich von der Schwerkraft in die Tiefe gezogen, das Absinken der Partikel kann aber durch Wasserbewegungen beschleunigt werden. Wirbel, die häufig an ozeanischen Fronten auftreten, spielen deshalb eine wichtige Rolle. Dasselbe gilt für sich unter- und übereinander schiebende Wasserschichten – ähnlich wie bei Eisschollen. Wie lange die Meeresschneeflocken für ihre Reise in die Tiefsee benötigen, und ob sie überhaupt dort ankommen, hängt zusätzlich von ihrer Gestalt, Zusammensetzung und Besiedlung ab. Schweres, Kompaktes sinkt schneller als Filigranes oder Blättriges. Manches bleibt gar schwebend – vorausgesetzt, es wird nicht anderweitig nach unten befördert.

Vertikale Wanderung

Es gibt nämlich so etwas wie ein lebendiges Transportband. Jeden Abend begeben sich Milliarden von Meeresbewohnern auf eine vertikale Wanderung. Sie steigen aus der Tiefe des Ozeans in die oberen Etagen hinauf, um dort im Schutze der Dunkelheit zu fressen. Wenn der Morgen graut, kehren diese Pendler wieder in ihre Tagesquartiere zurück. Letztere liegen meistens unterhalb der 200-Meter-Linie, im Mesopelagial, wo praktisch kein Licht mehr hinkommt. Die Mengen an täglich migrierendem Getier sind enorm. Nach Erfindung des Sonars beobachteten Seeleute eine zunächst rätselhafte Wasserschicht, welche die Signale der Geräte ähnlich stark reflektierte wie der Meeresgrund. Heute weiß man, dass dieser falsche Boden lebt. Laternenfische aus der Familie Myctophidae stellen oft die Hauptmasse. Während die Schwärme in der Tiefe ruhen, wird das oben Verzehrte verdaut. Der am Ende über den Kot ausgeschiedene Kohlenstoff hat dann eine Freifahrt abwärts bekommen, überaus schnell und hocheffizient. Denn die Speicherung im Ozean werde entscheidend von der Wassertiefe bestimmt, erklärt Morten Iversen. Sobald Carbon jenseits der 100-Meter-Marke gelangt sei, könne es dort Jahrzehnte lang bleiben. Ab 1.000 Meter Tiefe betrage die durchschnittliche Verweildauer mehrere Jahrhunderte und nahe dem Tiefseeboden sogar Millennien, sagt der Experte. Ob der Kohlenstoff anorganisch gelöst oder in organisch gebundener Form vorliegt, ist dabei eher zweitrangig.

Außerhalb der Küstenregionen bestehen die Ozeane normalerweise aus zwei weitgehend voneinander getrennten Wasserkörpern: der oberflächennahen sogenannten euphotischen Zone (Epipelagial), und allem, was darunterliegt. Die Grenze bildet die Pyknokline, eine dünne Schicht mit starkem Temperaturgefälle – das können leicht zehn Grad Celsius sein. Das kalte Tiefenwasser ist salzhaltiger und reicher an gelösten Stoffen, weshalb man auch von einer Chemokline spricht. Zusammen bewirken die Unterschiede eine größere Dichte des unteren Wasserkörpers, was den Austausch vor allem nach oben behindert. Die Pyknokline stellt somit eine Art natürliche Barriere dar, leicht überwindbar nur für Lebewesen und manches Sinkendes.

Wie viel Organisches im Ozean gelagert wird, hängt davon ab, wie viel Biomasse in der euphotischen Zone entsteht. Mit anderen Worten: von der Primärproduktion des Phytoplanktons. Und auch der Krill – eine Stufe weiter in der Nahrungskette – hat Einfluss. Die kleinen Garnelen ernähren sich zum Großteil von einzelligen Algen, welche sie aus dem Wasser herausfiltern oder, in der Antarktis, vom Meereis abweiden. Krillkot wird in Form von festen Pellets abgesetzt. Diese kompakten Mini-Köttel sinken mit einer Geschwindigkeit von rund 250 Metern pro Tag, manchmal auch schneller. Dadurch wird viel organisches Material rasch in die Tiefe geschickt. Im Südpolgebiet ist Krill dementsprechend für bis zu 72 Prozent der regionalen Kohlenstoff-Speicherung verantwortlich. „Insgesamt binden die Garnelen dort pro Jahr indirekt genauso viel CO2, wie 35 Millionen Autos im selben Zeitraum ausstoßen“, so Iversen.

Beim Verdauen von Phytoplankton setzt Krill ordentlich Eisen um. Dieses Spurenelement ist für die Primärproduktion von entscheidender Bedeutung: ohne Eisen kein Algenwachstum. Im Südlichen Ozean, der Antarktis inklusive, sind seine Mengen allerdings eher knapp bemessen. Dementsprechend wird die Vermehrung des Phytoplanktons meistens von den Eisenkonzentrationen begrenzt. Über das Wiederausscheiden von Eisen düngt der Krill seine eigene Nahrungsquelle und treibt gleichzeitig die biologische Kohlenstoffpumpe weiter an. Die Garnelen nehmen deshalb eine zentrale Position im ozeanischen Stoffwechsel ein.

Konkurrenz für den Krill

In letzter Zeit bekommt der Krill zunehmend Konkurrenz durch Salpen. Systematiker ordnen die sackartigen Geschöpfe als ferne Verwandte der Urwirbeltiere ein. Auf den ersten Blick könnte man sie für Quallen halten. Ihre Lebensweise ist pelagisch: Sie ziehen durchs offene Wasser und filtern Futter heraus. Salpen bilden mitunter riesige Populationen. Der Südliche Ozean beherbergt enorme Schwärme von Salpa thompsoni, einer typischen Kaltwasserspezies, die ihr Verbreitungsgebiet in den vergangenen Jahrzehnten stetig erweitert hat. Der Krill hat sich währenddessen immer näher an den antarktischen Kontinent zurückgezogen. Wissenschaftler sehen darin eine mögliche Folge des Klimawandels. Salpa thompsoni bevorzugt etwas höhere Wassertemperaturen als Euphausia superba, der Antarktische Krill. Abgesehen davon scheint Meereis vor allem für die jungen Garnelen ein wichtiger Lebensraum zu sein. Und der schwindet zusehends.

Die möglichen Folgen des Tiertausches bereiten der Fachwelt Kopfzerbrechen. Krill und Salpen haben nämlich Einiges gemeinsam: nicht nur, dass beide Arten in Massen vorkommen und überwiegend Phytoplankton fressen, auch ihr Stuhlgang ähnelt sich. Die Kotpellets der Salpen sind allerdings etwas größer und sinken ungefähr doppelt so schnell wie die des Krills – was Biologen an Bord des Forschungsschiffs „Polarstern“ tatsächlich mit Kötteln in Antarktis-Meerwasser getestet haben. Die Forscher untersuchten auch die sonstigen Eigenschaften der Kotpartikel. Demnach enthalten die Pellets von Salpen zwar mehr Kohlenstoff als die von Krill. Doch sie zerfallen offenbar viel schneller. Nur 20 Prozent der Salpen-Ausscheidungen sinken deshalb in über 200 Meter Tiefe ab. Der Rest zerkrümelt und bleibt in der epipelagischen Zone. Anfangs hatten die Wissenschaftler angenommen, die Salpen würden den Kohlenstoff-Transport in die Tiefsee verstärken. Doch offenbar ist das Gegenteil der Fall.

„Der Südliche Ozean ist das Zentralkraftwerk der marinen CO2-Sequestrierung. Rund 40 Prozent der globalen Aufnahme in den Meeren findet hier statt“, erklärt Iversen. Das liege einerseits an der schieren Größe dieser Region und andererseits am Nährstoffreichtum: Phosphor und Stickstoff satt, ein Schlaraffenland für Phytoplankton. Sollten aber die Krillbestände weiter abnehmen und den Salpenpopulationen Platz machen, könnte das die biologische Pumpleistung des Ökosystems drosseln. Keine gute Perspektive für das Weltklima. Immerhin: Obwohl Salpenkot der direkten Kohlenstoff-Einlagerung nur begrenzt nutzt, hat es dafür andere Qualitäten. Die zerbröselnden Pellets setzen deutlich mehr Eisen frei als die Hinterlassenschaften von Krill, und die biologische Verfügbarkeit des Spurenelements ist ebenfalls besser. Das stimuliert die Primärproduktion. Inwiefern dieser Effekt das Defizit im Kohlenstoff-Transport ausgleichen kann, bleibt vorerst offen.

Dünger dank Walen

Beim Thema Eisen-Recycling tritt eine weitere Gruppe auf die Bühne: die Wale. Mit ihren bis zu 200 Tonnen Individualgewicht sind die Meeressäuger ein buchstäblich schwerwiegender Faktor. Bartenwale wie der Blauwal vertilgen bekanntlich Unmengen an Krill. Sind die einmal verdaut, wird ein Großteil des darin enthalten Eisens mit den Walexkrementen direkt wieder ins Wasser abgegeben. Natürlich enthalten die Fäkalien auch andere Spurenelemente plus Phosphor und Stickstoffverbindungen. Fürwahr ein erstklassiger Dünger.

Einen besonders großen Beitrag zur Nährstoffversorgung leisten derweil die Pottwale. Sie fressen keinen Krill, sondern Tintenfische, die sie in den finsteren Tiefen erbeuten. Ein einziger Pottwal verzehrt pro Tag zwischen 400 und 1500 Kilo Kalmare & Co. Auch aus dieser Biomasse gelangt vieles rasch zurück ins Meer. Die Besonderheit: Pottwale entleeren praktisch vor jedem Tauchgang ihren Darm, der Kot wird dabei durch die mächtige Schwanzflosse verquirlt. Das Ergebnis: Die Riesen transportieren ständig essenzielle Nährstoffe aus der Tiefe in das Epipelagial, wo sie dann umgehend dem Phytoplankton zur Verfügung stehen. Meeresbiologen nennen das die „Walpumpe“.

Leider sind die Giganten heute noch immer rar – eine Spätfolge der einst gnadenlosen Bejagung. Die Bestände erholen sich nur langsam. Trotzdem scheint das Südpolarmeer nicht unter Nährstoffmangel zu leiden. Iversen fragt sich deshalb, ob die Salpen mit ihrem schnellen Recycling nicht zumindest partiell die Rolle der Wale übernommen haben. Bisher ist das allerdings eine eher vage Theorie.

Das Gemenge aus Phytoplankton, Krill, Salpen und Walen bildet zudem nur einen Teil der riesigen biochemischen Maschinerie. Zigtausende weitere Spezies haben ihren Platz im Gefüge, darunter die Bakterien auf dem Meeresschnee, die ebenfalls organisches Material verdauen. Nicht unwesentlich dürfte auch das Wirken der sogenannten Phagen sein. Diese Viren befallen Bakterien und bringen sie zum Platzen. Der Zellinhalt geht dann direkt wieder ins Wasser über, mitsamt Nährstoffen. Noch mehr Futter für das Phytoplankton.

Inzwischen zeigt sich sogar, dass Phytoplankton nicht nur in Form von Tierkost der CO2-Einlagerung dient. Kai Wirtz von der Universität Kiel hat zusammen mit seinen Kollegen eine faszinierende Entdeckung gemacht. Das Team wollte der mysteriösen Mobilität dieser grünen Winzlinge auf den Grund gehen. „60 bis 70 Prozent aller Phytoplankton-Arten können sich fortbewegen“, sagt der Meeresbiologe. Viele schwimmen aktiv, andere wiederum ändern ähnlich wie Heißluftballons ihren Auftrieb und wechseln so die Position. Umfassende Analysen zeigten schließlich des Rätsels mutmaßliche Lösung auf: Ein Großteil des Phytoplanktons scheint nämlich ebenfalls zu pendeln, wie das pelagische Getier. Denn ganz oben gebe es zwar viel Licht, aber die Nährstoffe könnten schnell knapp werden, erläutert Wirtz. Die Mikro-Gewächse steigen deshalb wohl zur Chemokline herab, tanken sich dort mit Phosphor und Eisen voll und ziehen dann zur Photosynthese zurück auf die Sonnenetage. Logischerweise dürfte auch diese Massenmigration mit signifikanten Materialströmen einhergehen.

Die Bedeutung der Phytoplankton-Wanderung für die marine Kohlenstoff-Einlagerung lasse sich derzeit noch nicht einordnen, so Wirtz. „Doch dieser Prozess weist zumindest auf höhere Umsatzraten hin.“ Auch die AWI-Experten Judith Hauck und Morten Iversen sehen gespannt in die Zukunft. „Wir vermuten, dass es noch einige unentdeckte biologische Pumpen gibt.“

Korrektur: In einer früheren Version hatten wir geschrieben, dass im Pazifik die periodische kalte Meeresströmung “El Niño” ein wichtiger Treiber der CO2-Einlagerung ist. Richtig ist aber, dass “El Niño” eine warme Meeresströmung ist. Eine kalte Meeresströmung ist “La Niña”. Wir bitten den Fehler zu entschuldigen.