Simulationsmodell will Prognosen des Klimawandels erleichtern
Eisenablagerungen aus Staub und Verbrennungsaerosolen sind für die marine Primärproduktion, d. h. die Synthese organischer Verbindungen aus Kohlendioxid aus der Atmosphäre oder Wasser, unabdingbar. Nur damit können Ozeane – hauptsächlich durch das Wachstum von Phytoplankton – bei der Bindung von Kohlenstoff (CO2) aus der Atmosphäre eine zentrale Rolle spielen und den durch den Menschen beschleunigten Klimawandel verlangsamen. Doch Eisen kommt im offenen Meer nur selten vor. Experimente im Geo-Engineering, mit denen bestimmte Regionen mit Eisen angereichert werden sollten, haben zwar das Wachstum des Phytoplanktons steigern können, aber die gesamten Auswirkungen von Nährstoffablagerungen in der Atmosphäre auf die Funktionsweise der Meere bleiben weiter unklar. Modellbausteine Um herauszufinden, wie sich die Luftqualität auf die Verarbeitung von Eisen in der Atmosphäre und auf die marine Primärproduktivität auswirkt, wurden im Rahmen des EU-geförderten Projekts ODEON Simulationen für die vorindustrielle Ära (1846 bis 1855), die Gegenwart (2001 bis 2010) und das Ende des Jahrhunderts (2091 bis 2100) durchgeführt. „Wir haben für die Chemie der gasförmigen und wässrigen Phase neue Simulationswerkzeuge sowie ein Modell der Biochemie des Ozeans entwickelt, mit dem sich die Wirkung atmosphärischer chemischer Vorgänge auf die Eisenablagerung auch auf die Meeresbiota übertragen lassen“, erklärt Projektkoordinator Prof. Maarten Krol. Diese Werkzeuge wurden dann für Modellrechnungen mit mehreren Skripten (Programmiersprache Python) und dem Basiscode von EC-Earth, einem Erdsystemmodell (ESM) der Europäischen Gemeinschaft, gekoppelt. Indem sie aktuelles Wissen über physikalische, chemische und biologische Prozesse der Erde in der Atmosphäre, den Ozeanen, der Biosphäre und an Land verknüpfen, sollen die hochmodernen Werkzeuge von EC-Earth all jene Aspekte simulieren können, die für das Funktionieren des Erdsystems relevant sind. Diese gemeinsamen Arbeiten zielen darauf ab, jahreszeitliche bis zu auf Jahrzehnte angelegte Prognosen sowie Vorhersagen zum Klimawandel zu unterstützen. „Lange gekoppelte Modellsimulationen sind wissenschaftlich hochinteressant, aber rechnerisch sehr anspruchsvoll. Wir haben eine Kombination verschiedener Techniken, wie zum Beispiel Zeitscheibensimulationen, eingesetzt und konnten so unsere Analyse erfolgreich durchführen“, so Prof. Krol. Die ODEON-Langzeitsimulation für die Gegenwart zeigt in den Weltmeeren insgesamt eine Produktion von 45 Petagramm Kohlenstoff pro Jahr (45 Pg-C/p. a.). Die entsprechende Nettoaufnahme von Kohlenstoff in den Ozeanen liegt bei 2,2 Pg-C/p. a., also rund 20 bis 25 % der aktuellen anthropogenen Kohlenstoffemissionen. Diese zahlen stimmten mit Schätzungen aus Beobachtungen und Vorhersagen anderer Modelle überein. Doch das ODEON-Modell hat im Vergleich zu anderen Untersuchungen stärkere regionale Veränderungen im Kohlenstofffluss errechnet. Dies schreiben die Forscher zum Teil dem menschlichen Einfluss auf die Mobilisierung von Eisen zu, zum Beispiel durch Aerosole, die bei der Verbrennung von Biomasse und fossilen Brennstoffen entstehen. „Dass sich Eisen ablagert, heißt nicht unbedingt, dass es auch bioverfügbar ist“, so Prof. Krol. Erkenntnisse über Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Ozean Die Ergebnisse aus ODEON zeigten außerdem die Zusammenhänge zwischen der Atmosphäre und Eutrophierung (Überfluss an Nährstoffen), die zu verstärktem Pflanzenwachstum und oft unerwünschten Veränderungen im Ökosystem führt. Dazu zählen beispielsweise die wirtschaftlichen Folgen einer Algenblüte für das Fischereigewerbe und den Tourismus. Eutrophierung wird von der GESAMP sogar zu den schädlichsten Wirkungen des Menschen auf die Ozeane gezählt. Parallel zur Verbreitung der Ergebnisse in der Wissenschaftsgemeinde, einschließlich des Konsortiums von EC-Earth, vernetzte sich ODEON mit Initiativen wie dem TM5-Fast Scenario Screening Tool für potenzielle Auswirkungen auf die Luftqualität sowie mit PISCES, das sich mit der marinen Primärproduktion beschäftigt. Da die Ergebnisse frei zugänglich sind, werden die belastbaren Informationen über das Erdsystem auch für politische Entscheidungsträger von Nutzen sein. Für eine noch höhere Genauigkeit der Klimaprognosen des ESM sind noch komplexere und detailliertere Berechnungen des Ökosystems der Ozeane notwendig. „Als Nächstes wollen wir diese Forschungsarbeiten auf andere limitierende Nährstoffe des Ozeans ausweiten und so EC-Earth bei der internationalen Forschung zum Kohlenstoffkreislauf ganz nach vorn bringen“, sagt Prof. Krol.
Schlüsselbegriffe
ODEON, Eisenablagerung, Ozean, Phytoplankton, Kohlenstoffbindung, atmosphärischer Nährstoff, Klimawandel, Eutrophierung, Kohlendioxid, marine Primärproduktion, Ökosystem
