The Arctic experiences some of the most rapid climate changes on the planet, resulting in significant sea-ice melt. This transformation exposed the Arctic Ocean to increasing sunlight, driving a 56% rise in organic matter production through photosynthesis (net primary production) over the past two decades, according to remote-sensing studies. At the same time, permafrost thaw is accelerating due to warming, releasing more nutrients and carbon into the Arctic Ocean, delivered from rivers and coastal erosion. While it might seem logical that these additional nutrients would enhance the ocean’s biological carbon pump, - boosting carbon uptake and long-term storage of carbon - a new study in Nature Climate Change by experts from the Alfred Wegener Institute reveals a surprising outcome. Instead of strengthening, the carbon pump is being weakened. The researchers found that intensified recycling processes and ecosystem impoverishment are undermining the pump’s efficiency, challenging assumptions about the Arctic’s ability to store carbon in a warming world.
Für ihre Studie nutzten die Forschenden ein hochmodernes, hochauflösendes Modell für die Biogeochemie der Ozeane, das Kohlenstoff- und Nährstoffeinträge sowohl aus Flüssen als auch aus der Küstenerosion einbezieht – ein Ansatz, der wegweisende Zukunftsprognosen ermöglicht. „Diese Einträge vom Festland und ihre Auswirkungen auf die biogeochemischen Kreisläufe im Ozean werden derzeit in den Modellen, die der Weltklimarat nutzt, übersehen“, sagt Dr. Laurent Oziel, Hauptautor und Modellierer am Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI). „In unserer Studie haben wir daher die zukünftige Entwicklung der biologischen Kohlenstoffpumpe genauer untersucht, sowie die biologischen Prozesse, die den Kohlenstoff von der Meeresoberfläche in die Tiefe transportieren, wo er langfristig gespeichert wird.“
Aufzug zum Meeresboden: die biologische Kohlenstoffpumpe
Die biologische Kohlenstoffpumpe (BCP) spielt eine entscheidende Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Sie reduziert den CO2-Gehalt in der Atmosphäre um etwa 200 ppm (Teile pro Million), im Vergleich zu einer Welt ohne sie. Die BCP befördert organischen Kohlenstoff von der Meeresoberfläche in die Tiefen des Ozeans und sichert so die langfristige Speicherung von photosynthetisch gebundenem Kohlenstoff.
Die Ergebnisse der Biogeochemie-Simulationen überraschte die Forschenden: Während die zusätzlichen Nährstoffe und das zusätzliche Licht die Nettoprimärproduktion ankurbelten, konnten sie weder die Effizienz noch die Stärke der BCP im Arktischen Ozean steigern. Vielmehr zeigten die Ergebnisse, dass der Klimawandel die Effizienz der Pumpe bis zum Jahr 2100 um 40 Prozent senken könnte. Die Forschenden erklären das durch intensivere Recyclingprozesse, ausgelöst durch die Ozeanerwärmung und den zunehmenden Eintrag von Stoffen vom Festland.
Darüber hinaus wirkt sich der zunehmende terrestrische Kohlenstoffeintrag aus tauenden Permafrostböden direkt auf die CO2-Flüsse zwischen Ozean und Atmosphäre aus. „Dieser zusätzliche Kohlenstoff vom Land führt zu einem intensiven CO2-Ausgasen an den Küsten und reduziert die Kohlenstoffsenke des Arktischen Ozeans um mindestens 10 Prozent“, erklärt Prof. Judith Hauck vom AWI. Zusammen verringern diese Rückkopplungen die Fähigkeit des Arktischen Ozeans, Kohlenstoff zu speichern. Das reduziert sein Potenzial, CO2 aufzunehmen um einen Betrag, der etwa der Hälfte der Emissionen von Spanien im Jahr 2023 entspricht.
Obwohl die Nettoprimärproduktion in Zukunft steigen könnte, scheint der Arktische Ozean in Zukunft immer weniger in der Lage zu sein, diese zusätzliche organische Substanz so in die Tiefe zu schicken, wie er es einst tat. Vielmehr wird Kohlenstoff immer öfter direkt an der Meeresoberfläche recycelt. „Unsere Studie stellt die Annahme in Frage, dass eine zunehmende Primärproduktion im Arktischen Ozean die Biologische Kohlenstoffpumpe auf natürliche Weise stärken wird“, schließt Laurent Oziel. „Wir haben Rückkopplungsmechanismen gefunden, die unseren Erwartungen widersprechen und unsere Sichtweise darauf verändern, wie der Kohlenstoffkreislauf des Arktischen Ozeans mit dem Klima interagiert, was möglicherweise tiefgreifende Auswirkungen auf den Ozean und die benthischen Ökosysteme hat.“
Originalpublikation
Laurent Oziel et al.: Climate change and terrigenous inputs decrease the efficiency of the future Arctic Ocean’s biological carbon pump, Nature Climate Change (2025). DOI: 10.1038/s41558-024-02233-6