Marine Primärproduktion und die biologische Kohlenstoffpumpe

Ein Forschungsziel des Teams besteht darin, die Reaktionen des Ökosystems auf eine sich verändernde Meeresumwelt besser zu verstehen und darzustellen. Durch die Simulation der wichtigsten "Funktionstypen" des Planktons, die die Basis des marinen Nahrungsnetzes bilden, können wir die wichtigsten globalen Muster des marinen Ökosystems und seine Rolle in den biogeochemischen Kreisläufen nachbilden. Wir untersuchen, wie Umweltfaktoren die Planktongemeinschaften steuern, was uns wiederum ermöglicht, mögliche Veränderungen im Zusammenhang mit dem Klimawandel besser zu prognostizieren. Dies ist von vorrangiger Bedeutung, da jede Veränderung der planktonischen Gemeinschaften und/oder der Produktivität große Auswirkungen haben kann auf: (1) das marine Nahrungsnetz, insbesondere in den empfindlichen polaren Ökosystemen, und (2) die so genannte "Biologische Kohlenstoffpumpe", eine Sammlung von biologisch vermittelten Prozessen, die Kohlenstoff in die Tiefsee befördern.

Biomassekonzentrationen der funktionellen Phytoplankton-Gruppen im Biogeochemiemodell REcoM (Mittelwert über die oberen 150 m der Wassersäule; aus Seifert et al., 2022).

Kreislauf der organischen Substanz zwischen Primärproduzenten, Zooplankton und sinkenden Partikeln im ozeanischen biogeochemischen Modell REcoM (modifiziert aus Karakuş et al. 2021).

Modellierung von Eisen im Meerwasser und Rückkopplungen mit der Physiologie von Phytoplankton und den Elementkreisläufe

Wir nutzen das zunehmende prozessbasierte Verständnis der Eisenbiogeochemie und der Phytoplanktonphysiologie, um die Beschreibung des Eisenkreislaufs in biogeochemischen Modellen, seine Rolle für die physiologischen Anpassungen des Phytoplanktons und die sich daraus ergebenden Konsequenzen für die Elementflüsse, z. B. von Silizium und Eisen, zu verbessern.

Eisen kommt im Ozean in einer Reihe verschiedener chemischer und physikalischer Formen vor, und diese so genannte Speziation wirkt sich stark auf die Löslichkeit von Eisen und die biologische Verfügbarkeit aus.

Die Modelle sind notwendigerweise global, aber der Schwerpunkt der Analyse liegt auf den mehr als 30 % des Oberflächenozeans, die permanent oder periodisch eisenbegrenzt sind, insbesondere im Südlichen Ozean.

Veranschaulichung von zwei Rückkopplungsschleifen zwischen dem Eisenkreislauf und der biologischen Produktion, die durch die Produktion organischer eisenbindender Liganden vermittelt werden. Eine Rückkopplung ist destabilisierend (blau), die andere stabilisierend (rot) zwischen dem Eisenzyklus und der Primärproduktion (Völker and Ye, 2022).

Aufnahme und Kreislauf von anthropogenem Kohlenstoff im Ozean

Wir simulieren die sich verändernde Kohlenstoffaufnahme im Ozean als Reaktion auf die vom Menschen verursachte Störung des atmosphärischen CO2-Gehalts und des Klimas. Die Zunahme der ozeanischen Kohlenstoffsenke in den letzten Jahrzehnten ist auf den Anstieg des CO2-Gehalts in der Atmosphäre zurückzuführen. Der Einfluss des Klimawandels ist derzeit viel geringer, aber die ozeanische Senke wäre ohne den Klimawandel in den letzten Jahren etwa 5 % höher gewesen (Friedlingstein et al., 2022).

Wir simulieren die jüngste Vergangenheit in eigenständigen Ozeansimulationen, die auch zum Global Carbon Budget und zur Regional Carbon Cycle Assessment and Processes-Projektphase 2 (RECCAP2) beitragen. Weitere Informationen zur Schätzung der ozeanischen Senke im Global Carbon Budget finden Sie unter hier.

Im Rahmen des MarEsys-Projekts haben wir den ozeanischen Kohlenstoffkreislauf in das AWI-Erdsystemmodell implementiert und simulieren die historische und künftige anthropogene Kohlenstoffaufnahme des Ozeans unter niedrigen und hohen Emissionsszenarien.

Ein Schwerpunkt der Gruppe ist die Bildung von Tiefen- und Bodenwasser, z. B. Vorläufer des antarktischen Bodenwassers (Nissen et al., 2022). Wir untersuchen auch die Effizienz von ozeanbasierten negativen Emissionsszenarien.

Historische und potenzielle zukünftige globale Kohlenstoffsenke im Ozean, modelliert mit unserem Erdsystemmodell AWI-ESM-1-REcoM2.

Kohlenstoffbindung durch Tiefenwasserbildung im Weddellmeer (Nissen et al., 2022).

Kohlenstoffkreislauf während der Eiszeit

Veränderungen im marinen Kohlenstoffkreislauf und der marinen Kohlenstoffspeicherung wirken sich stark auf den atmosphärischen CO2-Gehalt aus und sind ein zentrales Thema der Paläoklimaforschung. Mit Hilfe von vollständig gekoppelten ESM- und reinen Ozeansimulationen untersuchen wir die Rolle einzelner Faktoren (z. B. Temperatur, Ozeanzirkulation, Meereisausdehnung und Staubablagerung) oder deren Kombinationen bei der Regulierung der ozeanischen Kohlenstoffpumpe während der Zwischeneis- und Eiszeiten. Dabei arbeiten wir eng mit der Sektion Paläoklimadynamik und Glaziologie zusammen und beteiligen uns mit unseren ESM-Ergebnissen an Modellvergleichen mit anderen deutschen Instituten.

Anomalie des gelösten anorganischen Kohlenstoffs (DIC, mmol/m3) und des Salzgehalts (psu) zwischen Simulationen für das vorindustrielle und das letzte glaziale Maximum (LGM minus PI, Zeitscheiben-Simulationen nur für den Ozean; aus Du et al., 2022).