Biologische Pumpe und Kohlenstoffexport

Durch die Fixierung von Kohlenstoff an der Oberfläche und das Absinken eines Teils davon in die Tiefe betreibt das marine Leben eine Pumpe von planetarischem Ausmaß, die den atmosphärischen Kohlendioxidgehalt weitaus niedriger hält, als er sonst wäre.

Definition

Die biologische Pumpe ist die Gesamtheit der biologischen Prozesse, die organischen Kohlenstoff vom sonnenbeschienenen Oberflächenozean in die Tiefe transportieren, wo er von der Atmosphäre ferngehalten wird; Kohlenstoffexport ist der Abwärtsfluss dieser organischen Substanz aus der Oberflächenschicht.

Scope

Dieses Thema umfasst die Produktion und das Absinken organischer Partikel, die Prozesse des Exports und der Remineralisierung durch die Wassersäule, die Messung des Kohlenstoffexportflusses, die Rolle der Zooplanktonmigration und -aggregation sowie die Kontrollen und die Effizienz der biologischen Pumpe und ihre Empfindlichkeit gegenüber einem sich wandelnden Ozean.

Core questions

• Welcher Anteil der primären Oberflächenproduktion wird in den tiefen Ozean exportiert?
• Wie nimmt absinkende organische Substanz mit der Tiefe durch Remineralisierung ab?
• Welche Rolle spielen Partikelaggregation und Zooplanktonmigration beim Export?
• Wie effizient ist die biologische Pumpe, und wie könnte sie sich mit Erwärmung und Versauerung verändern?

Key theories

Weichgewebe- und Karbonatpumpen

Das Absinken von organischem Material (Weichgewebe) senkt den Oberflächenkohlenstoff und das atmosphärische Kohlendioxid, während die Karbonat-Gegenpumpe aus der Schalenbildung dies teilweise ausgleicht, und ihr Gleichgewicht bestimmt die Netto-Biokontrolle des atmosphärischen Kohlenstoffs.

Export- und Remineralisierungstiefe

Der größte Teil der exportierten organischen Substanz wird in der oberen Wassersäule verbraucht und veratmet, so dass die Tiefe, in der sie remineralisiert wird, bestimmt, wie lange der Kohlenstoff von der Atmosphäre sequestriert wird.

Mechanisms

Phytoplankton fixiert Kohlenstoff an der Oberfläche; ein Teil sinkt als Aggregate, Fäkalpellets und abgestorbene Zellen ab und wird durch wanderndes Zooplankton weiter nach unten transportiert. Während die Partikel absinken, veratmen Bakterien und Tiere den größten Teil des Kohlenstoffs in gelöster Form in geringen Tiefen, während der kleine überlebende Anteil den tiefen Ozean und die Sedimente erreicht, wo er über Jahrhunderte bis Jahrtausende gespeichert werden kann.

Clinical relevance

Die biologische Pumpe ist ein wichtiger Kontrollfaktor für atmosphärisches Kohlendioxid und damit für das Klima; ihr Verständnis und ihre Quantifizierung sind zentral für die Projektion der Kohlenstoffsenke des Ozeans und für die Bewertung vorgeschlagener Strategien zur marinen Kohlendioxidentfernung, wie z.B. der Ozeandüngung.

History

Das Konzept kristallisierte sich in den 1980er Jahren heraus, als Volk und Hoffert die Löslichkeits- und biologischen Pumpen des Ozeans unterschieden und ihre Rollen bei der glazial-interglazialen Kohlendioxidveränderung quantifizierten, was Jahrzehnte von Flussmessungen und die von Martin ausgelöste Debatte über die Eisendüngung motivierte.

Key figures

• Tyler Volk
• Wallace Broecker
• John Martin

Seminal works

• sarmientoGruber2006
• volkHoffert1985

Frequently asked questions

Warum wird es als Pumpe bezeichnet?

Ähnlich wie eine mechanische Pumpe, die Flüssigkeit gegen einen Gradienten bewegt, transportiert das marine Leben kontinuierlich Kohlenstoff von der Oberfläche in den tiefen Ozean, wodurch ein Unterschied in der Kohlenstoffkonzentration zwischen beiden aufrechterhalten wird, der das atmosphärische Kohlendioxid senkt.

Könnte die Stärkung der biologischen Pumpe den Klimawandel bekämpfen?

Vorschläge wie die Düngung des Ozeans mit Eisen zielen darauf ab, den Kohlenstoffexport zu steigern, aber die Menge und Dauerhaftigkeit der Sequestrierung sind unsicher und es gibt ökologische Risiken, so dass solche Ansätze wissenschaftlich umstritten bleiben.