Biogeochemische Kreisläufe der Ozeane

Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und andere Elemente zirkulieren in eng gekoppelten Kreisläufen durch den Ozean, angetrieben durch Biologie, Chemie und Zirkulation, was das Meer zu einem wichtigen Regulator des Klimas und der Chemie der Erde macht.

Definition

Biogeochemische Kreisläufe der Ozeane sind die gekoppelten Wege, auf denen biologisch und geochemisch wichtige Elemente zwischen gelösten, partikulären, lebenden und sedimentären Reservoiren im Meer zirkulieren und mit der Atmosphäre ausgetauscht werden.

Scope

Dieses Thema behandelt den marinen Kohlenstoffkreislauf und die Löslichkeits- und biologischen Kohlenstoffpumpen, den Stickstoffkreislauf einschließlich Fixierung, Nitrifikation und Denitrifikation, den Kreislauf von Phosphor, Silizium und Eisen, den Gasaustausch mit der Atmosphäre und die Kopplung dieser Kreisläufe an die Ozeanzirkulation und Sedimente.

Core questions

• Wie transportieren die Löslichkeits- und biologischen Pumpen Kohlenstoff von der Oberfläche in den tiefen Ozean?
• Welche mikrobiellen Transformationen treiben den marinen Stickstoffkreislauf an, und wie sind Stickstoffeinträge und -verluste ausgeglichen?
• Wie sind die Kreisläufe verschiedener Elemente durch organische Materie und Zirkulation miteinander verbunden?
• Wie regulieren diese Kreisläufe das atmosphärische Kohlendioxid über kurze und geologische Zeitskalen hinweg?

Key theories

Löslichkeits- und biologische Kohlenstoffpumpen

Kohlenstoff wird sowohl physikalisch, wenn kaltes Oberflächenwasser absinkt und gelöstes Kohlendioxid mit sich führt, als auch biologisch, wenn absinkende organische Partikel Kohlenstoff von der Oberfläche wegtransportieren, in den tiefen Ozean gezogen.

Gleichgewicht des marinen Stickstoffkreislaufs

Biologische Stickstofffixierung fügt gebundenen Stickstoff hinzu, während Denitrifikation und Anammox ihn entfernen, und das langfristige Gleichgewicht dieser mikrobiellen Prozesse reguliert den Bestand dieses oft limitierenden Nährstoffs im Ozean.

Mechanisms

Photosynthese bindet Kohlenstoff und Nährstoffe in organische Materie, die absinkt und in der Tiefe respiriert wird, während Gasaustausch und das Absinken von kaltem, dichtem Wasser Kohlendioxid nach unten transportieren; mikrobielle Gemeinschaften wandeln Stickstoff zwischen seinen Oxidationsstufen um, und die langsame Ablagerung in Sedimenten schließt die Kreisläufe über geologische Zeiträume. Die Zirkulation verbindet Oberflächen- und Tiefenreservoire und bestimmt die Zeitskalen des Austauschs.

Clinical relevance

Diese Kreisläufe steuern, wie viel Kohlendioxid der Ozean aus der Atmosphäre entfernt und somit seine Rolle bei der Klimamoderation, während Verschiebungen im Nährstoff- und Sauerstoffkreislauf, die durch Erwärmung und Verschmutzung verursacht werden, die Produktivität, Todeszonen und die Emission von Treibhausgasen wie Lachgas verändern.

History

Aufbauend auf Redfields Elementarverhältnissen entstand die moderne Synthese der marinen Biogeochemie aus globalen Vermessungsprogrammen (GEOSECS, JGOFS, WOCE) im späten zwanzigsten Jahrhundert und aus dem Denken im Erdsystem, das die ozeanischen Kreisläufe als zentrale Komponenten der planetaren Kohlenstoff- und Stickstoffbudgets betrachtete.

Key figures

• Alfred Redfield
• Paul Falkowski
• Nicolas Gruber

Seminal works

• sarmientoGruber2006
• falkowski2000

Frequently asked questions

Was ist die biologische Pumpe?

Es ist die Gesamtheit der Prozesse, durch die marines Leben gelöstes Kohlendioxid in organische Materie umwandelt, die in den tiefen Ozean absinkt und Kohlenstoff vom Kontakt mit der Atmosphäre wegbewegt.

Wie beeinflusst der Ozean das atmosphärische Kohlendioxid?

Durch Gasaustausch und seine Löslichkeits- und biologischen Pumpen absorbiert der Ozean einen großen Teil der menschlichen Kohlendioxidemissionen und reguliert über längere Zeiträume den natürlichen Gehalt des Gases in der Atmosphäre.