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Erde|Umwelt

Plattentektonik beeinflusst Sauerstoff im Ozean

Kontinente
Sauerstoffkonzentration am Meeresgrund bei gleichen Bedingungen, aber unterschiedlicher Kontinentverteilung. © Alexandre Pohl

Die Wasserzirkulation in den Ozeanen ermöglicht, dass sauerstoffreiches Wasser von der Oberfläche in die Tiefe gelangt – die Grundvoraussetzung für Leben in der Tiefsee. Bisher ging man davon aus, dass die Sauerstoffkonzentration in der Tiefe vor allem von der atmosphärischen Sauerstoffkonzentration abhängt. Anhand von Klimamodellen, die 540 Millionen Jahre Erdgeschichte umspannen, zeigt eine Studie nun jedoch, dass auch die Plattentektonik und die dadurch verursachten Meeresströmungen eine entscheidende Rolle für die marine Sauerstoffversorgung spielen. Die Ergebnisse zeigen Unzulänglichkeiten bisheriger Klimamodelle auf und sind insbesondere angesichts des Klimawandels relevant.

Angetrieben von physikalischen Prozessen zirkuliert das Wasser in den Ozeanen und ermöglicht auf diese Weise vielfältiges Leben – nicht nur an der Oberfläche, sondern sogar mehrere tausend Meter darunter. Möglich ist dies, da sauerstoffreiches Wasser von der Meeresoberfläche in der Nähe der Pole abkühlt und aufgrund der dabei zunehmenden Dichte nach unten sinkt, wo der Sauerstoff von den dort lebenden Organismen veratmet wird. Bisher gingen Forscher davon aus, dass der Sauerstoffgehalt des Tiefseewassers vor allem dadurch beeinflusst wird, wie viel dieses Gases das Oberflächenwasser aufnehmen kann – was wiederum zum einen von der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre abhängt, zum anderen von der Temperatur des Oberflächenwassers. Doch offenbar greift dieser Ansatz zu kurz.

Klimamodelle über 540 Millionen Jahre

Das zeigen nun Forschungen eines Teams um Alexandre Pohl von der University of California in Riverside. Demnach ist die Bewegung der Kontinentalplatten ein bislang vernachlässigter Faktor, der über geologische Zeiträume hinweg einen wichtigen Einfluss auf die Zirkulation in den Ozeanen hatte. „Anhand einer Reihe von Erdsystem-Modellexperimenten zeigen wir, wie die kontinentale Umlagerung tiefgreifende Schwankungen der Sauerstoffversorgung des Ozeans bewirkt“, berichten die Forscher.

Um den Einfluss der Plattentektonik auf die Sauerstoffversorgung der Tiefsee sichtbar zu machen, erstellten Pohl und seine Kollegen ein dreidimensionales Klimamodell, das die Bedingungen auf der Erde von vor 540 Millionen Jahren bis heute simuliert und insbesondere die von der Verteilung der Kontinente beeinflussten Meeresströmungen berücksichtigt. Dabei ging es ihnen nicht nur darum, die vergangene Realität nachzubilden, sondern sie führten auch gezielte Experimente durch, um den Einfluss einzelner Faktoren auszumachen. In einem der Modellexperimente hielten sie die atmosphärische Sauerstoffkonzentration konstant und ließen lediglich Änderungen in der Position der Kontinentalplatten zu.

Meeressauerstoff nicht nur abhängig von Atmosphäre

Das Ergebnis: Unabhängig von der atmosphärischen Sauerstoffkonzentration stieg der Sauerstoffgehalt des Meeres dennoch an, angetrieben durch die von der Plattentektonik verursachten Meeresströmungen. Doch die Plattentektonik kann die Sauerstoffaufnahme der Meere nicht nur ankurbeln, sondern auch bremsen. „Vor vielen Millionen Jahren, nicht lange nachdem das tierische Leben im Ozean begann, schien die gesamte globale Ozeanzirkulation periodisch stillzustehen“, beschreibt Pohls Kollege Andy Ridgwell. „Wir hatten nicht damit gerechnet, dass die Bewegung der Kontinente dazu führen könnte, dass das Oberflächenwasser und der Sauerstoff nicht mehr absinken, was sich möglicherweise dramatisch auf die Entwicklung des Lebens auf der Erde auswirken würde.“

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Da die Studie nur darauf zielte, den grundlegenden Mechanismus nachzuweisen, sind die Modelle und Ergebnisse nicht geeignet, Prognosen für tatsächliche Entwicklungen zu treffen. Sie zeigen jedoch bedeutende Schwächen bisheriger Klimamodelle auf. „Die Studie von Pohl und seinen Kollegen verdeutlicht die Komplexität der Prozesse, die den Sauerstoffgehalt der Ozeane beeinflussen können – eine Komplexität, die in Modellen nur unzureichend dargestellt wird“, schreiben Katrin Meissner von der University of New South Wales in Australien und Andreas Oschlies vom Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel in einem begleitenden Kommentar zur Studie, der ebenfalls in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde.

Besseres Verständnis dringend erforderlich

Laut Meissner und Oschlies bilden moderne Klimamodelle nur etwa die Hälfte des in den vergangenen Jahren beobachteten Rückgangs der globalen Sauerstoffkonzentration in den Ozeanen ab. Dieser Rückgang wurde bislang unter anderem darauf zurückgeführt, dass die Ozeane aufgrund der steigenden Oberflächentemperaturen in Folge des Klimawandels weniger Sauerstoff aufnehmen können. Vollständig erklärbar war er allerdings bislang nicht. „Ein besseres Verständnis aller zugrundeliegenden Mechanismen ist dringend erforderlich, denn das unterschätzte Phänomen des marinen Sauerstoffverlustes könnte in naher Zukunft schwerwiegende Probleme für die Ökosysteme der Ozeane und die menschliche Gesellschaft mit sich bringen“, so Meissner und Oschlies. Die neuen Hinweise, die die Studie von Pohl und seinen Kollegen liefert, könnten dabei helfen.

Quelle: Alexandre Pohl (University of California, Riverside, USA) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-022-05018-z

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