Biogeochemie Umweltrelevanter Gase

Gelöste Gase spielen eine zentrale Rolle in der Biogeochemie des Meeres. Sie verbinden den Ozean mit der Atmosphäre, beeinflussen zentrale Stoffkreisläufe und reagieren empfindlich auf Veränderungen der Umwelt. In unserer Arbeitsgruppe untersuchen wir daher die Prozesse, die Produktion, Verbrauch und Transport gelöster Gase steuern, ihren Austausch mit der Atmosphäre sowie ihre Bedeutung als Treibhausgase und als Indikatoren biogeochemischer Prozesse. Ein besonderer Fokus liegt darauf, wie menschliche Eingriffe und der Klimawandel diese Prozesse verändern. Die Entwicklung neuer analytischer und instrumenteller Ansätze ist dabei ein wesentlicher Bestandteil unserer Arbeit, um diese Fragestellungen auch international voranzutreiben.

Besonders relevant sind die „großen drei“ Treibhausgase Kohlendioxid, Methan und Lachgas. Während der Ozean eine wichtige Senke für anthropogenes Kohlendioxid darstellt, ist er für Methan und Lachgas eine Nettoquelle zur Atmosphäre. Wie sich diese Funktionen verändern, hängt von komplexen biogeochemischen Prozessen ab, die insbesondere in den dynamischen Küstengewässern durch menschliche Einflüsse und den Klimawandel beeinflusst werden.

Der Kohlenstoffkreislauf bildet dabei eine zentrale Verbindung zwischen der Primärproduktion an der Meeresoberfläche und der sauerstoffabhängigen Mineralisierung im Ozeaninneren. Sein Verständnis ist damit wesentlich für die Beschreibung und Quantifizierung der marinen Stoffkreisläufe. Gleichzeitig bestimmt das anorganische Kohlenstoffsystem die Säure-Base-Eigenschaften des Meerwassers und damit unter anderem dessen pH-Wert. Ein neuer Schwerpunkt der Arbeitsgruppe ist die Untersuchung, inwieweit gezielte Eingriffe oder Schutzmaßnahmen die Aufnahme und Speicherung von Kohlendioxid durch Meere und Küstenökosysteme beeinflussen können.

Gerade in Küstengewässern können menschliche Einflüsse die natürlichen Kreisläufe deutlich verändern. Eine erhöhte Nährstoffzufuhr (Eutrophierung) kann die Primärproduktion steigern und über die anschließende Remineralisierung den Sauerstoffverbrauch erhöhen. Dies beeinflusst wiederum die Bildung und den Abbau redoxsensitiver Gase wie Methan und Lachgas und kann unerwünschte Rückkopplungen verstärken. Gleichzeitig sind viele Umsatzprozesse temperaturabhängig und damit unmittelbar von der fortschreitenden Erwärmung und anderen Folgen des Klimawandels betroffen. Das Verständnis dieser Zusammenhänge ist daher eine wichtige Voraussetzung, um zukünftige Veränderungen mariner Stoffkreisläufe abzuschätzen.

Gelöste Gase können darüber hinaus als sensitive Tracer für Prozesse und Transportmechanismen eingesetzt werden. So erlaubt beispielsweise das N₂/Ar-Verhältnis Rückschlüsse auf Stickstofffixierung und Denitrifikation, während künstliche Gas-Tracer zur Untersuchung der vertikalen Mischung und Belüftung der Wassersäule eingesetzt werden können. Solche Ansätze ermöglichen es, Prozesse zu quantifizieren, die mit anderen Methoden nur schwer direkt erfassbar sind.

Die Arbeitsgruppe ist in allen drei Forschungsbereichen des IOW aktiv. Prozessstudien untersuchen die Mechanismen, die Produktion, Abbau und Transport von Spurengasen regulieren, und deren Bedeutung für großräumige Stoffflüsse und Umsatzraten (Forschungsbereich 1). Langzeitbeobachtungen erfassen Veränderungen auf längeren Zeitskalen – unter anderem im Rahmen des Langzeitprogramms, durch kontinuierliche Messungen auf dem „Ship of Opportunity“ Finnmaid im Rahmen der europäischen Forschungsinfrastruktur ICOS sowie mit BGC-Argo-Floats (Forschungsbereich 2). Die Entwicklung und Weiterentwicklung analytischer und instrumenteller Methoden, sowohl innerhalb europäischer Netzwerke als auch für spezifische Forschungsfragen, bildet einen weiteren Schwerpunkt (Forschungsbereich 3). Die hohe Dynamik im sehr flachen Küstenbereich ist der Grund für unser Engagement im Forschungscluster S2B.

Die Biogeochemie gelöster Gase lässt sich nur im Zusammenspiel verschiedener Prozesse und Kompartimente verstehen: mit den Sedimenten, dem Transport und den Mischungsprozessen in der Wassersäule sowie den überwiegend mikrobiell kontrollierten Umsatzprozessen. Die interdisziplinäre Ausrichtung des IOW bietet daher ein besonders geeignetes Umfeld, um diese Zusammenhänge von den zugrunde liegenden Prozessen bis hin zu ihren Auswirkungen auf marine Stoffkreisläufe und den Austausch mit der Atmosphäre zu untersuchen.