Chemie
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Ozeanographie - CO2 im Ozean
Ozeanographie - CO2 im OzeanKlassische und moderne Beobachtungsmethoden der chemischen Ozeanographie im Einsatz für die Klimaforschung
Prof. Dr. Arne Körtzinger, Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR), Kiel Abb. 1 Proben aus der Tiefe: Ein Kranzwasserschöpfer mit hochpräziser Sensorik für Temperatur, Salzgehalt, Druck, Sauerstoff und Chlorophyll kommt mit 24 Wasserproben an Deck. (Foto: G. Bourret, 1. Offizier Forschungsschiff L‘Atalante). Wir müssen in der Erdgeschichte um mindestens 2,1 Millionen Jahre – vermutlich sogar um gut 23 Millionen Jahre – zurückgehen, um ähnlich hohe CO2-Konzentrationen vorzufinden. Der jährliche Anstieg des atmosphärischen CO2-Gehalts von etwa 2 ppmv entspricht jedoch nur etwa der Hälfte der eingangs genannten Emissionen. Wir wissen, dass der Weltozean aktuell knapp 30 % (entspricht jährlich 2.2 Milliarden Tonnen Kohlenstoff = Gt C) der anthropogenen CO2-Emissionen aufnimmt [2]. Kumulativ sind es seit Beginn der industriellen Revolution sogar gut 40 % [3]. Damit ist der Ozean nicht nur die zentrale Komponente des globalen Kohlenstoffkreislaufs, sondern auch von ausgesprochen großer Bedeutung für die langfristige Entwicklung des Klimas auf unserem Planeten. Aufgrund der gewaltigen Größe des marinen Kohlenstoffreservoirs (38.000 Gt C) ist die Detektion und Quantifizierung der Aufnahme und Speicherung von anthropogenem CO2 im Ozean jedoch ausgesprochen kompliziert. So stellt das kumulative Inventar von anthropogenem CO2 im Ozean mit 135 Gt C nur etwa 0.35 % des Gesamtinventars an gelöstem anorganischen Kohlenstoff dar [3] – nicht viel mehr als die berühmte Nadel im Heuhaufen. Berücksichtigt man zudem die hohe raumzeitliche Variabilität des gewaltigen natürlichen Kohlenstoffhintergrundes, so wird das eklatante Beobachtungsproblem deutlich. In der chemischen Ozeanographie benutzen wir daher neben den klassischen Beobachtungsmethoden auch neue, teilweise autonome Ansätze, die uns eine höhere räumliche und/oder zeitliche Abdeckung ermöglichen. Zwar hat die klassische Forschungsseereise (Abb. 1) mit Entnahme und hochpräziser Analyse hunderter Wasserproben aus allen Tiefen und in allen Regionen des Weltozeans durchaus nicht ausgedient und bildet aufgrund der anders kaum erreichbaren Datenqualität nach wie vor das Rückgrat der Ozeanographie. Dennoch lässt sich die hohe Variabilität des marinen Kohlenstoffkreislaufs in Raum und Zeit so kaum erfassen und verstehen. Die moderne Meeresforschung beschreitet daher neue Wege, um hier Abhilfe zu schaffen und der Dynamik des Ozeans besser auf die Spur zu kommen. Ein solcher Weg ist die Nutzung von Handelsschiffen als Messplattform (Abb. 2a, b).
Dazu werden komplizierte automatische Messgeräte auf Containerschiffen, Autofrachtern oder Bananendampfern – so genannten „Voluntary Observing Ships“ – installiert, mit denen sich rund um die Uhr und entlang der regelmäßig befahrenen Schiffsrouten Daten gewinnen lassen, die über Satellitentelemetrie zeitnah übertragen werden. Unser heutiges detailliertes Verständnis der Verteilung natürlicher CO2-Quellen und -Senken im Weltozean ist erst durch diesen Beobachtungsansatz ermöglicht worden [4]. Leider ermöglichen diese Messungen vom fahrenden Schiff nicht den Blick in das Innere des Ozeans, doch auch hier existieren inzwischen neue Beobachtungstechnologien. Für ortsfeste Messungen, auch Eulerscher Beobachtungsansatz genannt, stehen druckfeste autonome Messgeräte für den Einsatz auch in großen Wassertiefen und über Zeiträume von einem Jahr und länger zur Verfügung. Allerdings ist im Bereich der Sensorentwicklung aufgrund der sehr hohen Anforderungen in puncto Genauigkeit, Langzeitstabilität und nicht zuletzt auch mechanischer Robustheit noch einiges zu leisten, weshalb wir in einer Kooperation mit der Kieler Firma Contros einen leistungsfähigen CO2-Sensor entwickeln. Für Messungen von einer frei driftenden Plattform, auch als Lagrangescher Beobachtungsansatz bekannt, stehen robotische Geräte zur Verfügung, die jahrelang durch die Strömungen völlig frei im Ozean verdriftet werden. Diese Tiefendrifter können ihr spezifisches Gewicht durch eine ölgefüllte Blase variieren und so die Tauchtiefe regulieren. In regelmäßigen Abständen (z.B. alle 7 Tage) tauchen sie auf 2000 Meter Tiefe, um von dort langsam aufzusteigen und dabei profilierende Messungen durchzuführen und die Daten an der Oberfläche sofort per Satellitentelemetrie abzusetzen. Bisher wurden diese Instrumente nur von physikalischen Ozeanographen für die Messung von Temperatur und Salzgehalt eingesetzt. So sind gegenwärtig mehr 3.200 dieser über mehrere Jahre aktiven Einweggeräte im Weltozean unterwegs. In jüngster Zeit hat auch die marine Biogeochemie die hervorragenden Möglichkeiten dieser Plattform entdeckt. So konnten wir durch den Einsatz moderner optischer Sauerstoffsensoren völlig neue Einblicke in die Dynamik des gelösten Sauerstoffs im Meer und in den Gasaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre gewinnen [5].
In einem brandaktuellen Pilotprojekt haben wir weltweit erstmals auch CO2-Sensoren auf profilierenden Tiefendriftern eingesetzt und damit hoch aufgelöste Vertikalprofile von Temperatur, Salzgehalt, Sauerstoff und CO2-Partialdruck über viele Monate im tropischen Atlantik aufnehmen können (Abb. 3). Aus der Kombination der Daten dieser unterschiedlichen Beobachtungsansätze können wir ein konsistentes Bild der natürlichen Schwankungen im marinen Kohlenstoffkreislauf und der physikalischen und biogeochemischen Antriebsfaktoren entwickeln. Ausgehend von dieser Kenntnis lässt sich die ozeanische Aufnahme von anthropogenem CO2, die ja für unsere Klimaentwicklung von entscheidender Bedeutung ist, sehr viel besser quantifizieren und verstehen. Das riesige Kohlenstoffreservoir des Ozeans ist Segen und möglicherweise auch Fluch zugleich – es stellt eine hohe Aufnahmekapazität für atmosphärisches CO2 zur Verfügung und birgt aufgrund der Klimasensitivität der beteiligten Systeme zugleich ein hohes Rückkopplungspotenzial, das wir bisher nur sehr wenig verstehen [6]. Eine Situation, die uns chemischen Ozeanographen ein volles Hausaufgabenheft beschert.
Literatur:
(Foto: G. Bourret, 1. Offizier Forschungsschiff |
L&M 2 / 2010Das komplette Heft zum kostenlosen Download finden Sie hier: zum Download Der Autor:Weitere Artikel online lesenNewsSchnell und einfach die passende Trennsäule findenMit dem HPLC-Säulenkonfigurator unter www.analytics-shop.com können Sie stets die passende Säule für jedes Trennproblem finden. Dank innovativer Filtermöglichkeiten können Sie in Sekundenschnelle nach gewünschtem Durchmesser, Länge, Porengröße, Säulenbezeichnung u.v.m. selektieren. So erhalten Sie aus über 70.000 verschiedenen HPLC-Säulen das passende Ergebnis für Ihre Anwendung und können zwischen allen gängigen Herstellern wie Agilent, Waters, ThermoScientific, Merck, Sigma-Aldrich, Chiral, Macherey-Nagel u.v.a. wählen. Ergänzend stehen Ihnen die HPLC-Experten von Altmann Analytik beratend zur Seite – testen Sie jetzt den kostenlosen HPLC-Säulenkonfigurator!© Text und Bild: Altmann Analytik ZEISS stellt neue Stereomikroskope vorAufnahme, Dokumentation und Teilen von Ergebnissen mit ZEISS Stemi 305 und ZEISS Stemi 508ZEISS stellt zwei neue kompakte Greenough-Stereomikroskope für Ausbildung, Laborroutine und industrielle Inspektion vor: ZEISS Stemi 305 und ZEISS Stemi 508. Anwender sehen ihre Proben farbig, dreidimensional, kontrastreich sowie frei von Verzerrungen oder Farbsäumen. © Text und Bild: Carl Zeiss Microscopy GmbH |