FORSCHUNGSGEGENSTAND

Auf geologischen Zeitskalen wird der atmosphärische CO₂-Gehalt - und mit ihm das globale Klima - durch ein System natürlicher Rückkopplungen reguliert. In unserer Sektion untersuchen wir, wie diese Rückkopplungen funktionieren, sowohl heute als auch in der geologischen Vergangenheit.

In den letzten Milliarden Jahren haben die Vulkane und mittelozeanischen Rücken der Erde durchgehend CO₂ ausgestoßen. Trotzdem ist unser Planet im Großen und Ganzen bewohnbar geblieben. Der Hauptgrund dafür ist, dass CO₂ auch durch chemische Verwitterungsreaktionen mit den Gesteinen an der Erdoberfläche kontinuierlich aus der Atmosphäre gebunden wird (siehe Abbildung 1). Wenn das CO₂ durch zunehmende vulkanische Injektion ansteigt, erwärmt sich das Klima, was die chemische Verwitterung der Gesteine beschleunigt und dadurch die CO₂ Konzentration in der Atmosphäre reduziert. Dies wird als "die Rückkopplung der Silikatverwitterung" bezeichnet. Obwohl diese Rückkopplung ein starker Stabilisator für den CO₂-Gehalt und das Klima ist, kann sie durch massive CO₂-Injektionen vorübergehend überfordert oder durch eine zu geringe Verfügbarkeit von verwitterungsfähigen Mineralien geschwächt werden. In beiden Fällen führt dies zu globalen Erwärmungsereignissen. Die heutige Erderwärmung - verursacht durch massive anthropogene CO₂-Emissionen - ist in ihrem Tempo nahezu beispiellos und wird nur noch von den Auswirkungen eines 20 km langen Asteroiden am Ende der Kreidezeit vor 66 Millionen Jahren übertroffen. Um zu verstehen, was dies in Zukunft für unseren Planeten bedeuten wird, ist es wichtig zu verstehen, um wie viel Grad das neue der Atmosphäre hinzugefügte CO₂ unser Klima erwärmen wird, und wie kompensierende Rückkopplungen reagieren werden.

Der Eintrag von CO2 in die Atmosphäre (1) erwärmt das Klima, und dieses wärmere, feuchtere Klima (2) beschleunigt die chemische Verwitterung von Silikatgesteinen an Land; Reaktionen, die CO2 absaugen und in gelöstes Bicarbonation, HCO3-, umwandeln. Dieser gelöste Kohlenstoff wird dann zusammen mit Kationen (wie Ca2+) und Kieselsäure durch Flüsse in die Ozeane transportiert (3), wo ihn kalkbildende Meeresorganismen zur Produktion von CaCO3 verwenden (4). Die letztendliche Ablagerung dieses CaCO3 auf dem Meeresboden hält den Kohlenstoff in den Sedimenten zurück (5), wodurch CO2 aus dem System Ozean-Atmosphäre entfernt wird. Dies kühlt das Klima ab, verlangsamt die Verwitterungsraten erneut und konvergiert wieder zu zu einem stabilen atmosphärischen CO2-Niveau.

UNSER FORSCHUNGSBEITRAG

In unserer Gruppe untersuchen wir diese Kohlenstoffkreisläufe aus mehreren Blickwinkeln. Einerseits charakterisieren und erforschen wir die spezifischen relevanten (bio)geochemischen Prozesse, die den heutigen CO2-Kreislauf oft bis in den Mikrometerbereich beeinflussen. Gleichzeitig ziehen wir globalen Ereignissen der Erdgeschichte als Analoga oder Fallstudien heran, um zu verstehen, wie Veränderungen des CO2 das Klima, die Biota und den globalen Kohlenstoffkreislauf beeinflussen können.

Dazu verwenden wir modernste geochemische Techniken, die durch die erstklassigen Einrichtungen im HELGES-Labor ermöglicht werden. Zu diesen Ansätzen gehören (um nur einige zu nennen):

• die Verwendung stabiler Metall(loid)isotope, um die chemischen Verwitterungsprozesse zu verfolgen, die sowohl in der Gegenwart als auch in der geologischen Vergangenheit für den CO2-Abbau verantwortlich sind. Dazu gehört die Verwendung von Si-Isotopen und Li-Isotopen.
• die Messung der Bor-Isotopenzusammensetzung von Foraminiferen (siehe Abbildung 2), um die vergangenen atmosphärischen CO2-Gehalte und die Kohlenstoffspeicherung in den Ozeanen zu rekonstruieren.
• herauszufinden, wie viel Pflanzen und andere Biota die Stärke der Rückkopplung der Silikatverwitterung beeinflussen können, z.B. durch die Verwendung von Sr- und Mg-Isotopen; Einige dieser Untersuchungen werden im Rahmen des deutsch-chilenischen DFG-Schwerpunktprogramms "Earthshape" durchgeführt.
• die Verwendung kosmogener Be-Isotope, um zu bestimmen, was die Zufuhrrate frischer verwitterungsfähiger Mineralien durch Erosion steuert, und wie sehr sich die absoluten chemischen Verwitterungsflüsse im Laufe der geologischen Zeit verändert haben (oder nicht).

Die Kalziumkarbonatschalen dieser einzelligen planktonischen Organismen, Foraminiferen genannt, zeichnen die geochemischen Signaturen des Wassers auf in dem sie wuchsen. Bei HELGES verwenden wir Borisotope, um den pH-Wert und den CO2-Gehalt der Ozeane in der Vergangenheit abzuschätzen. Diese Individuen der Art Heterohelix globulosa wurden aus Sedimenten extrahiert, die unmittelbar nach dem Kreidezeit-Paläogen-Grenze vor 66 Millionen Jahren abgelagert wurden.

Wir ergänzen oft diese geochemischen Messungen durch eine Reihe von Erdsystemmodellen, von Box-Modellen über LOSCAR - ein Multi-Box-Modell mit einer Darstellung der globalen Ozeanzirkulation - bis hin zu cGENIE, mit grundlegenden atmosphärischen und ozeanischen physikalischen Grundlagen und dynamischen biogeochemischen und physikalischen Rückkopplungen. 

PROJEKTE

• coming soon!