Rolle des ozeanischen abiotischen Karbonatniederschlags bei der zukünftigen atmosphärischen CO2-Regulierung

Oct 15, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 15970 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Ozeane spielen eine wichtige Rolle im Klima der Erde, indem sie den CO2-Ausstoß in der Atmosphäre regulieren. Während die Primärproduktivität der Ozeane und die Verlagerung von organischem Kohlenstoff CO2 aus der Atmosphäre binden, gibt die Ausfällung von CaCO3 im Meer CO2 in die Atmosphäre zurück. Die abiotische CaCO3-Ausfällung in Form von Aragonit ist möglicherweise ein wichtiger Rückkopplungsmechanismus für den globalen Kohlenstoffkreislauf, dieser Prozess wurde jedoch noch nicht vollständig quantifiziert. In einer Sedimentfallenstudie, die im südöstlichen Mittelmeer, einer der sich am schnellsten erwärmenden und oligotrophsten Regionen des Ozeans, durchgeführt wurde, quantifizieren wir zum ersten Mal den Fluss von anorganischem Aragonit in der Wassersäule. Wir zeigen, dass dieser Prozess kinetisch durch die Erwärmung des Oberflächenwassers und eine längere Schichtung induziert wird, was zu einem hohen Aragonit-Sättigungszustand (ΩAr ≥ 4) führt. Basierend auf diesen Beziehungen schätzen wir, dass die abiotische Aragonitverkalkung 15 ± 3 % des zuvor gemeldeten CO2-Ausflusses von der Meeresoberfläche in die Atmosphäre im südöstlichen Mittelmeerraum ausmachen könnte. Modellierte Vorhersagen der Meeresoberflächentemperatur und des ΩAr legen nahe, dass dieser Prozess im zukünftigen Ozean schwächer werden könnte, was zu einer erhöhten Alkalität und Pufferkapazität des atmosphärischen CO2 führen könnte.

Die Produktion von CaCO3-Mineralien (nämlich Aragonit und Calcit) spielt eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Kohlenstoffhaushalts des Ozeans1,2. Während der Großteil der CaCO3-Produktion in den Ozeanen biogen ist, entsteht ein Teil durch abiotische Reaktionen. Bisher wurde an bestimmten Orten wie den Bahamas oder dem Persischen Golf eine abiotische CaCO3-Produktion in Form von Aragonit beobachtet, wo besondere Bedingungen herrschen. Mit zunehmender Ozeanversauerung nimmt jedoch die Produktion von abiotischem CaCO3 ab und ist aufgrund der Verringerung des Sättigungszustands des Carbonations möglicherweise bereits erheblich zurückgegangen. Hier zeigen wir zum ersten Mal das Auftreten der abiotischen Aragonitproduktion im östlichen Mittelmeer unter anderen Bedingungen als bisher beobachtet und als mögliches Analogon zu zukünftigen Meeresbedingungen unter den Auswirkungen der globalen Erwärmung. Dem vorgeschlagenen Mechanismus zufolge könnte die abiotische Produktion von CaCO3 in Oberflächengewässern durch Erwärmung und Schichtung der Ozeane und nicht durch zusätzliche Aussaat oder Durchmischung der Wassermassen gesteigert werden. Im Gegensatz dazu kann die Versauerung der Ozeane die abiotische Produktion von Oberflächengewässern hemmen und so dem positiven Effekt der Erwärmung entgegenwirken. Basierend auf unseren Beobachtungen argumentieren wir, dass die abiotische Aragonitproduktion allgegenwärtiger ist als bisher angenommen, und beschreiben den Produktionsmechanismus. Anhand modernster Klimamodelle veranschaulichen wir, dass das Potenzial dieses Mechanismus abnimmt, und diskutieren seine Auswirkungen.

Der Austausch von CO2 zwischen dem Ozean und der Atmosphäre gilt als wichtiger Rückkopplungsmechanismus, der zur Regulierung des Planetenklimas beiträgt1,2. Derzeit wird geschätzt, dass ca. 25 % des anthropogenen CO2, das jährlich in die Atmosphäre emittiert wird, werden vom Ozean absorbiert3,4. Durch die anschließende chemische Reaktion des absorbierten CO2 mit Meerwasser entsteht Kohlensäure, was zu einem Prozess führt, der als Ozeanversauerung bezeichnet wird5. Die Produktion von Kohlensäure senkt nicht nur den pH-Wert des Meerwassers, sondern verschiebt auch die Speziation von gelöstem anorganischem Kohlenstoff (DIC = CO2 + HCO3− + CO3−2) im Meerwasser weg von Carbonat (CO3−2) hin zu Bicarbonat (HCO3−). , gemäß der folgenden stöchiometrischen Gleichung – CO2 + H2O + CO3−2 → 2HCO3−.

Die Speziation von DIC im Meerwasser wird auch durch die Temperatur durch ihren Einfluss auf die thermodynamischen Dissoziationskonstanten beeinflusst, wobei die Erwärmung das Carbonatsystem in Richtung CO3-2 verschiebt. Der Großteil der Umwandlung von DIC in die feste Phase, sei es organisch oder anorganisch, ist biologisch bedingt6. Dabei wird durch die biologisch vermittelte Assimilation von DIC in die anorganische Kohlenstoff-Festphase (CaCO3) Ca+2 aus dem Meerwasser entfernt und auch die Gesamtalkalität (TA) des Meerwassers verringert. Dieser Prozess ist auch bei Änderungen des Salzgehalts nicht konservativ7. Während die organische Senke („biologische Pumpe“) Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernt, verbraucht die anorganische Senke (Ausfällung von Karbonatmineralien) TA und verlagert das Karbonatsystem in Richtung CO2 und dessen Entgasung von der Meeresoberfläche in die Atmosphäre8, was positiv wirkt Rückmeldung zur globalen Erwärmung2,9. Die Ausfällung beider Kristallformen von CaCO3 (Aragonit und Calcit) im Ozean erfolgt größtenteils biogen10 und ist ein hochkomplexer Prozess, der von Umweltbedingungen wie der Temperatur, dem Gehalt an gelösten Nährstoffen und vor allem dem Verhältnis von Ca+2 und beeinflusst wird CO3-2-Ionenaktivitätsprodukt zur Löslichkeitskonstante von CaCO3, auch bekannt als CaCO3-Sättigungszustand (Ω)9.

Ozeanische Oberflächengewässer sind größtenteils mit CaCO3 übersättigt (Ω > 1) und daher würde man zu Recht erwarten, dass die abiotische Ausfällung von CaCO3 ein häufiges Ereignis und ein wichtiger Prozess im ozeanischen Kohlenstoffkreislauf und der Klimaregulierung ist. Allerdings wurden abiotische CaCO3-Niederschläge (üblicherweise Aragonit) in großem räumlichen Maßstab in der Meeresumwelt bisher nur bei Ereignissen beobachtet, die als „Whitening-Ereignisse“ bezeichnet werden, wenn CaCO3 in Oberflächengewässern abiotisch ausgefällt wird und diese in relativ flachen Gewässern milchig weiß werden11 ,12,13. Solche Ereignisse treten fast ausschließlich im Persischen Golf und auf den Bahamas auf. Während der spezifische Mechanismus, der Aufhellungsereignisse auslöst, immer noch ein höchst umstrittenes Thema ist14,15,16, scheinen extrem hohe Ω-Werte ein wichtiger Faktor zu sein, der sie auslöst.

Die abiotische Keimbildung von CaCO3 im Meerwasser wird kinetisch stark gehemmt17,18. Es wurde auch vermutet, dass suspendierte Partikel, die eine mineralische Oberfläche für die Keimbildung („Seeding“) bieten, eine wichtige Rolle bei der Karbonatausfällung aus Meerwasser spielen16,19. Allerdings kamen „Seed“-Experimente zu dem Schluss, dass die Temperatur die Mineralogie der Niederschlagsphase steuert und dass die Niederschlagsrate proportional zum Sättigungszustand ist20,21. Daher wird vermutet, dass große ozeanische Regionen in niedrigen Breiten, in denen der Sättigungszustand hoch ist22 und der größte Teil der CO2-Entgasung stattfindet23, die abiotische Ausfällung von Aragonit ermöglichen. Dieser Prozess bleibt jedoch weitgehend unentdeckt, da er oft durch das größere biologische Signal verdeckt wird8,9.

Mit der Erwärmung des Ozeans und der Intensivierung der Schichtung nimmt die Primärproduktivität ab, insbesondere in oligotrophen Regionen25,26. Dies würde bedeuten, dass der Kohlenstoffkreislauf in diesen Regionen von der biologischen Vermittlung hin zu einer stärkeren abiotischen (chemischen und physikalischen) Kontrolle wechseln könnte. Dieser Prozess läuft bereits im südöstlichen Mittelmeerraum27,28 und macht ihn zu einem guten Modellsystem für die wärmere, geschichtete Zukunft der Ozeane. Wie die meisten Meeresbecken erlebt die Region eine Versauerung, allerdings ist die Versauerung aufgrund der zunehmenden Alkalität relativ gering (Ergänzung 1, Abb. S1.1). Im Gegensatz dazu ist die Meeresoberflächentemperatur im Sommer in den letzten drei Jahrzehnten mit einer außergewöhnlich hohen Rate von bis zu 1 °C/Jahrzehnt angestiegen29,30 und damit deutlich höher als die Erwärmungsraten in anderen tropischen Meeren niedriger Breitengrade31. Darüber hinaus führt der oligotrophe Zustand der Region zu einer der niedrigsten Primärproduktivitäten aller Meeresgewässer der Welt32.

In einer Sedimentfallenstudie, die wir im südöstlichen Mittelmeer durchgeführt haben (Abb. 1), quantifizieren wir zum ersten Mal den Fluss anorganischer Niederschläge von Aragonit in der Wassersäule während des Sommers (Ergänzung 2). Im Gegensatz zu Calcit gibt es im Untersuchungsgebiet nur wenige Quellen für biogenes Aragonit, z. B. Flugsaurierblüten und die Resuspension erodierter Aragonitschalen benthischer Organismen – von denen keine in den Fallen vorhanden war, wie eine mikroskopische Untersuchung des Materials in den Fallen und in der Umgebung ergab Oberflächensedimente. Die Sr/Ca-Verhältnisse in den Fallen lagen in den Sommermonaten, in denen Aragonit vorhanden war, zwischen 6,8 und 11,4 (Abb. 2; Ergänzung 1, Tabelle S1.1). Es wurde festgestellt, dass das Sr/Ca-Verhältnis im Sediment ~ 5,0 beträgt und biogene Quellen wie Pteropoden Verhältnisse zwischen 2,3 und 3,6 aufweisen (Ergänzung 1, Tabelle S1.2). Daher kann keine dieser Quellen das höhere Sr/Ca-Verhältnis in den Fallen erklären. Diese Werte stimmen jedoch gut mit dem Sr/Ca-Verhältnis (~ 9,0) von abiotischem Aragonit überein, das in Laborexperimenten aus Meerwasser im Bereich der Sommertemperaturen im Untersuchungsgebiet ausgefällt wurde33. Dies ist immer noch niedriger als der Maximalwert von Sr/Ca = 11,4, wobei das überschüssige Sr wahrscheinlich aus Saharastaub stammt, der ein Sr/Ca-Verhältnis von ~ 3034,35 aufweist. Der Staub ist jedoch frei von Aragonit und seine Zufuhrrate ist im Sommer gering36. Somit erklären weder Staub noch Resuspension angesichts der geringen Wellenaktivität im Sommer das relativ hohe Sr/Ca-Verhältnis in den Fallen. Daher ist es vernünftig zu schließen, dass es durch abiotische Ausfällung von Aragonit verursacht wird (Ergänzung 1, Abb. S1.2–S1.3).

(a) Lagekarte des Mittelmeers mit der Meeresoberflächentemperatur (SST) in °C für August 2016, Daten von MODIS|Aqua (https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/). (b) Bathymetrische Karte des israelischen Schelfs24 mit der Lage der Stationen Hadera und THEMO1. (c) SST-Temperaturproliferation entlang des in (a) gezeigten Transekts.

Aufzeichnung von der Hadera-Station mit (von unten), Temperatur (in 26 m Tiefe) und abgeleitetem pCO2, mittlerem monatlichen Salzgehalt für den gegebenen Monat und abgeleiteter Alkalität, berechnetem Sättigungsindex für Aragonit, Aragonit-Anteil am Gesamtkarbonat, Fluss von Aragonit zum Falle, abgeleitete Gesamt-CO2-Entgasung aus Aragonit-Ausfällung, Sr/Ca-Verhältnis des Sediments in der Falle und akustische Rückstreuung. Schattierte Bereiche zeigen Zeiträume an, in denen Meerwasser ΩAr > 4 ist (siehe Abb. 3).

Kürzlich wurde vermutet, dass die abiotische Aragonitausfällung durch Impfbildung verursacht werden könnte, bei der Aragonit auf suspendierten Keimbildungspartikeln kristallisiert37,38. In diesem Modell fördert eine hohe Menge an Keimbildungskeimen/Oberfläche einen erhöhten Niederschlag9. Der Sättigungszustand ist zwar erhöht (≥ 4), scheint aber für die spontane Keimbildung von Aragonit aus Meerwasser nicht auszureichen39. Daher unterstützen unsere Ergebnisse die Nutzung bereits vorhandener Kerne in der Wassermasse durch einen anhaltend hohen Aragonitsättigungszustand im Sommer. Akustische Rückstreudaten vom ADCP neben der Sedimentfalle (Abb. 2), ein Indikator für die Trübung im Wasser, zeigten die höchste Trübung zwischen Januar und Mai und eine viel geringere Trübung während der Sommermonate. Dieser Trend spiegelte sich in der Gesamtmasse wider und die CaCO3-Flüsse in den Sedimentfallen (Ergänzung 1; Tabelle S1.1) sanken von 82 und 15,8 g m−2 d−1 im Januar 2016 auf 2,9 und 0,7 g m−2 d−1 jeweils im August 2016. Daher würden wir argumentieren, dass selbst in geschichteten Umgebungen mit geringer Trübung Niederschlagskeime kein limitierender Faktor für die anorganische Ausfällung von Aragonit sind.

Der andere wichtige Faktor für die Ausfällung von Aragonit ist der CaCO3-Sättigungszustand des Meerwassers. Es wurde gezeigt, dass eine abiotische Keimbildung von Aragonit mit ΩAr ≈ 4 möglich ist, wenn die Induktionszeit (der Zeitraum, der zum Auslösen einer Reaktion erforderlich ist) etwa zwei Monate beträgt37. Um stabile ΩAr-Bedingungen aufrechtzuerhalten, ist eine längere Stabilität der Wassersäule erforderlich, die mit der Schichtung des Oberflächenwassers vereinbar ist. Unsere Beobachtungen zeigen, dass die Aragonitbildung im Spätfrühling begann und sich über die Sommermonate zwischen Mai und Oktober 2016 fortsetzte (Abb. 2), was der Jahreszeit entspricht, in der Erwärmung und schwächere mechanische Vermischung zu einer intensiven Schichtung der Oberflächenschicht führen (Abb . 3). An seinem Scheitelpunkt lag der Gradient über die saisonale Thermokline in der Größenordnung von 10 °C (Ergänzung 1; Abb. S1.4). Da diese Schicht die Wärme an der Oberfläche konzentriert, erreichen die pCO2-Werte eine Übersättigung von über 450 μatm (Abb. 2). Im Winter ist die obere Wassersäule durchmischt (Abb. 3), Temperatur und ΩAr sind niedriger (Abb. 2), während die biogene Produktion und die Sedimentbelastung höher sind, wodurch die abiotische Bildung von Aragonit unterdrückt wird (Abb. 4a). Das Fehlen von abiotischem Aragonit in den Sedimentfallen im Herbst 2015, als ΩAr zeitweise > 4 war, ist wahrscheinlich das Ergebnis zweier bemerkenswerter (4–6 °C) Abkühlungsereignisse, die im August und September 2015 stattfanden. Diese Ereignisse dauerten mehrere Jahre Tage (Abb. 2) und unterbrach die Schichtung, wodurch die erforderliche Induktionszeit von ΩAr zurückgesetzt wurde. Bemerkenswerterweise war 2015 ein anomales Jahr mit der geringsten Anzahl an Tagen mit ΩAr > 4 im letzten Jahrzehnt (Ergänzung 1, Abb. S1.5). Darüber hinaus herrschen im Sommer nahezu konstante ΩAr > 4-Bedingungen in lokalen Oberflächengewässern, wenn die Schichtung am intensivsten ist (Ergänzung 1, Abb. S1.6), wenn diese Schichtung unterbrochen ist, wie im Winter (Ergänzung 1, Abb. S1). .7), fallen die Werte von ΩAr unter 4. Der Aragonit, der Ende Mai bis Anfang Juni 2016 in den Fallen gefunden wurde, hatte sich wahrscheinlich höher in der Wassersäule gebildet, da die Schichtungs- und Übersättigungsbedingungen bereits Anfang April in geringeren Tiefen begannen und sich ausdehnten in den Sommer hinein28 (Abb. 3), was die Bildung von Aragonit ermöglichte (Abb. 4b).

Zeitreihe der Temperatur in den oberen 100 m der Wassersäule an der THEMO-1-Station (Anfang 2018 bis Anfang 2019), die die sommerliche Schichtung der Wassersäule zeigt.

Schematisches Modell zur Aragonitbildung im östlichen Mittelmeerraum. Bei Abkühlungsereignissen und vertikaler Durchmischung der Wassersäule (a) fungiert das kühlere Wasser mit erhöhter Produktivität als CO2-Senke. Während längerer Erwärmungsperioden (b) wird die Wassersäule thermisch geschichtet, CO2 entgast aufgrund der Übersättigung, CO3−2 und ΩAr nehmen zu, und es kommt zu abiotischer Aragonitausfällung, die die CO2-Übersättigung und -Entgasung verstärkt.

Der geschätzte Aragonitfluss basierend auf den Fallendaten aus dem Jahr 2016 würde für den Einsatzzeitraum ~ 0,20 ± 0,04 mol m−2 pro Jahr betragen. Unter der Annahme, dass es sich hierbei um einen repräsentativen Fluss der anorganischen Carbonatproduktion handelt, würde dies einem CO2-Ausfluss8 von 0,12 ± 0,01 mol CO2 m−2 Jahr−1 entsprechen (Ergänzung 4). Der gesamte jährliche Netto-CO2-Fluss in die Atmosphäre im südöstlichen Mittelmeer wurde zuvor auf 0,85 ± 0,27 mol m−228 geschätzt. Dies deutet darauf hin, dass der abiotische Aragonitniederschlag etwa 15 ± 3 % des jährlichen Netto-CO2-Flusses von der Meeresoberfläche in die Atmosphäre im südöstlichen Mittelmeerraum ausmachen könnte. Relativ stabile und konstante Meeresoberflächentemperatur- und Salzgehaltsbedingungen in der Region40 lassen die Annahme zu, dass es sich hierbei zumindest um die Region des Levantenbeckens handelt und sich möglicherweise darüber hinaus im südöstlichen Mittelmeer erstreckt. Dieser jährliche Nettokalzifizierungsfluss pro Flächeneinheit beträgt nur ~ 0,5 % des für Korallenriffe geschätzten CaCO3-Flusses41, aber die potenzielle Produktionsfläche ist um Größenordnungen größer, was sie zu einer bedeutenden Quelle für atmosphärisches CO2 macht.

Dies ist das erste Mal, dass der Zusammenhang zwischen Erwärmung, Schichtung, abiotischem Aragonit-Niederschlag und CO2-Freisetzung in einem Meeressystem nachgewiesen wird. Der beobachtete Zusammenhang zwischen Oberflächenerwärmung und CO2-Ausfluss aufgrund abiotischer Aragonitniederschläge stellt einen neuen Mechanismus dar, durch den die Erwärmung die Pufferkapazität des südöstlichen Mittelmeers zur Bindung von atmosphärischem CO2 verringert (und möglicherweise sogar zu einer CO2-Quelle wird28). Dies ist ein neuartiger Rückkopplungsmechanismus des Karbonatsystems im Zuge der globalen Erwärmung.

Im weiteren Sinne wurde kürzlich gezeigt, dass ein Großteil des Oberflächenozeans in niedrigeren Breitengraden durch ΩAr ≥ 4 gekennzeichnet ist und dass ΩAr positiv mit der Temperatur korreliert22,42,43. Wenn sich die Ozeane in niedrigeren Breiten erwärmen, wird ein Großteil dieser Wärme im Oberflächenwasser gespeichert, was zu einer verstärkten Schichtung und Oligotrophie führt25,26,31. Diese drei Eigenschaften (Erwärmung, Schichtung und Oligotrophie) werden wahrscheinlich das Gleichgewicht des Kohlenstoffsystems verändern und dadurch die Fähigkeit des Ozeans, CO244 zu speichern, beeinträchtigen. Insbesondere die Erwärmung ist von erheblicher Bedeutung, da sie die scheinbare Geschwindigkeit der CaCO3-Ausfällung durch den kinetischen Geschwindigkeitskoeffizienten KT und die Reaktionsordnung nT (die temperaturabhängig sind; Ergänzung 3; Abb. S3.1) beeinflusst. Wenn also die Temperatur KT und nT schneller ansteigt als die Ozeanversauerung ΩAr abnimmt, kann die scheinbare Netto-CaCO3-Niederschlagsrate zunehmen. Allerdings erfolgt die atmosphärische CO2-Anreicherung im Hinblick auf ihre kombinierten und individuellen Auswirkungen auf KT und ΩAr schneller als die Erwärmung (Ergänzung 3). Allein unter dem Einfluss der Erwärmung würde die globale potenzielle Aragonitproduktionsrate steigen, aber aufgrund der Wirkung der CO2-induzierten Versauerung wurde und wird erwartet, dass sie weiter sinkt (Abb. 5). Infolgedessen könnte die abiotische Aragonit-Senke schwächer werden, was zu einer verringerten TA-Aufnahme und einem nicht konservativen Aufbau von TA in den Ozeanen führt, wie aus der salznormalisierten TA-Zeitreihe der Hawaiian Ocean Time Series hervorgeht (Ergänzung 1, Abb. S1). 8). Im Gegenzug könnte dieser TA-Aufbau möglicherweise die Pufferkapazität des Ozeans zur Erhöhung des atmosphärischen CO2 erhöhen und so die Aufnahme in die Ozeane steigern. Es sollte jedoch beachtet werden, dass dekadische Veränderungen der terrestrischen Abfluss-, Tiefenmischungs- und Verdunstungsregime im und um den Pazifik auch den nicht konservativen langfristigen Trend des Salzgehalts erklären könnten45. Unabhängig davon kann der genaue Beitrag des abiotischen Aragonitniederschlags in der oberen Wassersäule derzeit nicht vollständig quantifiziert werden – es handelt sich jedoch um einen Rückkopplungsmechanismus, der weiter untersucht und in Planetenmodelle integriert werden sollte, um zu einer umfassenderen Beschreibung des Ozeans/der Atmosphäre zu gelangen System.

Die Änderung von \(R_{ai}\) (abiotische Aragonit-Niederschlagsrate) im Laufe der Zeit aus Modellsimulationen. \(R_{ai}\) (schwarze Linie), \(R_{ai}^{SST - nur}\)(rote Linie) und \(R_{ai}^{\Omega - nur}\)(blaue Linie ) aus CMIP6 Historical und ScenarioMIP SSP2-4.5 für das östliche Mittelmeer. Das \(R_{ai}\)-Szenario spiegelt die „echte“ CMIP-Vorhersage wider, während die \(R_{ai}^{SST – nur}\) und \(R_{ai}^{\Omega – nur}\) Szenarien fixieren \(\Omega_{Ar}\) und SST jeweils auf klimatologische Werte von 1850–1899. Die oberen, mittleren und unteren Panels sind UKESM1-0-LL, GFDL-CM4 bzw. CanESM5. Der schattierte Bereich gibt den Fehlerbereich an, während die Linien den Jahresmittelwert (des im gesamten östlichen Mittelmeerraum berechneten Monatsmittelwerts \(R_{ai}\)) darstellen und der schattierte Bereich den Jahresbereich abdeckt.

In den geologischen Aufzeichnungen sind in Sedimentkernen niedriger Breitengrade Verschiebungen zwischen Trockenperioden und starker ozeanischer Schichtung mit hohen Aragonit/Kalzit-Verhältnissen und Perioden hoher Luftfeuchtigkeit sowie kühleren Mischwassersäulenbedingungen mit niedrigen Aragonit/Kalzit-Verhältnissen erkennbar42. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der pCO2-Wert des Oberflächenmeerwassers weitgehend temperaturabhängig ist und die Meerestemperaturen in naher Zukunft weiter ansteigen werden46, ist bei längerer Schichtung mit einer Verringerung der Fähigkeit des Ozeans zur Aufnahme von CO2 zu rechnen. Sowohl in der Vergangenheit als auch in der nahen Zukunft der Erde könnte die Erwärmung aufgrund der Veränderungen der Erdumlaufbahn die abiotische Karbonatbildung verstärken, was möglicherweise zu einer stärkeren Freisetzung von CO2 aus den Oberflächengewässern führen könnte. Der Wechsel von kühlerem Wasser (Eiszeit/Eishausperiode), in dem Kohlenstoff durch die biologische Pumpe entfernt wird, zu warmem (Interglazial/Gewächshausperiode), geschichtetem und oligotrophem Oberflächenwasser, in dem abiotischer Aragonit ausgefällt wird, könnte die ozeanische Pufferkapazität verändert haben. Dies bedeutet, dass das Oberflächenwasser zu einer deutlich weniger wirksamen Senke wird und in Extremszenarien größere Bereiche des Oberflächenozeans zu einer CO2-Quelle werden können. Unser vorgeschlagener Rückkopplungsmechanismus deutet jedoch auf eine zukünftige Verringerung des abiotischen Aragonitniederschlags aufgrund der zunehmenden Wirkung der Ozeanversauerung hin. Die beispiellose Geschwindigkeit des anthropogenen Klimawandels geht nicht mit einer vergleichbaren Zunahme der kontinentalen Verwitterung einher. In der geologischen Vergangenheit könnte die Verwitterung TA bereitgestellt haben, um diesen Mechanismus aufrechtzuerhalten, zumindest in epikontinentalen Meeren, die sich in Bezug auf Ca2+ und Mg2+ vom Ozean entkoppeln konnten47.

Wir schlagen daher vor, dass die Rückkopplung zwischen Erwärmung, Versauerung und induzierter CO2-Freisetzung durch abiotischen Aragonitniederschlag als potenzielle Rückkopplung auf die globale Erwärmung angesehen werden kann, die zu einer wachsenden Liste von Rückkopplungen wie verringerter Primärproduktivität im Ozean, Wüstenbildung usw. hinzukommt Schmelzen des Permafrosts46 und sollten daher bei künftigen Schätzungen der Ozeanentwicklung als Reaktion auf den Klimawandel berücksichtigt werden.

Die Proben wurden aus Sedimentfallen entnommen, die 2 km vor der Küste von Hadera, Israel, in einer Bodentiefe von 25 m aufgestellt wurden. Die Analyse der Sedimentproben erfolgte mittels Röntgenfluoreszenz (RFA) und Röntgenbeugung (XRD). Die Parameter der Meerwassercarbonatchemie wurden anhand von In-situ-Messungen der Temperatur und des Salzgehalts aus der ISRAMR-Datenbank geschätzt, die jeweils in pCO2 und Gesamtalkalität umgerechnet wurden. Weitere Informationen zu den Methoden finden Sie in Anhang 2. Der globale Zustand des Kohlenstoffsystems wurde anhand von CMIP6-Produkten geschätzt, weitere Informationen finden Sie in Beilage 3.

Skripte, Ergebnisse und zusätzliches Material für Modellsimulationen sind über das Figshare-Repository unter https://doi.org/10.6084/m9.figshare.15121131 verfügbar; Alle anderen Materialien in der Ergänzung sind unter https://doi.org/10.6084/m9.figshare.1972181 verfügbar. Die in diesem Manuskript verwendeten ozeanografischen Daten sind über die ISRAMAR-Datenbanken (https://isramar.ocean.org.il/isramar2009/) verfügbar. Weitere Informationen zum THEMO-Projekt finden Sie unter https://themo.haifa.ac.il/. Weitere Hinweise zu den Daten sind in den Beilagen 2 und 3 aufgeführt.

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Diese Forschung wurde durch den Vertrag Nr. 21417028 des israelischen Energieministeriums an TK und Onn Crouvi (GSI) finanziert. Wir danken Barak Herut vom IOLR, der die „Israelische Kontinentalschelfforschung“ leitete und die Mittel für die Durchführung der Sedimentfallenforschung erhielt. OMB wurde durch das Marie-Skłodowska-Curie-Stipendium (101003394 – RhodoMalta) unterstützt und wird derzeit vom deutschen (GEOMAR) – israelischen (Universität Haifa) Helmholtz International Laboratory: The Eastern Mediterranean Sea Center – An Early-Warning Model-System for our Future unterstützt Ozeane (EMS FORE). Weitere Danksagungen sind in Beilage 2 aufgeführt.

Oder M. Bialik

Aktuelle Adresse: Dr. Moses Strauss, Abteilung für Meeresgeowissenschaften, Universität Haifa, Haifa, Israel

Meeresgeologie und Meeresbodenvermessung, Abteilung für Geowissenschaften, Universität Malta, Msida, Malta

Oder M. Bialik

Israel Oceanographic and Limnological Research (IOLR), Haifa, Israel

Guy Sisma-Ventura, Jacob Silverman und Timor Katz

Abteilung für Geowissenschaften, Universität Oxford, Oxford, Großbritannien

Noam Vogt-Vincent

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OMB – Konzeptualisierung, steuerte Daten und Analysetools bei, führte Analysen durch und beteiligte sich am Schreiben des Manuskripts. GSV – Konzeptualisierung, steuerte Daten und Analysetools bei, führte Analysen durch und beteiligte sich am Schreiben des Manuskripts. NVV – Führte eine Analyse durch und trug zum Verfassen dieses Manuskripts bei. JS – hat Analysetools beigesteuert und zum Verfassen dieses Manuskripts beigetragen. TK – Konzeptualisierung, konzipierte das Design der Datensammlung, beschaffte Gelder, steuerte Daten und Analysetools bei, führte Analysen durch und beteiligte sich am Schreiben des Manuskripts.

Korrespondenz mit Or M. Bialik oder Guy Sisma-Ventura.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Bialik, OM, Sisma-Ventura, G., Vogt-Vincent, N. et al. Rolle des ozeanischen abiotischen Karbonatniederschlags bei der zukünftigen atmosphärischen CO2-Regulierung. Sci Rep 12, 15970 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20446-7

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Eingegangen: 03. Mai 2022

Angenommen: 13. September 2022

Veröffentlicht: 24. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20446-7

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