Kohlenstoffkreislauf und "Schwarzschiefer"-Events

Die Stoffkreisläufe der Erde wurden bisher nur auf endogene oder exogene Prozesse zurückgeführt. Erst in der letzten Zeit wurde die Bedeutung der Biosphäre für den Austausch der biophilen Elemente (vor allem C, H, S, N und P) und des Wassers zwischen den Sphären im System Erde (Biosphäre, Atmosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre) erkannt. Dadurch besitzt dieses Forschungsfeld einen hohen Grad an Interdisziplinarität und entwickelt durch die historische Betrachtungsweise Bewertungskriterien für den Ist-Zustand unseres Planeten.

Der Biosphären-gekoppelte Kohlenstoffkreislauf (vereinfacht). Nach Oschmann et al. (2000).

Die Wälder auf dem Festland stellen 99% der Biomasse und spielen somit als Kohlenstoffreservoir mit Verweilzeiten von etlichen hundert Jahren eine große Rolle. Die Größe der globalen Waldareale ist folglich nicht nur wegen ihrer CO2-Fixierung durch Photosynthese, sondern auch wegen ihrer Reservoireigenschaften ein wesentlicher Faktor im Kohlenstoffkreislauf. Marine Organismen, vor allem das Phytoplankton, stellen nur 1% der Biomasse. Wegen der mehr als 100 mal höheren Stoffumsatzraten, verglichen mit der festländischen Primärproduktion, ist die marine Primärproduktion besonders bedeutend im atmosphärisch-ozeanischen CO2-Haushalt und führt dazu, dass der Weltozean gegenüber der Atmosphäre eine ca. 45fach größere Kohlenstoffmenge gelöst enthält. Produktivitätsänderungen in der Deckschicht des Ozeans haben deshalb große Auswirkungen auf den CO2-Gehalt der Atmosphäre und damit auf das Klima.

Kurzfristige klimawirksame Veränderungen können innerhalb weniger Jahre ablaufen und weden im wesentlichen durch die an die Biosphäre gekoppelte "Biologische Pumpe" und die "Alkalinitäts-Pumpe" gesteuert, deren Auswirkungen sich zu Rückkoppelungsprozessen aufschaukeln können. Schwankungen in der Nährstoffzufuhr und Veränderungen in der ozeanischen Zirkulation bestimmen dabei vor allem die Änderungen in der ozeanischen Produktivität und damit die Effizienz der biologischen Pumpe.

Primäproduktion, Alkalinität und die ozeanische Zirkulation kontrollieren die Einbettungsrate von organischem Kohlenstoff und Karbonat in das Sediment. Auf diese Weise wird Kohlenstoff dem raschen Kreislauf von Biosphäre und Atmosphäre entzogen und in die Lithosphäre überführt - ein wesentlicher Steuerungsfaktor der langfristigen Klimaentwicklung.

Oben: In Zeiten wie heute, in denen an den Polen kaltes Wasser absinkt und die Tiefsee mit Sauerstoff versorgt, ist die Sauerstoffminimum -Zone (OMZ) relativ dünn. Unten: Ausdehnung des sauerstoffarmen Meerwassers in Zeiten, in denen die Tiefsee warm ist. Dies war z.B. in der Kreide der Fall. Da an den Polen kein sauerstoffreiches Tiefenwasser gebildet wurde, stagnierte das Wasser unterhalb der Wellenbasis und wurde häufig sauerstoffarm, bei Transgressionen bis auf die Schelfe hinauf. Nach Stanley (1999).

Zeiten der Erdgeschichte, in denen sich häufig "Schwarzschiefer" (besser "black shales"), also dunkle Tonsteine mit hohem Gehalt an organischer Substanz, gebildet haben, sind oft mit vermehrtem Massenaussterben korreliert (z.B. im Oberdevon). Auch die Kreide war eine Zeit häufiger Black Shales (verbunden mit einigen kleineren Aussterbeereignissen. Besonders traten diese Phänomen in Phasen der Erdgeschichte, in denen die Meere sehr warm und die Temperaturgradienten gering waren, auf. Grund hierfür ist die fehlende Tiefenwasserbildung in solchen Zeiten (siehe oben). Dadurch kam es zu Sauerstoffmangel in mittleren und größeren Meerestiefen, in der Folge zu geringerer Aufbereitung von aus den höheren Wasserschichten abgesunkenem organischem Material (tote Tiere und Pflanzen) und zur Kohlenstoffanreichung in den Sedimenten.

In Phasen steigender Meeresspiegelstände konnten diese sauerstoffarmen Wassermassen auf die Schelfe (Flachmeere bis ca. 200 m Wassertiefe, siehe oben) vordringen und dort sowohl Black Shales hinterlassen als auch zu verstärktem Aussterben benthonischer Faunen führen (besonders von Riff-Ökosystemen).

Ein Sonderfall ist der "Anoxic Overturn": In Zeiten fallender Meeresspiegel, aber noch hoher Temperaturen, kann es in weiträumigen Flachmeeren zu einer so starken Eindampfung des flachen Wassers kommen, dass durch den enorm gestiegenen Salzgehalt bedingt diese Wassermassen so schwer werden, dass sie irgendwann von den Schelfen herabfließen, die Sauerstoffminimum-Zone (OMZ, siehe Abb.oben) und diese sauerstoffarmen Wassermassen auf die Schelfe hochdrücken. Der Effekt ist der gleiche wie oben beschrieben.