Forschungsexpeditionen auf See mit einer rotierenden Gravitationsmaschine und einem Mikroskop haben ergeben, dass die Ozeane der Erde möglicherweise nicht so viel Kohlenstoff absorbieren, wie Forscher lange angenommen haben.
Schätzungen zufolge absorbieren die Ozeane rund 26 Prozent des weltweiten Kohlendioxids (CO).2) Emissionen durch Reduzierung von CO2 der Atmosphäre und sperren Sie es weg. In diesem System ist das CO2 gelangt in den Ozean, wo Phytoplankton und andere Organismen etwa 70 Prozent davon verbrauchen. Wenn diese Organismen schließlich sterben, sinken ihre kleinen, weichen Strukturen auf den Meeresboden, was wie ein Unterwasserschneefall aussieht.
Dieser „Meeresschnee“ entzieht der Meeresoberfläche Kohlenstoff und bindet ihn über Jahrtausende in der Tiefe, sodass Oberflächengewässer mehr CO2 aufnehmen können.2 aus der Luft. Es ist eines der besten natürlichen Systeme zur Kohlenstoffentfernung auf der Erde. Es ist sehr effektiv darin, atmosphärisches CO zurückzuhalten2 Ebenen unter Kontrolle, da viele Forschungsgruppen versuchen, den Prozess mit Geoengineering-Techniken zu verbessern.
Aber die neue Studie, veröffentlicht am 11. Oktober in Wissenschaft, fanden heraus, dass sinkende Partikel nicht so schnell auf den Meeresboden fallen, wie Forscher dachten. Mithilfe einer maßgeschneiderten Schwerkraftmaschine, die die natürliche Umgebung von Meeresschnee simuliert, beobachteten die Studienautoren, dass die Partikel Schleimschwänze produzieren, die wie Fallschirme wirken und ihren Abstieg verlangsamen und sie manchmal sogar bewegungsunfähig machen.
Der physikalische Widerstand führt dazu, dass Kohlenstoff in der oberen Hydrosphäre verbleibt, anstatt sicher in tieferen Gewässern gebunden zu werden. Lebende Organismen können dann die Meeresschneepartikel verzehren und ihren Kohlenstoff ins Meer abgeben, was letztlich den Rückzug des Ozeans verlangsamt und zusätzliches CO bindet.2 aus der Luft.
Die Auswirkungen sind düster: Die besten Schätzungen der Wissenschaftler zur CO-Menge2 Die Sequestrierung der Ozeane der Erde könnte noch in weiter Ferne liegen. „Wir sprechen von einer Lücke von etwa Hunderten von Gigatonnen, wenn man diese marinen Schneeschweife nicht mit einbezieht“, sagt Manu Prakash, Bioingenieur an der Stanford University und einer der Autoren der Studie. Die Arbeit wurde von Forschern aus Stanford, der Rutgers University in New Jersey und der Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts durchgeführt.
Ozeane nehmen weniger CO2 auf als erwartet
Seit Jahren entwickeln Forscher numerische Modelle zur Abschätzung der Kohlenstoffbindung im Meer. Diese Modelle müssen an die langsamere Sinkgeschwindigkeit des Meeresschnees angepasst werden, sagt Prakash.
Die Ergebnisse haben auch Auswirkungen auf Start-ups im aufstrebenden Bereich des marinen Kohlenstoff-Geoengineerings. Diese Unternehmen nutzen Techniken wie die Verbesserung der Alkalität der Ozeane, um die Fähigkeit des Ozeans zur Kohlenstoffbindung zu erhöhen. Ihr Erfolg hängt zum Teil davon ab, dass sie mithilfe digitaler Modelle Investoren und der Öffentlichkeit beweisen, dass ihre Techniken funktionieren. Die Qualität ihrer Schätzungen hängt jedoch von den von ihnen verwendeten Modellen und dem Vertrauen ab, das die wissenschaftliche Gemeinschaft ihnen entgegenbringt.
„Wir sprechen von einer Lücke von etwa Hunderten von Gigatonnen, wenn man diese marinen Schneeschwänze nicht mit einbezieht.“ –Manu Prakash, Stanford University
Stanford-Forscher machten die Entdeckung während einer Expedition vor der Küste von Maine. Dort sammelten sie Meeresproben, indem sie in 80 Metern Tiefe Fallen an ihrem Boot aufhängten. Nach der Entnahme einer Probe analysierten die Forscher den Inhalt noch an Bord des Schiffes schnell mit ihrer radförmigen Maschine und ihrem Mikroskop.
Die Forscher bauten ein Mikroskop mit einem Rad, das den Meeresschnee simuliert, der über größere Entfernungen ins Meerwasser fällt, als dies sonst möglich wäre.Prakash Laboratory, Stanford University
Das Gerät simuliert die vertikale Bewegung von Organismen über große Entfernungen. Die Proben werden in ein Rad von der Größe einer alten Filmrolle gelegt. Das Rad dreht sich ständig und lässt schwebenden Meeresschnee fließen, während eine Kamera jede ihrer Bewegungen aufzeichnet.
Das Gerät passt sich Temperatur, Licht und Druck an, um die Meeresbedingungen nachzuahmen. Computertools schätzen die Strömung um die sinkenden Partikel und kundenspezifische Software entfernt Rauschen aus den Daten der Schiffsvibrationen. Um die Neigung und Bewegung des Schiffs zu berücksichtigen, montierten die Forscher das Gerät auf einem zweiachsigen Kardanring.
Langsamerer Meeresschnee verringert die Kohlenstoffbindung
Mit diesem Aufbau beobachtete das Team, dass sinkender Meeresschnee einen unsichtbaren, haloförmigen Kometenschweif aus einem viskoelastischen transparenten Exopolymer erzeugte – einem schleimähnlichen Fallschirm. Sie entdeckten den unsichtbaren Schwanz, indem sie der Meerwasserprobe im Rad kleine Perlen hinzufügten und analysierten, wie diese um Meeresschnee flossen. „Wir fanden heraus, dass die Perlen in etwas Unsichtbarem steckten, das hinter den fließenden Partikeln herzog“, sagt Rahul Chajwa, Postdoktorand im Bereich Bioingenieurwesen an der Stanford.
Der Schwanz sorgt für Widerstand und Auftrieb und verdoppelt so die Zeit, die Meeresschnee im oberen Bereich verbringt.100 Meter vom Meer entfernt, schlussfolgerten die Forscher. „Das ist das Gesetz der Sedimentation, dem wir folgen sollten“, sagt Prakash, der hofft, die Ergebnisse in Klimamodelle integrieren zu können.
Die Studie wird Modellen wahrscheinlich dabei helfen, den Kohlenstoffexport – den Prozess des CO-Transports – zu prognostizieren2 von der Atmosphäre bis in die Tiefen des Ozeans, sagt Lennart Bach, ein Meeresbiochemiker an der University of Tasmania in Australien, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Die von ihnen entwickelte Methodik ist sehr interessant und es ist großartig zu sehen, dass neue Methoden in diesem Forschungsbereich Einzug halten“, sagt er.
Doch Bach warnt davor, die Ergebnisse zu weit zu extrapolieren. „Ich glaube nicht, dass die Studie die Kohlenstoffexportzahlen, wie wir sie derzeit kennen, verändern wird“, sagt -he.
Meeresschnee kann beim Absinken durch „Fallschirme“ aus Schleim verlangsamt werden, was die Geschwindigkeit verringern könnte, mit der der globale Ozean Kohlenstoff in den Tiefen binden kann.PrakashLab/Stanford
Prakash und sein Team kamen auf die Idee für das Mikroskop, als sie an einem menschlichen Parasiten forschten, der Dutzende Meter weit reisen konnte. „Wir bauten Mikroskope mit einer Höhe von 5 bis 10 Metern, und eines Tages, als ich für eine Reise nach Madagaskar packte, hatte ich diesen Aha-Moment“, sagt Prakash. „Ich fragte mich: Warum packen wir all diese Röhren ein? Was wäre, wenn die beiden Enden dieser Rohre verbunden wären?
Die Gruppe verwandelte ihr lineares Rohr in einen geschlossenen kreisförmigen Kanal – ein Hamsterrad-Ansatz zur Beobachtung mikroskopischer Partikel. Im Laufe von fünf Ozeanexpeditionen verfeinerte das Team das Design und die Strömungsmechanik des Mikroskops, um Meeresproben aufzunehmen, wobei es sich oft um die Technik auf dem Boot kümmerte und sich an Überschwemmungen und hohe Seebedingungen anpasste.
Neben der Physik der marinen Schneesedimentation untersucht das Team auch anderes Plankton, das das Klima und die Kohlenstoffkreislaufmuster beeinflussen kann. Auf einer kürzlichen Expedition vor der Küste Nordkaliforniens entdeckte die Gruppe eine Zelle mit Silica-Ballast, die Meeresschnee wie einen Stein fließen lässt, sagt Prakash.
Diese raffinierte Schwerkraftmaschine ist eine von Prakashs vielen sparsamen Erfindungen, zu denen ein von Origami inspiriertes Papiermikroskop oder „Foldscope“, das an ein Smartphone angeschlossen werden kann, und eine biomedizinische Zentrifuge aus Papier und Schnur mit dem Spitznamen „Paperfuge“ gehören.
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