Dem Verbleib von anthropogenem Kohlenstoff im Ozean auf der Spur — Modellierung des globalen13C-Suess-Effekts

Steigende CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen verringern die Konzentration des schweren Kohlenstoffisotops 13C in der Atmosphäre. Dieses Phänomen, das 13C-Suess-Effekt genannt wird, kann genutzt werden, um die Wege des anthropogenen Kohlenstoffs im Erdsystem zu verfolgen. In einer neuen Studie haben Dr. Bo Liu, Dr. Katharina D. Six und Dr. Tatiana Ilyina die Quellen der Unsicherheit in einer beobachtungsbasierten Schätzung des globalen 13C-Suess-Effekts im Ozean untersucht. Hierfür verwendeten sie die Ozean-Komponente des Max-Planck-Institut-Erdsystemmodells (MPI-ESM) und die Biogeochemie-Komponente (HAMOCC) inklusive einer Repräsentation der Kohlenstoffisotopenprozesse. Sie ermittelten eine Reihe von methodischen Annahmen in diesem auf Beobachtungen basierten Datenprodukt, die zu einer deutlichen Unterschätzung des ozeanischen 13C-Suess-Effekts führen.

Der 13C-Suess-Effekt wird abgeleitet aus der Abnahme von δ13C, wie das Maß für das normalisierte Isotopenverhältnis des 13C/12C-Verhältnisses bezeichnet wird. Die Quantifizierung des 13C-Suess-Effekts im Ozean, der seit der vorindustriellen Zeit eine wichtige Senke für anthropogenen Kohlenstoff darstellt, ist eine Herausforderung. Die dafür benötigten Schiffsmessungen begannen erst im späten 20. Jahrhundert  und der δ13C -Rückgang im Meer während des Industriezeitalters ist räumlich nicht einheitlich. Die erste aus Beobachtungen abgeleitete Schätzung des globalen ozeanischen 13C-Suess-Effekts  ist wahrscheinlich zu niedrig (Eide et al. 2017). Die Autoren dieser Studie spekulierten, dass die spärlichen Beobachtungsdaten, insbesondere in Regionen mit einem starken 13C-Suess-Effekt wie den subtropischen Wirbeln, der Grund für eine mögliche Unterschätzung sind. Bislang wurde diese Vermutung aber nicht überprüft.

Dr. Bo Liu und ihre Mitautorinnen fügten deshalb HAMOCC umfassende 13C-Parametrisierungen für Veränderungen durch biologische Prozesse und den 13C-Gasaustausch zwischen Luft und Meer hinzu. Die gute Übereinstimmung zwischen den Modellergebnissen und den Beobachtungen für die heutige 13C-Verteilung und ihre Entwicklung im letzten Jahrhundert lieferte die Grundlage für eine erstmalige Quantifizierung des 13C-Suess-Effekts im Ozean nach der gleichen Methode wie Eide et al. (2017). Die Autorinnen zeigten, dass die Unterrepräsentation der subtropischen Wirbel in den Beobachtungsdaten für den Indischen Ozean relevant ist und die Hälfte der Unterschätzung erklärt. Eine mangelnde Datenlage erklärt jedoch nicht die Unterschätzung im Nordatlantik. Die Autorinnen haben zwei wesentliche Ursachen für die methodische Unterschätzung gefunden: die Vernachlässigung räumlicher Unterschiede im „preformed“ δ13C in 1940 — also der Verteilung der δ13C -Oberflächenkonzentration, die sich nur durch die Zirkulation ergibt, wenn es keine weiteren Quellen/Senken im Ozeaninneren gibt - sowie die Abnahme von δ13C in organischem Material über das Industriezeitalter.


Dr. Bo Liu: „Wenn wir auf Beobachtungen basierende Datenprodukte erhalten, fragen wir oft nur, ob unser Modell sie reproduzieren kann. Unsere Studie zeigt, dass wir uns auch fragen sollten, ob wir das Modell nutzen können, um Unsicherheiten in Beobachtungsprodukten zu interpretieren.“

Dr. Tatiana Ilyina: „Unsere Analyse zeigt den Mehrwert einer umfassenden Modellierung, um Wissenslücken über die Funktionsweise der Kohlenstoffsenke im Ozean zu schließen. Die Einbeziehung von Kohlenstoffisotopen eröffnet auch die Möglichkeit eines direkten Vergleichs mit δ13C -Messungen von Meeressedimenten, um die Reaktionen der Biogeochemie der Ozeane auf Veränderungen des atmosphärischen CO2 und des Klimas in der Vergangenheit zu bewerten.

 

Abb.: Globaler 13C-Suess-Effekt des Ozeans (Abnahme des δ13C im Meerwasser von der vorindustriellen Zeit bis in die 1990er Jahre) in 200 m Tiefe mit drei verschiedenen Berechnungsansätzen: (a) im Modell simuliert (Abb. 11 in Liu et al. 2021); (b) auf der Grundlage von Beobachtungsdaten mit der Methodik von Eide et al. (2017) geschätzt (reproduzierte Abb. 7 aus Eide et al. 2017); (c) neu berechnet aus den Modellergebnissen nach der Methodik von Eide et al. (2017). Niedrigere Werte zeigen einen stärkeren 13C-Suess-Effekt an. Der Vergleich von (a) und (c) zeigt die Unterschätzung des 13C-Suess-Effekts, die sich aus der Methodik von Eide et al. (2017) ergibt.

 

Originalveröffentlichung:

Liu, B., Six, K. D., and Ilyina, T.: Incorporating the stable carbon isotope 13C in the ocean biogeochemical component of the Max Planck Institute Earth System Model, Biogeosciences, 18, 4389–4429, https://doi.org/10.5194/bg-18-4389-2021, 2021.

 

Erwähnte Veröffentlichung von Eide et al., die auf Beobachtungsdaten basiert:

Eide, M., A. Olsen, U. S. Ninnemann, and T. Eldevik (2017), A global estimate of the full oceanic 13C Suess effect since the preindustrial, Global Biogeochem. Cycles, 31, 492–514, doi:10.1002/ 2016GB005472.

 

Kontakt

Dr. Bo Liu
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: bo.liu@we dont want spammpimet.mpg.de

 

Dr. Katharina D. Six
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: katharina.six@we dont want spammpimet.mpg.de

 

Dr. Tatiana Ilyina
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: tatiana.ilyina@we dont want spammpimet.mpg.de