Wie tragen Blasen zum Gasaustausch zwischen Luft und Meer bei?

Die Alexander von Humboldt-Stiftung fördert mit ihren Forschungsstipendien die wissenschaftliche Kooperation zwischen ausländischen und deutschen Forschenden. Die Förderung ermöglicht es herausragenden Postdoktorand:innen aus dem Ausland, ihre Projekte an deutschen Forschungseinrichtungen zu bearbeiten. Das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel konnte in diesem Jahr einen neuen Stipendiaten begrüßen: Dr. Yuanxu Dong wird für zwei Jahre in der Forschungsabteilung Chemische Ozeanographie von Dr. Christa Marandino betreut.

Dr. Yuanxu Dong stammt ursprünglich aus China und hat zuletzt in Norwich, England, studiert, wo er an der University of East Anglia promovierte. Am liebsten wäre der frischgebackene Ozeanograph sofort nach der Promotion mit seiner jetzigen Gastgeberin in See gestochen: Dr. Christa Marandino, Privatdozentin und Leiterin der Arbeitsgruppe Luft-Wasser-Austausch von Spurengasen am GEOMAR, leitete im vergangenen Dezember eine fünfwöchige Expedition in die Labradorsee. Während dieser Winterexpedition untersuchte sie den Beitrag von Luftblasen zum Gasaustausch zwischen Atmosphäre und Ozean. Dies ist genau das Thema, das Dr. Yuanxu für sein Postdoc-Forschungsprojekt am GEOMAR gewählt hat.

„Mich interessiert der globale CO₂-Fluss zwischen Luft und Ozean“, sagt er. Es sei bekannt, dass der Ozean einen großen Teil der CO₂-Emissionen aufnehme, die Rolle der Blasen in diesem Prozess sei aber noch ein Rätsel.

Seine Gastgeberin, Dr. Marandino, umreißt die Problematik: „Die Quantifizierung erfolgt oft mathematisch auf der Grundlage von Laborergebnissen. Labortests sind nützlich, um Mechanismen zu verstehen, aber das Labor ist keine realistische Meeresumgebung.“ Die realistische Meeresumgebung, das sind sich brechende Wellen, die Blasen ins Wasser schlagen, je höher, desto mehr. Und hier liegt die Herausforderung: Je stärker der Wind und je höher die Wellen, desto schwieriger sind Messungen an der Meeresoberfläche. Es überrascht daher nicht, dass es noch keine Messdaten zum Gasaustausch unter Sturmbedingungen gibt, also bei Windgeschwindigkeiten von 20 bis 30 Metern pro Sekunde (etwa 70 bis 100 Kilometer pro Stunde). Da jedoch aufgrund des Klimawandels mit einer Zunahme von Stürmen zu rechnen ist, wird es immer wichtiger, die Rolle der Blasen beim Gasaustausch zwischen Luft und Meer zu verstehen.

Erst kürzlich hat Dr. Yuanxu Dong dazu eine bedeutende Studie in der renommierten Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht. Zusammen mit einem internationalen Team konnte er zeigen, dass das Südpolarmeer rund um die Antarktis etwa 25 Prozent mehr Kohlendioxid aufnimmt als bisher angenommen. Für die neue Studie wurde eine hochpräzise Messmethode namens „Eddy-Kovarianz“ eingesetzt, die die Bewegung atmosphärischer Wirbel misst, um aus dem Verhältnis von vertikaler Windgeschwindigkeit und Gasfluss-Schwankungen den Netto-Gasfluss zu berechnen. Dies ermöglicht eine direkte Bestimmung des CO₂-Austauschs zwischen Ozean und Atmosphäre. Ausgewertet wurden Daten, die mit dieser Methode während sieben Forschungsfahrten im Südlichen Ozean gewonnen wurden. Die Ergebnisse stellen einen wichtigen Fortschritt im Verständnis der Rolle dieses Meeres bei der Regulierung des globalen Klimas dar, wenngleich auch hier noch Winterdaten fehlen.

Seit diesem Sommer arbeitet Dr. Yuanxu Dong im Rahmen des Forschungsprojekts MUSE (Marine Environmental Robotics and Sensors for Sustainable Research and Management of Coasts, Seas and Polar Regions) an der Entwicklung und dem Bau eines innovativen Eddy-Kovarianz-Systems mit, das auf einer Boje installiert werden soll. Dieses hat das Potential, die direkten Messungen des CO₂-Flusses zwischen Luft und Meer erheblich zu verbessern.

Im März und September war Dr. Yuanxu Dong bei seinem Co-Gastgeber Prof. Dr. Bernd Jähne am Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg zu Gast. Im dortigen Aeolotron, einem der größten und modernsten ringförmigen Wind-Wellen-Kanäle der Welt, führte er Experimente zu blasenvermittelten Transferprozessen durch. Diese Laborergebnisse wird er nun mit den Daten aus seinen Feldexperimenten verknüpfen, um die Mechanismen des blasenvermittelten Gasaustausches zu verstehen.

Pünktlich zum Beginn der dunklen Jahreszeit ist Dr. Yuanxu wieder zurück in Kiel. Doch den norddeutschen Winter fürchtet er nicht: „Ich habe Norwich überlebt“, sagt er lachend, „und Kiel liegt ja nur ein bisschen weiter nördlich.“

Originalpublikation:

Yuanxu Dong et al. (2024): Direct observational evidence of strong CO2 uptake in the Southern Ocean. Sci. Adv.10.

DOI:10.1126/sciadv.adn5781