Marine Biosphärendynamik oder Wie bedroht sind die marinen Ökosysteme?

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1 Marine Biosphärendynamik oder Wie bedroht sind die marinen Ökosysteme? Matthias Hofmann Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung

2 Die Erde Ein Wasserplanet

3 Die Erde Ein Wasserplanet DER OZEAN Fläche: 361 Mio. km2 oder 71% der Erdoberfläche Durchschnittliche Tiefe: 3800 m Volumen: 1370 Mio. km3 oder mehr als 97% des Wassers auf der Erde (2% in Eisschilden, 0.02% in Seen und Flüssen, 0.001% in der Atmosphäre) Etwa die Hälfte des Meeresbodens sind Tiefseeebenen (3000 bis 5000 m tief) Maximale Tiefe: m (Marianengraben)

4 Die Bedeutung der Ozeane für das Leben auf der Erde Der Ursprung allen Lebens liegt im Meer vor etwa 3.5 Milliarden Jahren bildeten sich dort die ersten Einzeller. Das Meer reguliert das Klima der Erde Meeresströmungen, wie etwa der Golfstrom, sorgen für milde Temperaturen in Europa. Die Verdunstung von Meerwasser ist die Hauptquelle der Niederschläge. Der Ozean reguliert den CO 2 Haushalt der Atmosphäre. Das Meer liefert den Menschen Nahrung - heute werden jährlich etwa 100 Millionen Tonnen Fisch den Ozeanen entnommen.

5 Marine Lebensräume

6 Bathymetrie

7

8 Physikalische Eigenschaften des Ozeans Durchschnittlicher Salzgehalt 3.5% oder 35%0 (85% Kochsalz NaCl) also ~5x10 16 Tonnen Salz Eintrag von 4x10 9 Tonnen pro Jahr über Flüsse Jedes Jahr verdunsten mehr als 4x10 14 m 3 Meerwasser

9 Physikalische Eigenschaften des Ozeans

10 Physikalische Eigenschaften des Ozeans Wassertemperaturen an der Meeresoberfläche variieren zwischen -2 C in den Polargebieten und 30 C in den Tropen. Mehr als 80% des tiefen Meerwassers ist kälter als 5 C.

11 Physikalische Eigenschaften des Ozeans

12 Physikalische Eigenschaften des Ozeans

13 Physikalische Eigenschaften des Ozeans

14 Müllstrudel im Pazifik Von Samiha Shafy Immer mehr Abfälle treiben in den Ozeanen. Der Müllstrudel zwischen Kalifornien und Hawaii ist auf die Größe Mitteleuropas angewachsen. Das Treibgut bedroht viele Meereslebewesen.

15 Müllstrudel im Pazifik

16 Müllstrudel im Pazifik

17 Physikalische Eigenschaften des Der Golfstrom Ozeans

18 Physikalische Eigenschaften des Ozeans Golfstrom transportiert Mehr als 1 PW (10 15 W) Wärmeenergie nach Norden. Das entspricht etwa der Leistung von einer Million Kernkraftwerken.

19 Physikalische Eigenschaften des Ozeans

20 Physikalische Eigenschaften des Ozeans

21 Physikalische Eigenschaften des Ozeans

22 Biogeochemie des Ozeans Nährstoffe: Nitrate NO 3 - Phosphate PO 4 3- Silikate SiO 4-4 komplexe Eisenverbindungen und andere Mikronährstoffe

23 Biogeochemie des Ozeans Beispiel: Nitratverteilung im Ozean HNLC ozean. Wüsten ozean. Wüsten ozean. Wüsten HNLC HNLC

24 Marine Nahrungsketten und -netze Nahrungskette Quelle: IFM Kiel

25 Marine Nahrungsketten und -netze Nahrungskreislauf - Remineralisierung Quelle: IFM Kiel

26 Marine Nahrungsketten und -netze Nahrungskreislauf und Export Quelle: IFM Kiel

27 Marine Nahrungsketten und -netze Mikrobielle Schleife Quelle: IFM Kiel

28 Marine Nahrungsketten und -netze Quelle: IFM Kiel

29 Marine Nahrungsketten und -netze Nahrungsnetze und CO 2 Quelle: IFM Kiel

30 Primärproduktion durch Phytoplankton Quelle: NASA

31 Chlorophylla Dezember 2008 Quelle: NASA

32 Chlorophylla Juni 2009 Quelle: NASA

33 Die biologische Kohlenstoffpumpe

34 Der globale Kohlenstoffkreislauf Source: IPCC AR4, 2007

35 CO 2 in der Atmosphäre

36 Anthropogenic CO 2 Column inventory of anthropogenic CO 2 in the ocean (mol C m -2 ) in 1994 Gt C in total since 1800AD Source: Sabine et al. (2004) Science CO 2 + H 2 O + CO 3 2- HCO 3 - A small part of the resulting HCO 3 - dissociates into CO 3 2- and H + Since 1800: 30% increase in H + ion concentration ( ph~-0.1): ACIDIFICATION

37 Ocean acidification a) Atmospheric CO 2 emissions, partial pressure and ph change vs. time. Source: Caldeira and Wickett (2003), Nature b) Estimated maximum change in surface ocean ph as function of final atmosph. pco 2 and the transition time. A:Glacial/ Interglacial change, B: change over the past 3 million years, C: historical changes in sea water, D: unabated fossil fuel burning over the next few centuries.

38 Ocean acidification

39 Ocean acidification

40 Ocean acidification Elevated pco 2 levels lead to a drop in the sea surface carbonate ion concentration [CO 3 2- ] and lower the rates of biogenic calcification 280 ppm healthy 750 ppm malformed Source: Riebesell et al. (2000), Nature

41 Marine Ecosystem and carbon cycle model Atmosphere (CO 2 (atm), O 2 (atm)) C-Isotopes 12,13,14 DIC 12,13,14 CO 2 (aq) 12,13,14 ALKA- LINITY dissolved O 2 Phyto Zoo Si(OH) 4 Fe NO 3 PO 4 sinking POC DOC sinking CaCO 3 sinking Opal

42 Acidification and anoxia Oxygen concentration in Mol/L Phosphate concentration in Mol/L present day year 3000 global warming only oxygen hole year 3000 global warming + reduced ballast Source: Hofmann & Schellnhuber (2009) PNAS

43 Acidification and anoxia global mean Indian Ocean Eq. Pacific Change in oxygen concentration ( Mol/L) due to the reduced ballast-bound export of organic matter between 1800 and 3000AD. Eq. Atlantic North Pacific calendar years Source: Hofmann & Schellnhuber (2009) PNAS

44 Ocean acidification Zachos et al. Nature (2005)

45 Chlorophyll Gregg et al %iger Rückgang Der NPP

46 Chlorophyll Boyd et al. 2010

47 Chlorophyll Boyd et al. 2010

48 Chlorophyll Boyd et al Global: 40%iger Rückgang der Chl Konzentrationen seit 1950!

49 Fischerei und Biodiversität Kabeljaubestände an der Ostküste Kanadas: Anfang der 1990er Jahre stark zurückgegangen Fischereimoratorium völliges Fangverbot für Kabeljau in dieser Region. ABER: Selbst nach 15 Jahren haben sich die Bestände nicht erholt. Kabeljau wurde von anderen Arten verdrängt. Daher: Überfischung kann zu einem Regimewechsel in einem marinen Ökosystem führen. Es gibt kritische Grenzen, an denen Ökosysteme regelrecht umkippen können.

50 Fischerei und Biodiversität Der Wegfall der Fressfeinde (Kabeljau) ließ die Zahl anderer Arten (z.b. Hummer) drastisch steigen. ( I ) Ökosysteme können mehr als nur einen natürlichen Status quo besitzen. ( II) Räuber (Raubfische) besitzen eine wichtige Kontrollfunktion für Ökosysteme.

51 Fischerei und Biodiversität Biodiversität von Raubfischen

52 Fischerei und Biodiversität Worm et al. Science (2005)

53 Fischerei und Biodiversität Worm et al. Science (2005)

54 Fischerei und Biodiversität Foraminiferen Rutherford et al. Nature (1999)

55 Fischerei und Biodiversität Worm et al. Science (2006)

56 Take home message Das Meer ist eine der wichtigsten Komponenten des Klimasystems. Das Funktionieren mariner Ökosysteme und die Erhaltung ihrer Biodiversität sind fundamentale Voraussetzung für das Leben des Menschen auf der Erde. Jeder Eingriff des Menschen in ein marines Ökosystem (Überfischung, Ozeanversauerung, ) kann zu einem unwiederbringlichen umkippen des Gesamtsystems führen.