Deutsche Forscher sind in eine virtuelle Zeitmaschine gestiegen und haben mit Modellrechnungen prognostiziert, wie sich der Sauerstoffgehalt der Ozeane in den kommenden Jahrhunderten und Jahrtausenden entwickeln wird, wenn sich die aktuellen Trends fortsetzen. Auf ihrem Weg bis ins Jahr 8000 sind sie dabei auf teilweise recht überraschende Ergebnisse gestoßen, berichtet das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel.

Besorgniserregende Trends

Gegenwärtig geht es mit dem Sauerstoffgehalt im Meer abwärts. Zu einem wesentlichen Teil liegt das an der Klimaerwärmung, da Wasser bei steigenden Temperaturen weniger Gase lösen kann. Dazu kommen dann noch andere Faktoren wie die Überdüngung der küstennahen Meeresregionen durch Rückstände aus der Landwirtschaft. Diese führen zu Algenblüten, und beim Absterben der Algenmassen verbraucht der Verwesungsprozess so viel Sauerstoff, dass sich sogenannte Todeszonen bilden können.

Bei beiden Trends ist kein Ende in Sicht, was zur bangen Frage führt: Werden die Ozeane irgendwann komplett sauerstoffarm? Solche anoxischen Phasen gab es in der Erdgeschichte tatsächlich schon mehrere Male, und stets waren sie mit Massenaussterbeereignissen verbunden. Auch diese globalen Katastrophen der Vergangenheit gingen mit hohen Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre und hohen globalen Temperaturen einher.

Das neue Modell

Kieler Forscher versuchten daher die Entwicklung des Sauerstoffgehalts der Ozeane bis ins Jahr 8000 zu prognostizieren. Sie gehen in ihrem Szenario davon aus, dass ein großer Teil der fossilen Reserven verbrannt wird, die Emissionen bis zum Ende des Jahrhunderts weiter ansteigen und anschließend bis zum Jahr 2300 auf null abnehmen. Im Modell erwärmt sich der Planet dabei um erschreckende weitere sechs Grad, und die Temperaturen bleiben bis zum Ende der Simulation auf diesem hohen Niveau.

Beim daraus folgenden Sauerstoffgehalt des Ozeans zeigte sich aber eine Überraschung: Nach einer weiteren Abnahme über mehrere hundert Jahre steigt er wieder an und erreicht in knapp 4.000 Jahren sogar ein höheres Niveau als vor der Industrialisierung. Parallel dazu werden sich aber – was wie ein Widerspruch erscheint – die heute schon vorhandenen Todeszonen deutlich ausweiten und sogar noch stärker ausgeprägt sein.

Alternative Atmung

Dieser Widerspruch wird dadurch gelöst, dass die Kieler Forscher nach eigenen Angaben erstmals konsequent den Sauerstoffkreislauf mit dem Stickstoffkreislauf gekoppelt haben. Der Grund: Während extrem sauerstoffarme Regionen zu Todeszonen für größere Organismen wie Fische oder Kopffüßer werden, gedeihen bestimmte Bakterien, die statt Sauerstoff Nitrat atmen, dort prächtig.

"Sie ziehen ihre Energie aus einem chemischen Prozess, den wir Denitrifizierung nennen. Er ist ein wichtiger Bestandteil des Stickstoffkreislaufs, führt aber dazu, dass bei der Veratmung von organischem Material weniger Sauerstoff verbraucht wird, als bei der Photosynthese produziert wurde", sagt GEOMAR-Forscher Andreas Oschlies.

Die Koppelung von Sauerstoff- und Stickstoffkreislauf ergab im Modell, dass aufgrund der ausgedehnten Todeszonen immer mehr organisches Material nicht mehr wie bisher mit Sauerstoff, sondern durch Denitrifizierung mit Nitrat veratmet wird. Die damit verbundene Sauerstoff-Einsparung überstieg nach mehreren tausend Jahren den erwärmungsbedingten Sauerstoffverlust der Ozeane. Eine flächendeckende Erholung wird dies jedoch nicht sein, sagt Oschlies: Weit ausgedehnte Todeszonen nahe der Meeresoberfläche bleiben erhalten.

Alte und neue Widersprüche

Frühere Modellrechnungen haben den Stickstoffkreislauf oft vernachlässigt. "Deshalb waren die Ergebnisse beim Sauerstoffbudget nie ganz befriedigend. Das können wir jetzt auflösen", sagt Oschlies. Doch dafür tut sich ein anderes Rätsel auf: Die verheerende anoxischen Phasen in der Vergangenheit der Erde sind mit den neuen Erkenntnissen noch schwerer zu erklären. Laut den Forschern gibt es offenbar Faktoren und Rückkopplungsprozesse im komplexen Wechselspiel von biologischen, physikalischen und chemischen Prozessen im Ozean, die noch nicht ganz verstanden sind. (red, 1. 7. 2019)