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Marine Biosphärendynamik oder Wie bedroht sind die marinen

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Marine Biosphärendynamik
oder
Wie bedroht sind die marinen
Ökosysteme ?
Matthias Hofmann
Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung
Die Erde – Ein Wasserplanet
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: 10923 m (Marianengraben)
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 CO2 Haushalt der Atmosphäre.
• Das Meer liefert den Menschen Nahrung - heute werden
jährlich etwa 100 Millionen Tonnen Fisch den Ozeanen
entnommen.
Marine Lebensräume
Bathymetrie
Physikalische Eigenschaften des
Ozeans
• Durchschnittlicher Salzgehalt 3.5% oder 35%0
(85% Kochsalz NaCl) also ~5x1016 Tonnen Salz
• Eintrag von 4x109 Tonnen pro Jahr über Flüsse
• Jedes Jahr verdunsten mehr als 4x1014 m3
Meerwasser
Physikalische Eigenschaften des
Ozeans
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.
Physikalische Eigenschaften des
Ozeans
Physikalische Eigenschaften des
Ozeans
Physikalische Eigenschaften des
Ozeans
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.
Müllstrudel im Pazifik
Müllstrudel im Pazifik
Physikalische Eigenschaften des
Ozeans
Der Golfstrom
Physikalische Eigenschaften des
Ozeans
Golfstrom transportiert
Mehr als 1 PW (1015 W)
Wärmeenergie nach
Norden.
Das entspricht etwa der
Leistung von einer Million
Kernkraftwerken.
Physikalische Eigenschaften des
Ozeans
Physikalische Eigenschaften des
Ozeans
Physikalische Eigenschaften des
Ozeans
Biogeochemie des Ozeans
Nährstoffe:
• Nitrate NO3• Phosphate PO43• Silikate SiO44• komplexe Eisenverbindungen und andere
Mikronährstoffe
Biogeochemie des Ozeans
Beispiel: Nitratverteilung im Ozean
HNLC
ozean. „Wüsten“
ozean. „Wüsten“
HNLC
ozean. „Wüsten“
HNLC
Marine Nahrungsketten und -netze
Nahrungskette
Quelle: IFM Kiel
Marine Nahrungsketten und -netze
Nahrungskreislauf - Remineralisierung
Quelle: IFM Kiel
Marine Nahrungsketten und -netze
Nahrungskreislauf und Export
Quelle: IFM Kiel
Marine Nahrungsketten und -netze
Mikrobielle Schleife
Quelle: IFM Kiel
Marine Nahrungsketten und -netze
Quelle: IFM Kiel
Marine Nahrungsketten und -netze
Nahrungsnetze und CO2
Quelle: IFM Kiel
Primärproduktion durch
Phytoplankton
Quelle: NASA
Chlorophylla Dezember 2008
Quelle: NASA
Chlorophylla Juni 2009
Quelle: NASA
Die biologische Kohlenstoffpumpe
Der globale Kohlenstoffkreislauf
Source: IPCC AR4, 2007
CO2 in der Atmosphäre
Anthropogenic CO2
Column inventory of anthropogenic CO2 in the ocean (mol C m-2) in 1994
Source: Sabine et al. (2004) Science
Gt C in total since 1800AD
CO2 + H2O + CO32-
-
HCO3
A small part of the resulting HCO3- dissociates into
CO32- and H+
Since 1800: 30% increase in H+ ion concentration (pH~-0.1): ACIDIFICATION
Ocean acidification
a) Atmospheric CO2 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.
pCO2 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.
Ocean acidification
Ocean acidification
Ocean acidification 280 ppm
Elevated pCO2 levels lead to a drop in the
sea surface carbonate ion concentration
[CO32-] and lower the rates of biogenic
calcification
Source: Riebesell et al. (2000), Nature
healthy
750 ppm
malformed
Marine Ecosystem and carbon cycle model
Atmosphere (CO2(atm), O2(atm))
C-Isotopes 12,13,14
CO2(aq)
12,13,14
ALKALINITY
DIC
12,13,14
dissolved
O2
NO3
Fe
PO4
Phyto
Si(OH)4
Zoo
sinking
CaCO3
sinking
POC
DOC
sinking
Opal
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
Acidification and anoxia
global mean
Indian Ocean
Change in oxygen
concentration (Mol/L)
due to the reduced
ballast-bound export
of organic matter between
1800 and 3000AD.
Eq. Pacific
Eq. Atlantic
North Pacific
calendar years
Source: Hofmann & Schellnhuber
(2009) PNAS
Ocean acidification
Zachos et al. Nature (2005)
Chlorophyll
Gregg et al. 2003
6%iger Rückgang
Der NPP
Chlorophyll
Boyd et al. 2010
Chlorophyll
Boyd et al. 2010
Chlorophyll
Boyd et al. 2010
Global: 40%iger
Rückgang der Chl
Konzentrationen
seit 1950 !
Fischerei und Biodiversität
Kabeljaubestände an der Ostküste Kanadas: Anfang der 1990er
Jahre stark zurückgegangen.
1992 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.
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.
Fischerei und Biodiversität
Biodiversität von Raubfischen
Fischerei und Biodiversität
Worm et al.
Science (2005)
Fischerei und Biodiversität
Worm et al.
Science (2005)
Fischerei und Biodiversität
Foraminiferen
Rutherford et al. Nature (1999)
Fischerei und Biodiversität
Worm et al.
Science (2006)
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.
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