Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Meteorologie und der Universität Hamburg haben kürzlich bedeutende Fortschritte im Verständnis der Wechselwirkungen zwischen tropischen Wirbelstürmen und dem Kohlenstoffkreislauf im Ozean erzielt. In einer bahnbrechenden Studie wurden die Auswirkungen von zwei extrem starken Hurrikanen der Kategorie 4, die im September 2020 im Nordatlantik auftraten, mithilfe eines hochentwickelten globalen Erdsystemmodells untersucht. Diese Simulation ist von besonderer Bedeutung, da sie erstmalig die komplexen physikalisch-biogeochemischen Prozesse darstellt, die durch solche Stürme ausgelöst werden.
Tropische Wirbelstürme sind bekannt für ihre gewaltigen Kräfte und die Zerstörungen, die sie an Land verursachen. Doch auch die Ozeane sind nicht immun gegen diese Naturereignisse. Die Stürme führen zu einer massiven Aufwirbelung der Wasseroberfläche, was zu einer Vermischung der Wasserschichten und einem Austausch von Wärme und Kohlenstoff mit der Atmosphäre führt. Traditionelle Erdsystemmodelle sind oft nicht in der Lage, die Intensität und die detaillierten Auswirkungen von starken Wirbelstürmen akkurat abzubilden, da sie eine grobe Gitterauflösung von 100 bis 200 Kilometern besitzen. Im Gegensatz dazu ermöglicht das ICON-Modell mit einer horizontalen Auflösung von nur fünf Kilometern eine realitätsnahe Simulation dieser extremen Wetterereignisse.
Das Team um David Nielsen, den Erstautor der Studie, konzentrierte sich auf die Auswirkungen der beiden Hurrikane, die Windgeschwindigkeiten von über 200 Kilometern pro Stunde erreichten. Die Ergebnisse der Simulation zeigen, dass durch die Hurrikane enorme Mengen Kohlendioxid aus dem Ozean in die Atmosphäre gelangten – etwa 20- bis 40-mal mehr als bei normalen Wetterbedingungen. Gleichzeitig kühlten die Stürme die Meeresoberfläche ab, was dazu führte, dass der Ozean für mehrere Wochen nach dem Sturm in der Lage war, mehr Kohlendioxid aufzunehmen. Diese beiden Effekte – die sofortige Freisetzung von CO2 und die langfristige Aufnahme nach der Abkühlung – führten insgesamt zu einer geringen Nettoaufnahme von Kohlenstoff.
Ein weiteres bemerkenswertes Ergebnis der Forschung war die Durchmischung der oberen Wasserschichten durch die Hurrikane. Diese Durchmischung brachte Nährstoffe an die Oberfläche, was zu einer Verzehnfachung des Phytoplanktonwachstums führte. Die dadurch ausgelöste Blüte hielt mehrere Wochen an und erstreckte sich über ein viel größeres Gebiet als nur die direkte Zugbahn der Stürme. Regionale Strömungen, die teilweise durch die Stürme verstärkt wurden, trugen zur Verbreitung der Biomasse über weite Teile des westlichen Nordatlantiks bei.
Die Studienautorin Tatiana Ilyina stellte fest, dass die Hurrikane auch die Menge an organischem Kohlenstoff erhöhten, die im Ozean versank, und somit zur langfristigen Speicherung von Kohlenstoff in tieferen Wasserschichten beitrugen. Diese Erkenntnisse sind besonders wichtig, da sie helfen, die komplexen Zusammenhänge zwischen tropischen Wirbelstürmen und dem globalen Kohlenstoffkreislauf zu verstehen. Die Simulation ermöglicht es den Forschenden, diese Prozesse im Detail zu analysieren und in einen globalen Kontext zu setzen, was essenziell ist, um die Reaktionen tropischer Wirbelstürme auf die globale Erwärmung und deren Einfluss auf das Klima besser zu verstehen.
Für die Zukunft planen die Wissenschaftler, weitere Prozesse im Kilometermaßstab zu untersuchen und deren Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf nicht nur in tropischen Regionen, sondern auch in den Polarregionen zu analysieren. Diese umfassenden Untersuchungen werden helfen, die Dynamik der Ozeane im Kontext des Klimawandels besser zu begreifen und die Wechselwirkungen zwischen atmosphärischen Störungen und marinen Ökosystemen zu vertiefen.
