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Stickstoff-Emissionen gelangen in die Meere

28.11.2014 - (idw) Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Die Aktivitäten des Menschen haben einen direkten Einfluss auf die Biogeochemie der Weltmeere nicht nur, was den Kohlenstoff angeht. Forscher haben nun nachgewiesen, dass auch Stickstoffverbindungen aus Verbrennungsprozessen und der Landwirtschaft über die Atmosphäre ins offene Meer gelangen. Wenn fossile Energieträger bei hohen Temperaturen verbrannt werden, wie etwa in Kohle- und Gaskraftwerken oder bei Ölheizungen, bilden sich Stickoxide und andere reaktive Stickstoffverbindungen, die in die Atmosphäre gelangen. Auch aus der Landwirtschaft gelangt reaktiver Stickstoff in die Atmosphäre. Dies, wenn ein Teil des als Dünger eingebrachten Stickstoffs als Stickoxid oder als Ammoniak an die Atmosphäre verloren geht. Diese Emissionen sind in den letzten Jahrzehnten massiv angestiegen, vor allem in Ostasien, wo sie im letzten Jahrzehnt um 40 Prozent zugenommen haben.

Lange gingen Wissenschaftler davon aus, dass diese Stickstoff-Emissionen höchstens zu regionalen Problemen führen, etwa zu schlechter Luftqualität. Konsequenzen auf globaler Ebene befürchteten sie weniger. Das liegt daran, dass die meisten reaktiven Stickstoff-Substanzen relativ gut vom Regen ausgewaschen werden, und sie somit mehrheitlich da zur Erde zurückgelangen, wo sie emittiert wurden.

Über Tausende Kilometer verfrachtet

Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der ETH Zürich zeichnet nun ein etwas anderes Bild: In einer soeben im Fachmagazin «Science» veröffentlichten Studie wiesen sie im Nordpazifik eine Zunahme des Nitratgehaltes nach. Beim Nitrat handelt es sich um die stabilste Form von reaktivem Stickstoff im Ozean. Diese Zunahme führen sie auf menschgemachte Stickstoff-Emissionen aus Ostasien zurück. «Wir haben in dieser Studie erstmals schlüssig aufgezeigt, dass der Mensch direkt in den Stickstoffkreislauf der Weltmeere eingreift, und dies Tausende von Kilometern entfernt von der Quelle», sagt Nicolas Gruber, Professor für Biogeochemie und Schadstoffdynamik an der ETH Zürich und Mitautor der Studie.

Laut der Studie stammt die Zunahme des Nitrates im Nordpazifik zu einem grossen Teil aus Verbrennungsprozessen in Ostasien, sowie zu einem kleineren Teil aus der dortigen Landwirtschaft. Die vorherrschenden Westwinde trugen diese Stoffe über den Pazifik , wo vor allem der Regen sie aus der Luft ins Meer wusch.

Blick in die Vergangenheit

Für die Studie verwendeten die Forscher Nährstoffdaten der letzten Jahrzehnte aus verschiedenen Ozeantiefen. «Der Ozean durchmischt sich nur langsam, und das Wasser im Ozeaninnern ist älter als jenes an der Oberfläche», erklärt Gruber. Daher erlaubten Proben aus dem Ozeaninnern Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung der Meeresoberfläche in der Vergangenheit. Es sei so möglich, bis zu 40 Jahre in die Vergangenheit zu blicken.

Bisher gingen die Forscher davon aus, dass die vom Mensch verursachte Erhöhung des Stickstoff-Eintrages in die Meere über die Atmosphäre zu klein sei, um nachgewiesen werden zu können. Dies vor allem daher, weil im Ozean grosse Mengen Nitrat vorhanden sind, insbesondere in der Tiefe.

Möglich war der Nachweis des menschgemachten Eintrags dank einer von Gruber entwickelten Methode, die das Verhältnis von Nitrat zu Phosphat nutzt. So konnten die Forscher das menschgemachte Signal in den obersten 500 Metern des Ozeans klar identifizieren. Insbesondere in der Nähe der Oberfläche beträgt die Zunahme einige Mikromol pro Liter über die letzten dreissig Jahre, was fast einer Verdopplung der lokalen Konzentration entspricht. ETH-Doktorand Simon Yang bestätigte die so gefundene Stickstoff-Zunahme mittels Computerberechnungen mit einem Erdsystemmodell. Diese Modellrechnungen ergaben ein ähnliches Bild.

Düngung des Ozeans

Über die Folgen, die der Eintrag von reaktivem Stickstoff im Ozean hat, können die Forscher derzeit nur spekulieren. «Da im Nordpazifik biologisch verfügbarer Stickstoff eher Mangelware ist im Vergleich zu anderen Nährstoffen, dürfte ein Stickstoff-Eintrag einen Düngungseffekt haben und somit das Wachstum von Algen begünstigen», sagt Gruber. Vorstellbar sei auch, dass als Folge davon gewisse Bakterienarten seltener würden, nämlich jene, die sich auf die sogenannte Stickstoff-Fixierung spezialisiert hätten. Diese Bakterien können molekularen Stickstoff in biologisch verfügbare Stickstoffverbindungen umwandeln. Reichern sich solche Stickstoffverbindungen über den Eintrag aus der Atmosphäre an, verlieren diese Mikroorganismen ihre Bedeutung für das Ökosystem Ozean.

Einer detaillierten Untersuchung der Folgen des Stickstoff-Eintrags in den Pazifik möchten sich die Wissenschaftler in der Zukunft annehmen. Dies auch deshalb, weil der Eintrag in die Meere nach Ansicht der Forscher in Zukunft noch steigen wird. Zumal nicht davon auszugehen ist, dass die Emissionen an reaktivem Stickstoff in die Atmosphäre global in naher Zukunft sinken werden.


Literaturhinweis

Kim IN, Lee K, Gruber N, Karl DM, Bullister JL, Yang S, Kim TW: Increasing anthropogenic nitrogen in the North Pacific Ocean. Science 2014, doi: 10.1126/science.1258396 [http://dx.doi.org/10.1126/science.1258396]
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