Forschungsprojekt

Was geschieht an der Grenze Ozean – Atmosphäre?

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und der österreichische Wissenschaftsfonds (FWF) fördern im Rahmen der kürzlich neu eingerichteten Forschungsgruppe BASS („Biogeochemical processes and Air–sea exchange in the Sea-Surface microlayer“) grundlegende Forschung zu komplexen biologischen, chemischen und physikalischen Zusammenhängen in der Oberflächen-Mikroschicht im Meer. Beteiligt sind die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) mit Forschenden aus den Instituten für Physikalische und Theoretische Chemie sowie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Oldenburg (Leitung), Hamburg und Wien, der Helmholtz-Zentren Geomar und Hereon sowie des Tropos Leibniz-Institut für Troposphärenforschung. Das interdisziplinäre Projekt wird in den kommenden vier Jahren mit mehr als vier Millionen Euro gefördert.

Laserspektroskopische Untersuchung von organischen Monoschichten an der Wasser-Luft-Grenzfläche (Fotocollage). © Friedrichs/Frommann, Uni Kiel

Ziel der Forschungsgruppe BASS ist es, die Rolle und Funktion der obersten Schicht des Ozeans, die Oberflächen-Mikroschicht, besser zu verstehen. Sie liegt an der Grenze zwischen Ozean und Atmosphäre und ist häufig nur wenige Mikrometer dünn. Sie unterscheidet sich in vielen Eigenschaften von den Wasserschichten im Meer darunter und der darüber liegenden Atmosphäre. Diese auch Microlayer genannte Schicht kontrolliert beispielsweise den Austausch von Gasen und kann mit einer Art biogeochemischen Reaktor verglichen werden. „Trotz der immensen Ausdehnung – die Mikroschicht nimmt wie der Ozean selbst rund 70 Prozent der Erdoberfläche ein – sind die biologischen, chemischen und physikalischen Zusammenhänge und deren Rolle für globale Prozesse bisher noch wenig erforscht“, erklärt Professor Dr. Gernot Friedrichs, Leiter einer Arbeitsgruppe in der Physikalischen Chemie an der Universität Kiel. „Dabei beeinflusst die Schicht letztendlich auch die Zusammensetzung der Atmosphäre und damit das Klima. Wie genau, das wollen wir gemeinsam in den kommenden Jahren besser verstehen.“

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Durch die hohe Sonneneinstrahlung, die Anreicherung organischer Substanzen und den direkten Kontakt der Grenzfläche mit der Atmosphäre spielt die häufig durch einen dünnen Biofilm bedeckte Schicht dabei nicht nur eine Rolle für den Gasaustauch zwischen Atmosphäre und Ozean. Vielmehr kommt es auch zu einzigartigen Stoffumsetzungen, die sowohl die Atmosphärenchemie durch Emission gebildeter flüchtiger Stoffe als auch die Stoffkreisläufe im Wasser beeinflussen; beides kann auf das globale Klima rückkoppeln. Im Rahmen von BASS ist geplant, neben Feldexperimenten wie Forschungsfahrten in der Nähe von Helgoland und größer angelegten Experimenten zur Bildung der Mikroschicht in einem 10 000 Liter fassenden Tank mit Meerwasser und zum Gasaustausch im Wind-Wellen-Kanal der Universität Hamburg, insbesondere auch molekülspezifische Experimente im Labormaßstab und Computersimulationen durchzuführen.

Geplante Forschungsinhalte

Die Forschungsgruppe BASS möchte zukünftig einen aus Kieler Perspektive bereits 2017 angestoßenen Ansatz für die integrative, interdisziplinäre Erforschung der organischen Mikroschicht umsetzen. Forschende veröffentlichten in der Fachzeitschrift Frontiers in Marine Science einen Beitrag zur „lebenswichtigen Haut“ des Ozeans und zeigten einen neuen Forschungsansatz. In diesem Übersichtsartikel wurden die Ergebnisse eines interdisziplinären Workshops im Rahmen des Forschungsverbundes Future Ocean zum Thema „The Ocean Surface Microlayer and Biogeochemical Feedbacks in the Earth System“ zusammengefasst. Viele der am Workshop beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler leiten jetzt Teilprojekte in der Forschungsgruppe BASS.

Konkret werden sich Kieler Forschende mit Anreicherungsprozessen von organischen Stoffen und den direkten Einfluss der organischen Mikroschicht auf die Biogeochemie und den Gasaustausch klimarelevanter Spurengase beschäftigen. Diese Themen werden federführend von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Geomar Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung umgesetzt. Einen noch detaillierteren, molekularen Blick auf Oxidations- und lichtinduzierte chemische Umsetzungen direkt an der Wasser-Luft-Grenzfläche werden die Experimente und theoretischen Rechnungen der CAU-Arbeitsgruppen (AG) von Professor Gernot Friedrichs (Physikalische Chemie, Reaktionskinetik und Laserspektroskopie) und Professor Bernd Hartke (Theoretische Chemie) ermöglichen. Dazu werden spezielle grenzflächenempfindliche laserspektroskopische Messungen sowohl an Modellsystemen als auch an natürlichen Wasserproben durchgeführt werden (AG Friedrichs), die in Kombination mit molekulardynamischen Simulationen und quantenchemischen Rechnungen (AG Hartke) Daten zur Reaktivität von organischen Schichten auf Wasser liefern. Ein molekulares Verständnis der ablaufenden chemischen Reaktionen ermöglicht es dabei, Reaktivitätstrends herauszuarbeiten und somit die bisher fehlende fundierte Datenbasis für hochskalierte Abschätzungen des globalen Einflusses solcher Prozesse zu liefern. Die wissenschaftlichen Arbeiten an der Universität Kiel im Rahmen von BASS finden an der Schnittstelle zwischen den Forschungsschwerpunkten Kiel Marine Science (KMS) und Kiel Nano, Surface and Interface Science (KiNSIS) statt.

Literatur/Publikation: Engel A, Bange HW, Cunliffe M, Burrows SM, Friedrichs G, Galgani L, Herrmann H, Hertkorn N, Johnson M, Liss PS, Quinn PK, Schartau M, Soloviev A, Stolle C, Upstill-Goddard RC, van Pinxteren M and Zäncker B (2017): The Ocean’s Vital Skin: Toward an Integrated Understanding of the Sea Surface Microlayer. Frontiers Marine Science 4:165. doi: 10.3389/fmars.2017.00165

Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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