Vulkanasche aus den Anden kühlt den Südlichen Ozean und bindet Kohlendioxid

Vulkanausbrüche werden meist mit kurzen Phasen klimatischer Störungen verbunden – neue Forschung legt jedoch nahe, dass ihre Asche auch eine langfristige Abkühlung unterstützen kann.

Eine Untersuchung zu uralten Eruptionen in den Anden zeigt, wie Ascheeintrag ins Meer biologische Prozesse anstossen kann, die sich durch ganze marine Nahrungsnetze fortpflanzen.

Diese Umstellungen können Kohlendioxid (CO₂) aus der Atmosphäre entfernen und in der Tiefsee speichern – ein starker natürlicher Mechanismus, der das Klima über Millionen Jahre mitprägen kann.

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Entlang der Ränder des Südlichen Ozeans bewahren aschereiche Sedimente und Fossilfunde einen eng gekoppelten Verlauf aus Vulkanimpulsen, Algenblüten und weitreichenden Veränderungen im Meer.

Indem er diese Signale in geologischen Ablagerungen nachverfolgte, brachte Mark Clementz von der University of Wyoming wiederholte Anden-Eruptionen in direkten Zusammenhang mit Veränderungen der ozeanischen Produktivität und des atmosphärischen Kohlenstoffs.

Im selben Zeitraum nehmen Algenhäufigkeit und -dominanz zu, während die Kohlendioxidwerte sinken – und zwar jeweils parallel zu den grossen Phasen vulkanischer Aktivität.

Diese Übereinstimmung spricht eher für eine anhaltende Reaktion des Ozeans als für einzelne, voneinander getrennte Episoden. Damit stellt sich die Frage, wie Asche immer wieder derart grossräumige biologische und klimatische Effekte auslösen konnte.

Wenn Asche das Meer düngt

Explosive Ausbrüche schleuderten Asche mit Eisen, Phosphor und Silizium in Gewässer rund um die Antarktis – Regionen, in denen schon kleine Engpässe bei solchen Stoffen enormes Wachstum begrenzen können.

Gerade Eisen, Phosphor und Silizium begünstigen Diatomeen: winzige Algen mit glasartigen Schalen, die etwa ein Fünftel der globalen Primärproduktion tragen.

Klassische Experimente zeigten, dass zusätzliches Eisen in den Gewässern des Südlichen Ozeans Algenblüten auslösen kann, sofern andere Nährstoffe bereits vorhanden sind.

Mehr Biomasse an der Basis des Nahrungsnetzes bedeutete zugleich mehr Nahrung für höhere Ebenen – und bereitete damit den Boden für die grösseren ökologischen Verschiebungen, die sich in Fossilien abzeichnen.

Von der Oberfläche in die Tiefsee

Mit der Ausdehnung der Algenblüten wurde mehr Kohlenstoff aus den Oberflächengewässern abtransportiert und in die dunklen Wasserschichten darunter verlagert.

Meeresforschende bezeichnen diesen Abwärtsfluss als „biologische Pumpe“ – den Prozess, bei dem oberflächennaher Kohlenstoff in Form lebender und abgestorbener Materie nach unten sinkt.

Gelangen Teile dieses Materials in die Tiefsee oder in den Meeresboden, bleibt weniger Kohlendioxid in der Luft. Eine einzelne Blüte klingt rasch ab, doch wiederkehrende Impulse können die langfristige Speicherung weiter erhöhen – auch lange nachdem sich die Asche abgesetzt hat.

Wale folgen dem Nahrungsangebot

Fossilien mariner Säugetiere zeigen, dass sich das Walvorkommen im gleichen Zeitraum wie die Ascheimpulse schnell wandelte. Die mittlere Länge von Bartenwalen stieg von etwa 4,9 m auf rund 11,9 m, während sich Nahrungsgebiete und Küstenlinien veränderten.

Heutige Bartenwale transportieren pro Jahr mehr als 3.700 Tonnen Stickstoff zwischen Fress- und Fortpflanzungsgebieten.

Grössere Wale in der Vergangenheit dürften das Nährstoffrecycling zusätzlich verstärkt und Kohlenstoff in sinkenden Kadavern gebunden haben – auch wenn die neuen Modelle diese Effekte nicht vollständig abbildeten.

Uralte Eruptionen im Modell nachbauen

Um zu prüfen, ob der zeitliche Gleichlauf mehr als Zufall ist, rekonstruierten die Forschenden Aschewolken und die Reaktion des Ozeans in Simulationen.

Der grösste Teil der modellierten Asche wurde ostwärts über Südamerika in den Südatlantik verfrachtet und gelangte anschliessend weiter in Richtung südlicher Indischer Ozean.

Ein Teil der Asche ging zudem küstennah am Pazifik nieder und versorgte angrenzende Gewässer direkt mit Nährstoffen.

Durch diese ostwärts gerichteten Transportwege wurde der Ozeanring um die Antarktis zum klarsten Zielgebiet für einen wiederholten Düngeeffekt.

Asche löst rasche Abkühlung im Ozean aus

Sobald die simulierte Asche die Oberflächengewässer erreichte, reagierte der modellierte Ozean deutlich – und nahezu unmittelbar.

Das Wachstum der Diatomeen an der Oberfläche verdoppelte sich in den ersten zwei Jahren nach jedem Nährstoffimpuls sogar mehr als.

Über 300 Jahre hinweg trugen vier Eruptionen dazu bei, dass der Ozean mit jedem wiederkehrenden Zyklus etwas mehr Kohlendioxid aus der Atmosphäre entzog.

Kurzlebige Ausbrüche können ihre Klimawirkung damit über die Zeit aufschichten, statt als einzelne Ereignisse wirkungslos zu verpuffen.

Kleine Impulse, dauerhafte Wirkung

Längere Modelläufe zeigten, dass der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen den langfristigen CO₂-Verlust aus der Luft fast ebenso stark prägt wie die Grösse der Eruption.

Ein einmaliger Nährstoffstoss senkte das Kohlendioxid nur vorübergehend, bevor der Ozean schrittweise in seinen vorherigen Zustand zurückfand.

Wiederholten sich diese Impulse jedoch, fiel der Rückgang stärker aus und hielt wesentlich länger an – besonders dann, wenn Staub und Asche gemeinsam zunahmen.

Damit können wiederkehrende Nährstoffpulse für das Klima auf lange Sicht bedeutender sein als ein einzelner grosser Ausbruch.

Zusammenspiel mehrerer Kräfte kühlt die Erde

Fachleute bezeichnen dieses Zeitfenster als spätes Miozän, also die geologische Phase von etwa 11,6 bis 5,3 Millionen Jahren vor heute.

„Identifying the mechanisms that drove this transition is critical, particularly for understanding how Earth systems may respond to ongoing and future climate change,“ sagte Clementz.

Zunehmende Vereisung, veränderte Winde und neu organisierte Strömungen wirkten ebenfalls, sodass Asche vermutlich mit anderen Faktoren zusammenarbeitete – statt allein die Abkühlung zu verursachen.

Die Studie argumentiert entsprechend, dass Vulkanasche ein unterschätzter Beitrag war, jedoch nicht die einzige treibende Kraft hinter der globalen Abkühlung.

Lehren aus einem alten Klima

Die Untersuchung liefert keine Lösung für die heutige Erwärmung, weil der aktuelle Kohlendioxidanstieg in deutlich höherem Tempo erfolgt.

„By identifying links between volcanism, ocean productivity and carbon dioxide drawdown, it provides insight into mechanisms that can influence global climate over long time scales,“ sagte Clementz.

Klima verändert sich nicht nur über die Atmosphäre: Auch Wasser, Nahrungsnetze und Sedimente bestimmen, wie schnell und wie weit Systeme reagieren.

Zusammengenommen wirken Ascheeintrag, Algenblüten, der Wandel bei Walen und fallendes Kohlendioxid daher weniger wie Einzelereignisse, sondern eher wie ein zusammenhängendes Kapitel.

Diese breitere Perspektive kann Entscheidungen zu Klimaresilienz, natürlichen Ressourcen und den Risiken schnellen Wandels schärfen. Präzisere Daten zu Eruptionsstärke, Aschechemie und früher Ozeanzirkulation sollten zudem klären, wie viel Abkühlung diese Kette tatsächlich bewirkt hat.