Vulkanasche als Nährstofflieferant: Wie der Ausbruch des Hunga Tonga Ökosysteme im Südpazifik beeinflusste

06.11.2024/Kiel. Der Ausbruch des Unterwasservulkans Hunga Tonga im Januar 2022 hat riesige Mengen vulkanischen Materials freigesetzt. Wie dies die biogeochemische Zusammensetzung des Oberflächenwassers im Südpazifik veränderte, haben Forschende des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel untersucht. Im Rahmen einer Expedition konnten sie nachweisen, dass mit dem vulkanischen Material große Mengen an Spurenelementen ins Meer gelangten, die das Wachstum von Phytoplankton verstärkten. Dieser Nährstoffeintrag könnte das Leben im Meer nachhaltig beeinflussen und die CO₂-Bindung im Ozean erhöhen. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Der Ausbruch des untermeerischen Vulkans Hunga Tonga-Hunga Ha’apai (HTHH) im Januar 2022 hat rund 2,9 Milliarden Tonnen vulkanisches Material in die Atmosphäre und in den Südpazifik freigesetzt. Kurz nach dem Ausbruch untersuchte eine wissenschaftliche Expedition die Auswirkungen dieses gewaltigen Ereignisses auf die Biogeochemie des Oberflächenwassers. Die Wissenschaftler:innen konzentrierten sich dabei besonders auf die Veränderungen in der Konzentration von Spurenelementen im Ozean und deren Einfluss auf das marine Leben. Ihre Ergebnisse haben die Forschenden in einer Studie zusammengefasst, die jetzt in der Fachzeitschrift Nature Communications erschienen ist.

Per Computer und per Schiff: Nachweis des vulkanischen Einflusses auf den Südpazifik

Zur Analyse der Auswirkungen des Ausbruchs setzten die Wissenschaftler:innen auf eine Kombination aus moderner Computersimulation und spezialisierter Probenanalyse. Um die Ausbreitung der Vulkanasche nach dem Ausbruch zu simulieren, nutzten sie das Computermodell HYSPLIT der NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), einer US-amerikanischen Bundesbehörde. Das Modell simuliert den Transport von Stoffen in der Atmosphäre. Damit konnte die Ausbreitung der Vulkanasche in verschiedenen Höhen für 72 Stunden und die Flugbahnen der Asche für bis zu 315 Stunden berechnet werden.

Während der SONNE-Expedition SO289 im Rahmen des internationalen GEOTRACES-Programms von Februar bis April 2022 sammelten die Forschenden Wasserproben entlang einer festgelegten Route im Südpazifik, um die Verteilung von Spurenelementen und ihre biogeochemischen Auswirkungen zu analysieren. Große Mengen schwimmenden vulkanischen Materials, hauptsächlich Bimsstein, wurden während der Expedition beobachtet und beprobt. Außerdem kamen Meerwasseranalysen von Neodym-Isotopen und Seltenen Erden zur Nachverfolgung des vulkanischen Eintrags und von Chlorophyll-a als Indikator für Phytoplankton zum Einsatz.

Phytoplankton profitiert von Spurenelementen aus dem vulkanischen Material

Im westlichen Südpazifik fanden die Forschenden erhebliche Mengen an Spurenelementen wie Eisen und Neodym, die normalerweise nur in geringen Mengen als Staubeintrag in den Ozean gelangen. Durch den Vulkanausbruch wurden beispielsweise rund 32.000 Tonnen Eisen und 160 Tonnen Neodym zusätzlich freigesetzt. Die Menge an Eisen entspricht dem Eintrag, den die Region normalerweise in einem Jahr erhält, während die Neodym-Menge dem weltweiten Eintrag eines gesamten Jahres entspricht.

„Gleichzeitig haben wir in der Region erhöhte Werte von Chlorophyll-a gemessen, was auf ein verstärktes Wachstum des Phytoplanktons und damit auf eine höhere biologische Produktivität hinweist“, sagt Dr. Zhouling Zhang, wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Forschungseinheit Paläo-Ozeanographie und Erstautorin der Studie.

Langfristige Auswirkungen auf das Klima

Damit konnte das Team zeigen, dass durch Vulkanausbrüche freigesetzte Spurenelemente eine wichtige Rolle für das Leben im Meer spielen. Diese Elemente, insbesondere der Mikronährstoff Eisen, wirken im Ozean als Nährstoffe, die das Wachstum von Phytoplankton anregen. Phytoplankton spielt eine wesentliche Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf, da es durch die Photosynthese CO₂ aus der Atmosphäre aufnimmt und im Ozean speichert. Durch die Erhöhung der biologischen Produktivität wird somit möglicherweise auch die Fähigkeit des Ozeans, CO₂ aus der Atmosphäre aufzunehmen verbessert – ein Prozess, der sich langfristig auf das Klima auswirken könnte.

Die Forschenden schätzen, dass die Freisetzung des Mikronährstoffs Eisen durch den HTHH-Ausbruch vergleichbar ist mit der Eisendüngung durch den Ausbruch des Pinatubo auf den Philippinen im Juni 1991. Damals wurden rund 40.000 Tonnen vulkanischen Materials freigesetzt, und etwa zwei Jahre nach dem Ausbruch konnte eine Verlangsamung des CO₂-Anstiegs in der Atmosphäre um 1,5 ppm (parts per million) gemessen werden. Zhouling Zhang: „Wir gehen davon aus, dass auch der Ausbruch des Hunga Tonga einen ähnlichen Effekt haben könnte.“

Originalpublikation:
Zhang, Z., Xu, A., Hathorne, E. et al. (2024): Substantial trace metal input from the 2022 Hunga Tonga-Hunga Ha’apai eruption into the South Pacific. Nat Commun 15, 8986.
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52904-3

Weitere Informationen:
http://www.geomar.de/n9663 Bildmaterial zum Download
https://www.geomar.de/forschen/fb1/fb1-p-oz/schwerpunkte Forschungseinheit Paläo-Ozeanographie
https://www.geomar.de/forschen/expeditionen/detailansicht/exp/360913?cHash=3a49a5ef78d6329c30b0c677deac6d0d GEOTRACES-Expedition SO289
https://www.geomar.de/news/article/spurenelementen-auf-der-spur Pressemitteilung zum Start der Expedition SO289
https://www.geotraces.org/ Forschungsprogramm GEOTRACES