Rossby-Wellen steuern Schübe von marinem Isopren über dem Ozean

Forschende wissen seit Langem, dass der offene Ozean marines Isopren freisetzt – ein Gas, das zur Wolkenbildung in der Atmosphäre beiträgt. Sie beschrieben die chemischen Abläufe, untersuchten Plankton und identifizierten sonnige Meeresgebiete mit besonders hoher Produktion. Daher lag die Annahme nahe, dass vor allem Bedingungen an der Wasseroberfläche den Prozess steuern.

Eine neue Studie untersuchte jedoch über zwei Jahrzehnte und in drei Ozeanregionen, wann diese Emissionsschübe auftreten. Der dabei gefundene Auslöser hatte nichts mit den unmittelbaren Vorgängen an der Meeresoberfläche zu tun.

Marines Isopren trägt zur Wolkenbildung bei

Marines Isopren ist ein Gas, das winzige Meeresorganismen produzieren und das zudem durch sonnengetriebene chemische Reaktionen im obersten Film des Ozeans entsteht. Wälder geben wesentlich größere Mengen ab, doch die marine Variante gelangt auch in Regionen, die weit von jedem Wald entfernt liegen.

In der Luft reagiert das Gas mit anderen chemischen Stoffen und bildet kleinste Tröpfchen, sogenannte organische Aerosole. Diese Partikel dienen als Kondensationskeime für Wolken: Sie unterstützen dabei, dass Wasserdampf zu Tröpfchen kondensiert, aus denen sich Wolken über dem offenen Meer bilden. Helle Wolken werfen mehr Sonnenlicht zurück, während dunklere Wolken einen größeren Anteil hindurchlassen.

Die Bildung erfolgt in der Meeresoberflächen-Mikroschicht, dem allerobersten dünnen Film des Ozeans. Dort zerlegt Sonnenlicht organische Verbindungen, wobei Isopren als Nebenprodukt entsteht.

Eine Arbeit aus dem Jahr 2018 klärte diesen grundlegenden Ablauf. Unklar blieb jedoch, weshalb an manchen Tagen außergewöhnlich starke Emissionsspitzen auftreten, während die Werte an anderen Tagen kaum messbar sind.

Zwanzig Jahre mit Schüben von marinem Isopren

Um diese Frage zu klären, stellte ein von Dr. Jialei Zhu von der Universität Tianjin geleitetes Team den bislang detailliertesten Datensatz zu marinem Isopren zusammen. Er umfasst tägliche Schätzungen der Emissionen im gesamten offenen Ozean von 2001 bis 2020.

Die Forschenden verglichen diese Daten mit vier Forschungsexpeditionen, bei denen das Gas direkt von Schiffen aus gemessen worden war. Dabei traten mehr als 300 einzelne Ereignisse hervor, bei denen die Emissionen deutlich über das Hintergrundniveau stiegen.

Die meisten dieser Ereignisse konzentrierten sich im zentralen Indischen Ozean; weitere Schwerpunkte lagen im tropischen Nordpazifik und im Nordatlantik. Eine Frequenzanalyse der täglichen Werte zeigte ein eindeutiges Muster.

Die Spitzen schwankten in einem Rhythmus von etwa fünf bis 20 Tagen. Das war zu schnell für saisonale Zyklen und zu langsam für gewöhnliche Wetterwechsel. Offenbar koordinierte ein Prozess mit einem mehrtägigen bis wöchentlichen Takt diese Ausschläge.

Verzögerte Wirkung des Sonnenlichts

Das deutlichste Ergebnis ergab sich aus der Betrachtung der Tage vor jeder starken Emission. Wenn große Mengen Isopren in die Atmosphäre entwichen, lag das Maximum der Sonneneinstrahlung bereits drei bis vier Tage zurück.

Diese Verzögerung war früheren Untersuchungen verborgen geblieben. Feldmessungen an einzelnen Tagen während Forschungsexpeditionen hatten keine unmittelbare Verbindung zwischen Sonnenlicht und marinem Isopren gezeigt, weshalb die Bedeutung der Sonneneinstrahlung umstritten blieb.

Eine Studie aus dem Jahr 2024 hatte über dem Südlichen Ozean höhere Emissionen als erwartet festgestellt, ohne den Auslöser bestimmen zu können. Die in der neuen Analyse erkannte Verzögerung schließt diese Lücke.

Isopren wurde demnach nicht in dem Moment freigesetzt, in dem es entstand. Es bildete sich bei starkem Sonnenlicht, blieb mehrere Tage in der Mikroschicht gespeichert und wurde erst später durch einen Vorgang weit über der Oberfläche freigesetzt.

Rossby-Wellen in der Atmosphäre

Atmosphärische Energie bewegt sich in langen Bändern um den Planeten, die Rossby-Wellen genannt werden. Dabei handelt es sich um riesige Druckmuster in der oberen Atmosphäre, die durch die Erdrotation entstehen. Während sie wandern, beeinflussen sie die Bedingungen an der Oberfläche weit unter ihnen.

Das Team untersuchte, wie sich die Energie dieser Wellen durch die Atmosphäre verlagert. Einige Tage vor jedem großen Emissionsereignis zog ein Wellenzug ostwärts, während sich über dem Indischen Ozean ein Hochdrucksystem verstärkte.

Drei bis vier Tage später führte diese Entwicklung zu einer abgestimmten Veränderung an der Meeresoberfläche. Die Winde nahmen zu, die Temperaturen sanken, und das gespeicherte Isopren wurde in großer Menge freigesetzt – vermutlich weil der Oberflächenfilm aufbrach.

Allein durch lokales Wetter ließ sich dieses Muster nicht erklären. Der Auslöser lag in der globalen atmosphärischen Zirkulation und nicht in den Wellen auf der Wasseroberfläche.

Forschungsschiffe verfolgen marines Isopren

Um den Mechanismus anhand realer Beobachtungen zu überprüfen, wertete das Team die Daten der Forschungsexpeditionen aus. Im Dezember 2009 nahm das Forschungsschiff Hakuho-maru sechs Tage lang im zentralen Indischen Ozean Meerwasserproben.

Die Isoprenwerte im Oberflächenwasser blieben zunächst bei etwa 35 Pikomol pro Liter stabil und fielen dann am 8. Dezember abrupt ab. Am selben Tag erreichte die berechnete Emissionsrate ihren Höchstwert, gleichzeitig mit stärkeren Winden an der Oberfläche.

Zwei Expeditionen im Indischen Ozean und eine weitere im Atlantik bestätigten diese Abfolge. Zunächst erreichte die Sonneneinstrahlung ihren Höchststand. Die Meerestemperaturen stiegen, die Winde ließen nach, und die oberste Ozeanschicht wurde dünner.

Nach drei bis vier Tagen kehrte sich das Bild um: Das Isopren in der Luft stieg sprunghaft an, während die Konzentrationen im Wasser sanken. Jedes Mal zeigte sich dieselbe Verzögerung. Der Mechanismus bestand in sehr unterschiedlichen Ozeanbecken und Jahreszeiten.

Was Klimamodelle übersehen

Unvorhersehbare Schwankungen der globalen atmosphärischen Zirkulation, darunter die in dieser Studie untersuchten Wellenmuster, gehören zu den größten Unsicherheitsquellen langfristiger Klimaprognosen. Das neue Ergebnis betrifft genau dieses Problem.

Seit Jahrzehnten stützen sich Schätzungen mariner Emissionen auf saisonale oder jährliche Mittelwerte. Die neue Arbeit zeigt, dass solche Durchschnittswerte gerade jene Dynamik glätten, die bestimmt, wann Isopren aus dem Ozean entweicht.

Damit verändert sich die Diskussion über marine Aerosole und Wolken. Forschende können nun prüfen, wie die Aktivität von Rossby-Wellen die Wolkenbildung über abgelegenen Ozeanen beeinflusst und wie ein sich erwärmendes Klima dieses System verändern könnte.

Seit den 1980er Jahren haben sich die Windmuster über dem Südlichen Ozean, dem westlichen Nordatlantik und dem tropischen östlichen Pazifik verstärkt.

Ob marines Isopren diesen Veränderungen folgt und ob die betreffenden Wolken heller oder dunkler werden, bleibt eine Frage, der das Forschungsfeld nachgehen kann.