Dennis L.
Ein Hurrikan kann in wenigen Stunden den Austausch von Kohlendioxid über der Meeresoberfläche vervielfachen. Hochauflösende Simulationen mit 5 km Raster zeigen, wie Windfelder über 55 m/s Strömungen, Temperatur und Biologie koppeln. Entscheidend ist, was nach dem Sturm passiert, wenn sich die Oberfläche abkühlt und Nährstoffe in die lichtreiche Zone gelangen. Welche Netto-Bilanz daraus entsteht, hängt von mehreren Prozessen ab, die bisher kaum direkt gemessen werden.
Ein Hurrikan ist mehr als ein extremes Wetterereignis an Land. Über dem Ozean wirkt sein Windfeld wie ein kurzfristiger Motor, der Wärme, Salz und gelöste Gase in Bewegung setzt. Die stärksten Böen vergrößern die Austauschfläche zwischen Wasser und Luft durch Wellen, Gischt und Blasen, gleichzeitig wird die obere Wasserschicht kräftig durchmischt. Für den globalen Kohlenstoffkreislauf ist das entscheidend, weil Kohlendioxid im Meerwasser teils physikalisch gelöst, teils chemisch gebunden vorliegt und sein Austausch von Temperatur, Druck und Strömung abhängt. In ruhigen Phasen sind die Flüsse oft klein und von regionalen Gradienten geprägt, während ein Wirbelsturm innerhalb von Stunden neue Bedingungen erzwingt. Wie groß die Störung ausfällt und wie lange sie nachwirkt, lässt sich nur verstehen, wenn Physik der Grenzschicht und biogeochemische Reaktionen gemeinsam betrachtet werden.
Messungen während eines Hurrikan sind selten, weil Schiffe ausweichen, Bojen ausfallen können und Satelliten nur indirekte Größen erfassen. Selbst wenn Oberflächenwind und Wellenhöhe bekannt sind, bleibt unklar, wie schnell sich die Meeresoberfläche abkühlt, welche Wassermassen aus der Tiefe aufsteigen und wie sich Nährstoffe in der lichtdurchfluteten Schicht verteilen. Dazu kommt, dass biologische Prozesse auf Zeitskalen von Tagen bis Wochen reagieren können, etwa wenn Mikroalgen plötzlich zusätzliche Nährstoffe erhalten und ihre Produktion von Biomasse steigern. Für eine belastbare Bilanz müssen daher Flüsse von Kohlendioxid, Änderungen der Temperatur in Kelvin und die Entwicklung der Netto-Primärproduktion im gleichen Rahmen quantifiziert werden. Genau hier setzen hochauflösende Simulationen an, die Wirbelstürme realistisch abbilden und zugleich den Stoffwechsel des Ozeans modellieren. Erst dann wird sichtbar, ob der kurzfristige Schock ein Nettoeffekt bleibt.
Der Austausch von Kohlendioxid über der Meeresoberfläche folgt einem Konzentrationsgefälle zwischen Wasser und Luft, das in der Praxis als Unterschied der Partialdrücke beschrieben wird. Ein Hurrikan erhöht die Übertragungsrate, weil die Reibung an der Oberfläche Turbulenz verstärkt, Wellen brechen lässt und Gasblasen in die obersten Meter einträgt. Diese Blasen können Kohlendioxid direkt aufnehmen oder abgeben, während die Turbulenz die dünne Grenzschicht ausdünnt, die den Transport sonst bremst. Gleichzeitig wird die obere Wasserschicht vertikal gemischt, wodurch Wasser mit anderem Salzgehalt, anderer Temperatur und anderer gelöster anorganischer Kohlenstoffkonzentration an die Oberfläche gelangt. Ob das Meer in der akuten Phase netto ausgast oder aufnimmt, hängt deshalb nicht nur vom Wind ab, sondern auch davon, ob das aufgewirbelte Wasser im Vergleich zur Luft mehr oder weniger Kohlendioxid enthält und wie schnell die Temperatur fällt.
Auf globaler Ebene sind solche Episoden schwer einzuordnen, weil der Ozean riesige Mengen Kohlenstoff speichert und regionale Störungen sich über Strömungen verteilen können. Der größte Anteil des oberflächennah aktiven Kohlenstoffs befindet sich in der Wassersäule und wird im Kohlenstoffkreislauf durch physikalische Pumpen und biologische Umsetzungen ständig umgelagert. Ein Hurrikan wirkt dabei wie ein kurzzeitiger Impuls, der eine Kaskade auslöst, von der Durchmischung über die Änderung der Löslichkeit bis zur Nährstoffzufuhr in die lichtreiche Zone. Für Beobachter ist besonders kritisch, dass viele relevante Größen in extremer See nicht direkt gemessen werden, etwa der lokale Gastransferkoeffizient oder die Feinstruktur der Temperatur in den obersten Zentimetern. Modelle müssen diese Prozesse parametrisieren, und genau dort entscheidet sich, ob eine Bilanz robust ist oder ob kleine Annahmen große Unterschiede erzeugen.
Eine aktuelle Simulation koppelt Atmosphäre, Ozean und Biogeochemie in einem Erdsystemmodell mit einer horizontalen Auflösung von 5 km, sodass tropische Wirbelstürme nicht nur statistisch, sondern als einzelne, strukturierte Systeme entstehen können. Die Veröffentlichung Proceedings of the National Academy of Sciences 2025 beschreibt dafür einen Modelllauf, in dem Stürme der Kategorie 4 mit Spitzenwinden über etwa 55 m/s auftreten und ihre Spur in Wind, Strömung und Stoffflüssen hinterlassen. Im Fokus steht der Nettofluss von Kohlendioxid an der Oberfläche, typischerweise angegeben als Stoffmenge pro Quadratmeter und Tag, sowie die räumliche Entwicklung der Netto-Primärproduktion als Maß für gebildete Biomasse. Durch die feine Gitterung werden auch Ozeanwirbel und Fronten deutlich besser erfasst als in klassischen globalen Modellen mit 100 km bis 200 km Rasterweite. Damit lassen sich Wechselwirkungen untersuchen, bei denen ein Hurrikan nicht nur über seine Zugbahn wirkt, sondern über die Dynamik der Strömungen auch seitlich Energie und Nährstoffe verteilt.
In dem betrachteten Zeitraum treten zwei starke Stürme im Nordatlantik innerhalb von rund einer Woche auf, was die Nachwirkung eines Ereignisses auf das nächste sichtbar macht. Die Seite Max-Planck-Gesellschaft 2025 erläutert dazu, wie Windgeschwindigkeit und Luft-Meer-Fluss in der Simulation gemeinsam ausgewertet werden und wie die biogeochemische Komponente Nährstoffe und Planktonreaktionen abbildet. Entscheidend ist, dass die Analyse nicht bei einem Momentbild stehen bleibt, sondern den Zeitraum vor dem Sturm, die Stunden der stärksten Winde und mehrere Wochen danach gegenüberstellt. So wird getrennt sichtbar, welche Anteile rein physikalisch sind, etwa die Abkühlung der Meeresoberfläche in Kelvin, und welche Anteile biologisch vermittelt sind, etwa Veränderungen chlorophyllnaher Biomasseindikatoren. Die Kombination aus hoher Auflösung und globalem Rahmen erlaubt es zudem, lokale Effekte in die großräumige Zirkulation einzuordnen, ohne den Blick auf die Detailmechanik zu verlieren.
Während der Passage eines Hurrikan steigt der simulierte Austausch rasant an: In der akuten Phase gelangt deutlich mehr Kohlendioxid aus dem Ozean in die Atmosphäre als unter normalen Wetterbedingungen, in der Größenordnung von 20 bis 40 Mal höheren Flüssen. Danach dreht sich das Vorzeichen in vielen betroffenen Gebieten, weil die aufgewühlte Wassersäule die Meeresoberfläche abkühlt und dadurch die Löslichkeit von Kohlendioxid steigt. Dieses Nachziehen kann mehrere Wochen anhalten und führt in der Gesamtsumme dazu, dass der Ozean im Modell nach dem Ereignis mehr Kohlendioxid aufnimmt, als er während der Stunden extremer Winde abgegeben hat. Die räumliche Struktur dieser Aufnahme ist nicht glatt, sondern folgt Wirbeln und Fronten, sodass benachbarte Regionen gleichzeitig unterschiedliche Vorzeichen zeigen können. Solche Muster passen zu dem, was Fernerkundung über Ozeanfarbe als Indikator für Oberflächenprozesse nahelegt, auch wenn die direkte Zuordnung zu Kohlendioxid stets zusätzliche Annahmen benötigt.
Ein zweiter Mechanismus verstärkt den langfristigen Effekt: Durch die Durchmischung gelangen Nährstoffe in die lichtdurchflutete Schicht, was das Wachstum von Phytoplankton ankurbeln kann. In der Simulation vervielfacht sich die Biomassebildung zeitweise, und die Netto-Primärproduktion steigt in Teilen des westlichen Nordatlantiks um etwa eine Größenordnung, bevor sie über Wochen wieder abklingt. Die Blüte bleibt nicht strikt auf der Zugbahn, weil Strömungen die Biomasse seitlich transportieren und Wirbel die Verteilung strukturieren. Mehr organische Substanz bedeutet auch mehr Material, das absinken kann, wodurch der exportierte Kohlenstoff zunimmt und die Kohlenstoffspeicherung in tieferen Wasserschichten begünstigt wird. Wie stark dieser biologische Anteil ausfällt, hängt von Nährstoffvorräten, Licht und Temperatur ab und steht in Beziehung zu Prozessen, die auch in anderen Kontexten über Phytoplankton die Aufnahme von Kohlendioxid beeinflussen.
Trotz der klaren Signale bleibt die Übertragbarkeit auf die reale Welt eine offene Frage, weil zentrale Prozesse während Extremereignissen nur unvollständig beobachtet sind. Schon der Gastransfer hängt empfindlich davon ab, wie stark Brechwellen und Sprühnebel parametrisiert werden, und kleine Änderungen können den Nettofluss verschieben. Auch die biologische Reaktion ist modellabhängig, weil Wachstum, Absterben und Absinken von Biomasse von vielen Ratekonstanten bestimmt werden, die regional stark variieren. Für die Klimaprojektion ist zudem relevant, dass sich die Häufigkeit und Intensität tropischer Wirbelstürme verändern kann, während gleichzeitig die Hintergrundtemperatur des Ozeans steigt und damit die Löslichkeit von Kohlendioxid sinkt. Aus der Kombination ergibt sich kein einfacher Trend, sondern ein Zusammenspiel aus Physik und Biologie, das nur mit weiteren hochauflösenden Läufen und gezielten Messkampagnen plausibel eingegrenzt werden kann.
Proceedings of the National Academy of Sciences, Resolved tropical cyclones trigger CO2 uptake and phytoplankton bloom in an Earth system model simulation; doi:10.1073/pnas.2506103122
