Die dünne Haut des Ozeans

Kieler Chemiker untersuchen in neuer DFG-Forschungsgruppe BASS die Mikroschicht zwischen Ozean und 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.

Neues Verständnis der Oberflächen-Mikroschicht an der Grenze Ozean-Atmosphäre

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. Dieser sogenannte Microlayer kontrolliert beispielsweise den Austausch von Gasen und kann mit einem einzigartigen 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.“

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 es 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-Wellenkanal der Universität Hamburg, insbesondere auch molekülspezifische Experimente im Labormaßstab und Computersimulationen durchzuführen.

Impuls für integrativen Ansatz kam aus Forschungsverbund Future Ocean

Die Forschungsgruppe BASS setzt zukünftig einen aus Kieler Perspektive bereits 2017 angestoßenen Ansatz für die integrative, interdisziplinäre Erforschung der organischen Mikroschicht um. Forschende veröffentlichten in der Fachzeitschrift Frontiers in Marine Science einen viel beachteten Beitrag zur lebenswichtigen Haut des Ozeans und warben für den 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.

Untersuchungen geplant bis in die kleinste molekulare Skala chemischer Grenzflächenreaktionen

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 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.

Nahaufnahme Grün leuchtende Petrischale, darauf eine Visualisierung einer Mikroschicht
© Friedrichs/Frommann, Uni Kiel

Fotocollage: Laserspektroskopische Untersuchung von organischen Monoschichten an der Wasser-Luft-Grenzfläche.

Originalpublikation

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

Das Logo der DFG Forschungsgruppe BASS - „Biogeochemical processes and Air–sea exchange in the Sea-Surface microlayer.

Das Logo der DFG Forschungsgruppe BASS - „Biogeochemical processes and Air–sea exchange in the Sea-Surface microlayer.

Über Kiel Marine Science (KMS)

Kiel Marine Science (KMS), das Zentrum für interdisziplinäre Meereswissenschaften an der CAU widmet sich der interdisziplinären Erforschung der Meere an der Schnittstelle von Mensch und Ozean. Dabei bündeln die Forschenden ihre Expertise aus unterschiedlichen natur- und gesellschaftswissenschaftlichen Disziplinen und untersuchen die Risiken und Chancen, die das Meer für den Menschen bereithält und bilden die nächste Generation fachübergreifend aus. Gemeinsam mit Akteuren außerhalb der Wissenschaft arbeiten sie weltweit und transdisziplinär an Lösungen für eine nachhaltige Nutzung und den Schutz des Ozeans.

Zu Kiel Marine Science

Pressekontakt:
Friederike Balzereit
Wissenschaftskommunikation | Öffentlichkeitsarbeit | Kiel Marine Sciences (KMS) | Future Ocean Netzwerk

Über den CAU-Forschungsschwerpunkt KiNSIS:

Im Nanokosmos herrschen andere, quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Strukturen und Prozesse in diesen Dimensionen zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsnah umzusetzen, ist das Ziel des Forschungsschwerpunkts »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). In einer intensiven interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences könnten daraus neuartige Sensoren und Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche medizinische Therapien und vieles mehr entstehen. www.kinsis.uni-kiel.de

Pressekontakt:
Julia Siekmann
Referentin für Wissenschaftskommunikation, Forschungsschwerpunkt Kiel Nano Surface and Interface Sciences (KiNSIS)