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Abstract:
Around half of the ocean’s uptake of anthropogenic carbon from the
atmosphere currently takes place in the Southern Ocean. However, the
variability of this important carbon sink, as well as the drivers behind this
variability, are still debated and it is unclear if the Southern Ocean will
remain a carbon sink in the future. Until this PhD project, the development
of the Southern Ocean carbon uptake at the air-sea interface was unknown
based on observations beyond 2011. Furthermore, the seasonal to
interannual variability of dissolved inorganic carbon (DIC) in the interior
Southern Ocean had not been analyzed based on observations at regional
scale. This dissertation closes these research gaps.
In the first part of my dissertation (Appendix A), I investigate the
Southern Ocean carbon flux and its drivers until 2016 using an updated
observation-based air-sea carbon flux estimate. After a stagnation period in
the 1990s, and a reinvigoration in the 2000s, I find that the Southern Ocean
carbon uptake weakened again since about 2011. My study reveals that the
Southern Annular Mode, the dominant mode of climate variability in the
southern high latitudes, is not the driver behind this weakening due to
opposing effects that cancel each other out. Instead, regional shifts in
surface wind velocity modulate the recent evolution of the carbon uptake in
the Southern Ocean. In the second part (Appendix B), I develop a monthly
climatology of global mapped interior DIC fields using a neural-network
mapping approach. Using this new data product, I describe the seasonal
carbon dynamics at global scale, including the phase and amplitude of the
surface seasonal cycle, how deep seasonal signals are detectable, and I
estimate the net community production. In the third part (Appendix C), I
increase the temporal resolution of my new data product to resolve monthly
fields from 2004 through 2017. I then re-focus on the Southern Ocean to
investigate the interannual variability of DIC in the water column and
determine the potential drivers behind this variability. Using this second
new data product, I demonstrate that sub-surface DIC is subject to
significant decadal fluctuations. These fluctuations extend to at least 500 m
and could be linked to changes in the Meridional Overturning Circulation.
The methods and the publicly available data products I developed
provide an opportunity for further analysis of the global carbon cycle. The
findings from my PhD project represent an updated estimate of the carbon
uptake and storage in the Southern Ocean and enable an improved
description of the processes and drivers of variability. This knowledge
forms an essential part of our understanding of the global carbon cycle and
can, therefore, contribute to more accurate climate projections, forming an
important basis for political decisions aimed at reducing carbon emissions
Abstract:
Im Südpolarmeer findet derzeit etwa die Hälfte der ozeanischen Aufnahme
von anthropogenem Kohlenstoff aus der Atmosphäre statt. Über die
Variabilität dieser wichtigen Kohlenstoffsenke sowie die Einflussfaktoren
dieser Variabilität wird jedoch debattiert, und es ist unklar, ob das
Südpolarmeer auch in der Zukunft eine Kohlenstoffsenke bleiben wird. Vor
diesem Promotionsprojekt fehlte eine Abschätzung der atmosphärischen
Kohlenstoffaufnahme des Südpolarmeers basierend auf Beobachtungsdaten
die nach 2011 erhoben wurden. Des Weiteren wurde die saisonale und
zwischenjährliche Variabilität des gelösten anorganischen Kohlenstoffs
(DIC) im tiefen Südpolarmeer bisher noch nicht anhand von
Beobachtungsdaten auf regionaler Ebene analysiert. Diese Dissertation
schließt die bestehenden Forschungslücken.
Im ersten Teil meiner Dissertation (Anhang A) untersuche ich die
ozeanische Kohlenstoffaufnahme aus der Atmosphäre und deren
Einflussfaktoren im Südpolarmeer bis 2016 anhand aktualisierter
Beobachtungsdaten, die an der Meeresoberfläche erhoben wurden. Nach
einer Stagnationsphase in den 1990er Jahren und einem Wiedererstarken in
den 2000er Jahren, ermittle ich, dass die Kohlenstoffaufnahme im
Südpolarmeer seit ca. 2011 erneut nachgelassen hat. Meine Studie zeigt,
dass der Southern Annular Mode, der dominante Modus von
Klimaschwankungen in den südlichen hohen Breitengraden, nicht der
Einflussfaktor hinter diesem Abschwächen der Senke ist, da sich
gegensätzliche Effekte aufheben. Stattdessen kontrollieren regionale
Verschiebungen der Oberflächenwindgeschwindigkeit die jüngste
Entwicklung der Kohlenstoffsenke im Südpolarmeer. Im zweiten Teil
(Anhang B) etabliere ich ein Verfahren, das es erlaubt, mithilfe neuronaler
Netzwerke die globale Tiefenverteilung von gelöstem anorganischen
Kohlenstoff als monatliche Klimatologie abzubilden. Mit diesem neu
entwickelten Datenprodukt beschreibe ich die saisonale DIC-Dynamik auf
globaler Ebene. Diese Beschreibung erstreckt sich auf die Phase und
Amplitude des saisonalen Zyklus an der Oberfläche und dessen
Tiefenausdehnung, sowie eine Abschätzung der Nettoproduktion von
organischem Kohlenstoff durch marine Lebensgemeinschaften. Im dritten
Teil (Anhang C) erhöhe ich die zeitliche Auflösung dieses Datenprodukts,
um auch die zwischenjährlichen Veränderungen der monatlichen
DIC-Felder von 2004 bis Ende 2017 aufzulösen. Für die inhaltliche
Interpretation der neu generierten Datensätze lege ich den Schwerpunkt
erneut auf das Südpolarmeer, um hier die zwischenjährliche Variabilität des
gelösten anorganischen Kohlenstoffs in der Wassersäule zu beschreiben und
die möglichen Einflussfaktoren für diese Variabilität zu bestimmen. Anhand
dieses zweiten neuen Datenprodukts zeige ich, dass der gelöste
anorganische Kohlenstoff unterhalb der Meeresoberfläche signifikanten dekadischen Schwankungen unterliegt. Diese Schwankungen erstrecken
sich mindestens über die oberen 500 m der Wassersäule und könnten mit
Änderungen der meridionalen Umwälzzirkulation verbunden sein.
Die von mir entwickelten Methoden und öffentlich zur Verfügung
gestellten Datenprodukte eröffnen diverse Möglichkeiten zur weiteren
Analyse des globalen Kohlenstoffkreislaufs. Die Ergebnisse meines
Promotionsprojekts stellen eine aktualisierte Abschätzung der
Kohlenstoffaufnahme und -speicherung im Südpolarmeer dar und
ermöglichen eine erheblich verbesserte Beschreibung der beteiligten
Prozesse und Einflussfaktoren. Dieses Wissen ist ein wesentlicher
Bestandteil unseres Verständnisses des globalen Kohlenstoffkreislaufs und
kann somit zu genaueren Klimaprojektionen beitragen. Damit bilden die
Befunde auch eine wichtige Grundlage für politische Entscheidungen, die
auf die Reduzierung der Kohlenstoffemissionen abzielen
