Wissenschaftliches Profil
Die Erde im Fokus – Wir erforschen die globalen Stoffkreisläufe und ihr Zusammenspiel mit dem Klima.
Unsere Forschung untersucht globale biogeochemische Kreisläufe und deren langfristige Wechselwirkungen mit der Bio- , Atmo- und Geosphäre sowie dem gesamten Klimasystem. Wir möchten besser verstehen, wie lebende Organismen - einschließlich des Menschen - grundlegende Ressourcen wie Wasser, Kohlenstoff, Stickstoff und Energie mit ihrer Umwelt austauschen und wie sich dies auf das globale Klima und die Ökosysteme auswirkt.
Die Biogeochemie
Die Biogeochemie ist die Wissenschaft vom Stoffwechsel der Erde. Lebensnotwendige Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Phosphor unterliegen ständigen biologischen, chemischen und physikalischen Umwandlungen, während sie zwischen der Lithosphäre, Hydrosphäre, Biosphäre und Atmosphäre der Erde ausgetauscht werden. Die "biogeochemischen Kreisläufe" beschreiben den Austausch dieser Elemente zwischen den Komponenten des Erdsystems quantitativ.
Die Biogeochemischen Kreisläufe
Die biogeochemischen Kreisläufe stehen in komplexer Wechselwirkung mit dem Klima der Erde. Sie steuern die Schwankungen der atmosphärischen Konzentrationen von Treibhausgasen wie Kohlendioxid (CO2), Wasserdampf (H2O), Methan (CH4) und Distickstoffoxid (N2O). Diese beeinflussen wiederum die Strahlungsbilanz der Atmosphäre. Auch großflächige Veränderungen der Landoberflächenvegetation beeinflussen auch das physikalische Klima, da sie die Energiebilanz der Oberfläche verändern.
Der Kohlenstoffkreislauf
Kohlenstoff kann beispielsweise in Form der Gase Kohlendioxid und Methan in der Atmosphäre, als organische Moleküle in Organismen, Böden und Sedimenten oder in gelöster Formin anorganischen und organischen Verbindungen in Oberflächengewässern und Ozeanen vorkommen. Zu den Prozessen, bei denen Kohlenstoff zwischen organischen und gasförmigen Formen ausgetauscht wird, gehören Photosynthese, Atmung und Zersetzung. Lösliche anorganische Formen können dagegen mit festen Carbonat-Mineralien ausgetauscht. Die meisten dieser Prozesse, bei denen Kohlenstoff von einer Form in eine andere umgewandelt wird, werden von lebenden Organismen vermittelt, und ihre Geschwindigkeit hängt von den Umweltbedingungen ab.
Unsere Schwerpunkte
Das Max-Planck-Institut für Biogeochemie hat sich zum Ziel gesetzt, die Rolle der Landökosysteme in den globalen biogeochemischen Kreisläufen besser zu verstehen.
Wir konzentrieren uns auf den Boden, weil die Menschen dort leben und den größten Teil ihrer Ressourcen daraus beziehen und er zu den größten Unsicherheiten in den globalen Budgets einiger der wichtigsten Lebenselemente gehört: Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Wasser.
Der steigende Bedarf der Menschen an Energie, Wasser und Nahrungsmitteln hat zu Aktivitäten geführt, die die globalen biogeochemischen Kreisläufe grundlegend verändert haben. Dadurch ist es zu einem raschen Anstieg der Treibhausgase in der Atmosphäre und zu einer Veränderung des Erdklimas gekommen. Eine intensivierte Landnutzung beeinflusst die Vielfalt und geografische Verteilung von Lebewesen auf der Erde. Die Auswirkungen dieser Veränderungen auf den künftigen Zustand des Erdsystems zu verstehen, ist eine große wissenschaftliche Herausforderung. Angesichts des künftigen Ressourcenbedarfs der Ökosysteme zur Aufrechterhaltung der wachsenden Bevölkerung und des Lebensstandards der Menschen ist dies jedoch dringend erforderlich.
Die Prozesse, die die Wechselwirkungen zwischen Klima, Landoberfläche und Biogeochemie steuern, erstrecken sich über viele Größenordnungen im räumlichen Maßstab – von der Aktivität von Molekülen bis hin zu Veränderungen der Vegetation, die vom Weltraum aus sichtbar sind. Um all diese komplexen Wechselwirkungen zu erfassen und große Maßstabssprünge bewältigen zu können, sind wir auf konzeptionelle und computergestützte Modelle sowie maschinelles Lernen für die Datenanalyse angewiesen.
Für unsere Forschung führen wir Laborexperimente und Freilandstudien durch, von denen viele auf lange Zeiträume angelegt sind. Wir betreiben Messeinrichtungen in Ökosystemen, die sich auf Türmen unterschiedlicher Höhe bis zu 325 Metern befinden, führen Flugzeugmessungen durch, nutzen Satellitendaten und untersuchen Luft-, Wasser- und Bodenproben unter Verwendung von Biomarkern, stabilen Isotopen und Radiokarbon.
