Außenansicht des Instituts (© M. Hielscher/MPI-BGC)

Wissenschaftliches Profil

Die Erde im Fokus – Wir erforschen die globalen Stoffkreisläufe und ihr Zusammenspiel mit dem Klima. 

Unsere Forschung widmet sich der Untersuchung globaler biogeochemischer Kreisläufe und ihrer langfristigen Wechselwirkungen mit der Biosphäre, der Atmosphäre, der Geosphäre und 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 sind ständig biologischen, chemischen und physikalischen Umwandlungen unterworfen, während sie zwischen der Lithosphäre, Hydrosphäre, Biosphäre und Atmosphäre der Erde ausgetauscht werden. Die "Biogeochemischen Kreisläufe" beschreiben quantitativ die Verteilung und den Austausch von Elementen zwischen diesen Komponenten des Erdsystems.  

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), die ihrerseits die Strahlungsbilanz der Atmosphäre beeinflussen. Großflächige Veränderungen der Landoberflächenvegetation beeinflussen auch das physikalische Klima durch ihren Einfluss auf die Energiebilanz der Oberfläche. 

Der Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoff kann zum Beispiel in Form der Gase Kohlendioxid und Methan in der Atmosphäre, als organische Moleküle in Organismen, Böden und Sedimenten sowie in gelösten anorganischen und organischen Formen in Oberflächengewässern und Ozeanen vorkommen. Zu den Prozessen, bei denen Kohlenstoff zwischen organischen und gasförmigen Formen ausgetauscht wird, gehören Photosynthese, Atmung und Zersetzung, während lösliche anorganische Formen mit festen Carbonat-Mineralien ausgetauscht werden können. Die meisten Prozesse, bei denen Kohlenstoff von einer Form in eine andere umgewandelt wird, werden von lebenden Organismen vermittelt, und die 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 dort die Menschen leben und den größten Teil ihrer Ressourcen beziehen und weil der Boden zu den größten Unsicherheiten in den globalen Budgets einiger der wichtigsten Elemente für das Leben gehört: Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Wasser.

Aktivitäten, die mit dem steigenden Bedarf des Menschen an Energie, Wasser und Nahrungsmitteln einhergehen, haben die globalen biogeochemischen Kreisläufe grundlegend verändert und einen raschen Anstieg der Treibhausgase in der Atmosphäre und damit die Veränderung des Erdklimas verursacht. Eine intensivierte Landnutzung beeinflusst die Vielfalt und die geografische Verteilung der Lebewesen auf der Erde. Die Auswirkungen dieser Veränderungen auf den künftigen Zustand des Erdsystems zu verstehen, ist eine große wissenschaftliche Herausforderung, die angesichts des künftigen Ressourcenbedarfs der Ökosysteme zur Aufrechterhaltung der wachsenden Bevölkerung und des Lebensstandards der Menschen dringend erforderlich ist.

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 zu vom Weltraum aus sichtbaren Veränderungen der Vegetation. Um all die komplexen Wechselwirkungen in den Griff zu bekommen und große Maßstabssprünge machen zu können, sind wir auf konzeptionelle und computergestützte Modelle angewiesen und nutzen maschinelles Lernen für die Datenanalyse.

Für unsere Forschung führen wir Laborexperimente und Freilandstudien durch, viele davon sind auf lange Zeiträume angelegt. Wir betreiben Messeinrichtungen in Ökosystemen an Türmen unterschiedlicher Höhe bis zu 325 Metern, machen Flugzeugmessungen, nutzen Satellitendaten und untersuchen Luft, Wasser- und Bodenproben unter Verwendung von Biomarkern, stabilen Isotopen und Radiokarbon.

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