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Als Versauerung der Meere wird die Zunahme von Kohlensäure im Meerwasser bezeichnet, die eine der weniger offensichtlichen Folgen der gestiegenen Menge von Kohlendioxid (CO₂) in der Erdatmosphäre ist.^[1][2] Obwohl die Versauerung direkt durch eines der Treibhausgase ausgelöst wird und unabhängig von den Temperaturen ist, wird sie üblicherweise mit zu den Folgen der globalen Erwärmung gezählt.

Nach einer Studie der Stanford University, die einen vorindustriellen pH-Wert des oberflächennahen Meerwassers von durchschnittlich 8,25 annimmt, soll sich der pH-Wert durch diesen Effekt auf den heutigen Wert von durchschnittlich 8,14 verringert haben, also um 0,11 Einheiten.^[3] Die Folgen dieser Versauerung betreffen zunächst Kalkschalen bildende Lebewesen, deren Fähigkeit sich Schutzhüllen zu bilden bei sinkendem pH-Wert zunehmend nachlässt. Weil diese Arten oft die Basis der Nahrungskette in den Ozeanen bilden, können sich daraus weitere schwer wiegende Konsequenzen für die zahlreichen von ihnen abhängigen Meeresbewohner ergeben.

Prozess der Versauerung

Genau genommen werden die Ozeane zwar saurer, aber nicht sauer. Das liegt daran dass ihr pH-Wert (wie unten dargelegt) auch bei sehr hohen menschlichen Emissionen von Kohlendioxid sehr wahrscheinlich basisch, also oberhalb von 7,0 bleiben wird.

Im Ozean findet sich Kohlenstoff vor allem als Hydrogencarbonat- (HCO₃^-) und als Carbonat-Ionen (CO₃^2-). Diese beiden machen 91 % beziehungsweise 8 % des ozeanischen Kohlenstoffs aus. Lediglich 1 % entfallen auf Kohlendioxid.^[2] Die drei Stoffe stehen über folgende Gleichgewichtsreaktion zueinander in Beziehung:

Steigt der Kohlendioxidanteil, dann verschiebt sich dieses Gleichgewicht. Neben dem zusätzlichen Kohlendioxid sind in der Folge weniger Carbonat-Ionen gelöst. Das CO₂ reagiert in einer hier unvollständig wiedergegebenen Reaktionskette teilweise mit dem Wasser zu Kohlensäure (H₂CO₃), eine Reaktion bei der letztlich auch Wasserstoff-Ionen (H⁺) freigesetzt werden:

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...

Zusätzliche Wasserstoff-Ionen bedeuten einen sinkenden pH-Wert, der vereinfacht gesagt als Anteil dieser Ionen definiert ist: Mehr H⁺-Ionen bedeuten saureres Meerwasser und umgekehrt.

Ozeane als Kohlenstoffsenke

Im vorindustriellen Kohlenstoffzyklus nahmen die Ozeane netto keinen Kohlenstoff auf. Die jährliche Abgabe von Kohlenstoff an die Atmosphäre betrug 0,6 Gt, die gleiche Menge wurde aus Flüssen etc. wieder eingetragen. Seit 1800 haben die Ozeane zwischen 27 und 34 % der anthropogenen CO₂-Emissionen oder 118 ± 19 Milliarden Tonnen (Gt) Kohlenstoff (C) aufgenommen.^[4] Damit haben sich sie sich zu einer bedeutenden CO₂-Senke entwickelt, die sie zuvor so nicht gewesen waren.

Im Jahr 2000 gelangten weltweit 32 Gt von Menschen zusätzlich produziertes CO₂ oder über 8,5 Gt Kohlenstoff in die Atmosphäre.^[5] Insgesamt nahm die Hydrosphäre ungefähr 92 Gt atmosphärischen Kohlenstoffs pro Jahr auf. Etwa 90 Gt davon werden von den Weltmeeren wieder abgegeben, und 2 ± 1 Gt speichern sie^[2] (insgesamt beherbergen die Meere gegenwärtig etwa 38.000 Gt oder 0,05% des weltweit vorhandenen Kohlenstoffs). Der durchschnittliche pH-Wert an der Meeresoberfläche ist deshalb von vermuteten 8,25 in der Zeit um 1700 auf heute 8,14 gesunken.^[3] Das anthropogene CO₂-Signal ist dabei bis in eine Wassertiefe von durchschnittlich 1.000 m nachweisbar und reicht stellenweise bis in eine Tiefe von 3.000 m.^[2]

Die Versauerung lässt sich ausschließlich auf CO₂ zurückführen, nicht wie die globale Erwärmung insgesamt auch auf Emissionen anderer Treibhausgase wie Methan oder Lachgas. Besonders die außergewöhnlich schnelle Anreicherung des CO₂ in der Atmosphäre durch anthropogene Emissionen sorgt dafür, dass sich das Ozeanwasser nicht wie bei früherem, natürlichem Klimawandel langsam mit der gebildeten Kohlensäure durchmischen kann. Es dauert sehr lange, bis diese auch in die tiefsten Wasserschichten vorgedrungen und gleichmäßig verteilt ist.

Folgen der Versauerung

Die Lösung von Kohlendioxid bremst zwar die Erderwärmung, die daraus folgende langsame Versauerung der Ozeane kann aber schwerwiegende Folgen unter anderem für Tiere mit einem Schutzmantel aus Calciumcarbonat (CaCO₃) oder schlicht Kalk nach sich ziehen.^[6] Wie oben beschrieben, verschiebt sich das chemische Gleichgewicht der Ozeane zu Lasten der Carbonat-Ionen. Deren Verbindung mit Calcium im Meerwasser zu Calciumcarbonat ist jedoch von vitaler Bedeutung für Kalkschalen bildende Meereslebewesen. Wenn die Ozeane saurer werden, löst sich ihre schützende Hülle auf. Gleichzeitig wird die Neubildung der Schale verhindert. Die Versauerung betrifft daher wahrscheinlich besonders Korallen, bei denen wiederum diejenigen der Tropen und Subtropen zu den an meisten gefährdeten zu zählen sind, sowie Kleinstlebewesen wie winzige Meeresschnecken und Zooplankton, die am Anfang der Nahrungskette stehen.

Korallen produzieren mit Aragonit die neben Kalzit am häufigsten vorkommenden Kalkform im Meer. Aragonit ist eine besonders leicht durch Kohlensäure lösbare Form von Kalk, was das Risiko für die Korallen durch saurer werdenden Ozane erhöht. Bei einem Experiment an der israelischen Bar-Ilan University wurden Korallen künstlich angesäuertem Wasser mit einem pH-Wert von 7,3 bis 7,6 ausgesetzt. (Dies sind Werte, die von einigen Wissenschaftlern als in wenigen Jahrhunderten wahrscheinlich angesehen werden, was allerdings eine mindestens ca. fünffache CO₂-Menge in der Atmosphäre voraussetzen würde.^[7]) Nach einem Monat in dem "saureren" Wasser begannen sich die Kalkschalen von den Korallen abzulösen, und in der Folge verschwanden sie vollständig. Überraschend für die Forscher war, dass die Polypen der Korallen überlebten. Als nach 12 Monaten der pH-Wert wieder auf 8,0 - 8,3 angehoben wurde, begannen die Polypen erneut mit der Kalkbildung. Dieses Ergebnis könnte erklären, warum die Korallen trotz früherer Epochen mit einem für sie ungünstigeren pH-Wert des Meerwassers überleben konnten. Trotz dieses Befundes sprechen die Forscher lediglich von einem möglichen „Refugium" der Korallen und betonen die schwerwiegenden Folgen der Dekalzifizierung auf die betroffenen Ökosysteme.^[8]

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Plankton, hier der Antarktische Krill, ist eine der wichtigsten Nahrungsquellen für größere Wale. Seine Fähigkeit zur Bildung einer Kalkhülle wird von der Ozeanversauerung bedroht.

Die ozeanische Nahrungskette basiert auf Plankton. Zahlreiche größere Meereslebewesen ernähren sich von Zooplankton, darunter Wale wie Blauwal und Finnwal, sowie die meisten Fische wie beispielsweise Atlantischer Hering oder Sardine. Wenn die Planktontiere ihre Kalkschalen nicht mehr bilden könnten, wäre damit die gesamte weitere Nahrungskette der Ozeane bedroht. Ähnlich wie Korallen oder andere Meeresbewohner, ist Zooplankton wie Krill bereits unter ehrheblichen Stress durch Umweltverschmutzung gekommen. Hinzu kommt der sinkende ozeanische pH-Wert. Eine 2004 erschienene Studie des Leibniz-Institut für Meereswissenschaften weist auf die zahlreichen komplexen Effekte hin, die ein niedrigerer pH-Wert auf Plankton haben kann, darunter auf die schlechtere Ausgangslage für kalkbildende tierische Organismen verglichen mit Phytoplankton (Schwebalgen). Zugleich wird der unsichere Forschungsstand betont, der momentan keine weitreichenden Vorhersagen über die Entwicklung ganzer Ökosysteme zulässt.^[9] Die Zwischenstaatliche Sachverständigengruppe über Klimaänderungen (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) gibt 2007 im Vierten Sachstandsberich eine „mittlere Sicherheit" für negative Konsequenzen aus den saurer werdenden Weltmeeren für Kalkschalen bildende Organismen und von ihnen abhängige Spezies an.^[10]

Auch andere Meeresbewohner werden durch die Versauerung beeinträchtigt. In einer an der Kyoto University durchgeführten Untersuchung wuchsen Seeigel in künstlich angesäuertem Wasser deutlich langsamer, im Vergleich zu einer unter normalen Bedingungen gehaltenen Kontrollgruppe, oder verloren an Gewicht. Sie waren weniger fruchtbar, und ihre Embryonen nahmen deutlich langsamer an Größe und Gewicht zu.^[11]

Zukünftige Entwicklung

Bei einer Verdoppelung der atmosphärischen CO₂-Konzentration im Vergleich zum vorindustriellen Level von 280 ppm (parts per million, Teile pro Million) wird mit einer weiteren Absenkung des pH-Wertes auf 7,91 gerechnet, bei einer Verdreifachung auf 7,76.^[12] Bis zum Ende des 21. Jahrhunderts wird damit ein so niedriger pH-Wert in den Ozeanen erwartet, wie er seit wenigstens 650.000 Jahren nicht mehr vorgekommen ist. Wird der Zeitraum der Schätzung um einige Jahrhunderte in die Zukunft erweitert, scheint eine Absenkung des pH-Werts um bis zu 0,7 Punkte möglich. Dieses Worst Case-Szenario setzt voraus, dass der größte Teil der noch vorhandenen fossilen Brennstoffe verbraucht wird. Dies wäre eine stärkere Versauerung als jemals zuvor in den vergangenen 300 Millionen Jahren, mit der möglichen Ausnahme seltener und extremer Katastrophenereignisse.^[7] Ein solcher Zustand wäre im Rahmen menschlicher Zeitskalen kaum reversibel; es würde wenigstens einige zehntausend Jahre dauern, bis auf natürlichem Weg der vorindustrielle pH-Wert wieder erreicht würde.

Ohne den Senkeneffekt der Meere läge die atmosphärische Konzentration von Kohlenstoffdioxid heute um 55 ppm (parts per million, Teile pro Million) höher, also bei wenigstens 435 ppm statt bei aktuell 380 ppm. Über den Zeitraum von Jahrhunderten gerechnet sollen die Ozeane in der Lage sein, zwischen 65 % und 92 % der anthropogenen CO₂-Emissionen aufzunehmen. Verschiedene Effekte sorgen jedoch dafür, dass mit steigenden Temperaturen und wachsendem atmosphärischem CO₂-Anteil die Aufnahmefähigkeit der Meere für Kohlenstoff abnimmt. Die genaue Abnahme der Senkenfähigkeit lässt sich schwer beziffern, dürfte aber bereits zum Ende des 21. Jahrhunderts 4 – 15 % betragen.^[2]

Weblinks

• Christian-Albrechts-Universität zu Kiel: Ozeanversauerung: Fakten
• geoscience-online.de: Osteoporose in der Tiefe. Übersäuerung der Meere löst Korallenriffe auf
• Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (2005): Das Meer wird sauer, Pressemitteilung vom 29. September
• Archer, David (2005): The Acid Ocean – the Other Problem with CO₂ Emission, in: RealClimate.org vom 2. Juli (englisch)
• Agardy, Tundi: Dropping pH in the Oceans Causing a Rising Tide of Alarm beim World Ocean Observatory (englisch)
• Webcasts weiterer Hintergründe vom World Ocean Observatory (englisch)
• The Ocean in a High CO₂ World, Website der Intergovernmental Oceanographic Commission (IOC) der UNESCO (englisch)
• David Archer bei RealClimate.org: The Acid Ocean – the Other Problem with CO₂ Emission vom 2. Juli 2005 (englisch)

Quellen

1. ↑ Raven, John et al. (2005): Ocean acidification due to increasing atmospheric carbon dioxide. The Royal Society Policy Document 12/05, Juni (PDF, 1,1 MB)
2. . ^{a b c d e} Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (2006): Die Zukunft der Meere – zu warm, zu hoch, zu sauer. Sondergutachten, Berlin (PDF, 3,5 MB)
3. . ^{a b} Jacobson, Mark Z. (2005): Studying ocean acidification with conservative, stable numerical schemes for nonequilibrium air-ocean exchange and ocean equilibrium chemistry, in: Journal of Geophysical Research, Vol. 110, D07302, doi:10.1029/2004JD005220 (PDF)
4. ↑ Sabine, Christopher L., Richard A. Feely, Nicolas Gruber et al. (2004): The Oceanic Sink for Anthropogenic CO2, in: Science, Vol. 305, Nr. 5682, S. 367 - 371, doi:10.1126/science.1097403 (PDF)
5. ↑ World Resources Institute (WRI) / Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC) (2005): Carbon Dioxide Emissions by Source 2005 (PDF)
6. ↑ Orr, James C., Victoria J. Fabry, Olivier Aumont et al. (2005): Anthropogenic ocean acidification over the twenty-first century and its impact on calcifying organisms, in: Nature, Vol. 437, 29. September, S. 681-686, doi:10.1038/nature04095 (PDF)
7. . ^{a b} Caldeira, Ken und Michael E. Wickett (2003): Oceanography: Anthropogenic carbon and ocean pH, in: Nature, Vol. 425, S. 365, doi:10.1038/425365a
8. ↑ Fine, Maoz und Dan Tchernov (2007): Scleractinian Coral Species Survive and Recover from Decalcification, in: Science, Vol. 315, Nr. 5820, S. 1811, 30. März, doi:10.1126/science.1137094
9. ↑ Riebesell, Ulf (2004): Effects of CO₂ enrichment on marine phytoplankton, in: Journal of Oceanography 60, S. 719-729, doi:10.1007/s10872-004-5764-z
10. ↑ Intergovernmental Panel on Climate Change (2007): Climate Change 2007: Climate Change Impacts, Adaptation and Vulnerability. Summary for Policymakers (PDF)
11. ↑ Shirayama,Yoshihisa, Haruko Kurihara, Hisayo Thornton et al. (2004): Impacts on ocean life in a high-CO₂ world, Seto Marine Biological Laboratory, Kyoto University. Siehe die PowerPoint-Präsentation online (PDF, 3,4 MB)
12. ↑ NSF, NOAA und USGS (2006): Impacts of Ocean Acidification on Coral Reefs and Other Marine Calcifiers: A Guide for Future Research (PDF, 9,9 MB)

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