Eine neue Studie der englischen "Royal Society"

Gigatonnen  aus der Atmosphäre in die Meere

Seit Beginn des industriellen Zeitalters haben wir Menschen durch Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas, durch Zementherstellung, Landwirtschaft und Entwaldung die Konzentration von Kohlendioxid (CO₂)  in der Atmosphäre um über ein Drittel von 280 auf 380 ppm (Teile pro Million) hochgetrieben. Bis in hundert Jahren wird mit einer Vervierfachung gerechnet.*) Nie in den letzten 420'000 Jahren - und wahrscheinlich bis hundert Millionen Jahre davor - war die Konzentration so hoch, und heute ist der Anstieg rasant.

Das Meer bedeckt 70 % der Erde, seine Oberfläche ermöglicht einen intensiven Austausch.  Beinahe die Hälfte des atmosphärischen Kohlendioxids landet im Meer. Ohne es zu wissen versenkt jeder Erdenbewohner täglich 750 Gramm reinen Kohlenstoffs (C) in Form von knappen 3 Kilo CO₂ in die Ozeane, eine Tonne jedes Jahr. Bis 2100 werden wohl insgesamt 900 Gigatonnen (900'000'000'000 Tonnen) C im Meer aufgegangen sein.

Was geschieht dann im Meer ?

Die physikalischen und chemischen Vorgänge sind noch recht einfach zu überblicken, und daraus lassen sich schon Schlüsse ziehen. Unendlich komplexer und noch kaum erforscht sind die Einflüsse auf die Meeresbiologie und über  die Rückwirkungen auf die Lebensbedingungen der Menschen weiss man noch weniger.

Doch eines nach dem anderen!

CO₂ wird umgewandelt

In Meereswasser aufgelöst reagiert das CO₂ mit dem Wasser, positiv geladene Wasserstoff-Ionen H⁺ entstehen und damit sinkt der pH-Wert. "pH" ist die Abkürzung für den lateinischen Begriff "potentia hydrogenii" und bedeutet Wasserstoff-Ionenkonzentration. Eine pH-Stufe nach unten bedeutet eine Verzehnfachung der H⁺-Konzentration.

Grafik aus: http://members.aon.at/stuhli/3-ph.html
Aquarienbesitzern ist diese Thematik bestens vertraut, sie müssen den Säuregrad ihres Wassers durch Steuerung des CO₂-Haushalts sorgfältig im Griff halten, siehe zum Beispiel bei der Aquaristik-Hilfe.

Der natürliche pH-Wert der höheren Schichten der Ozeane liegt um den Wert 8,2 mit Schwankungen um 0,3 nach oben oder nach unten. Seit Beginn der Industrialisierung ist der pH-Wert der Ozeane um rund 0,1 gesunken, 30 % mehr H+-Ionen sind für diese Verschiebung nach unten verantwortlich. Bis 2100 wird mit einer Säuerung um weitere 0,2 bis 0,4 gerechnet, also bis zu einer Verdreifachung des Wasserstoff-Ionen-Gehalts.

Auch wenn wir heute aufhörten, CO₂ zu produzieren, das dann vom Meer aufgenommen wird, würde es immer noch Zehntausende Jahre dauern bis die Ozeane in den Zustand vor Beginn des Industriezeitalters zurückkämen.

Chemie und Physik des Kalkkreislaufes

Im Haushaltsbereich entfernt man Kalkablagerungen mit Säuren. Im Meer ist es nicht anders. Umgekehrt kann sich Kalk nur in einer Kombination aus basischem Umfeld, niedrigem Druck und höheren Temperaturen bilden. In jeder Meeresgegend gibt es so eine bestimmte Tiefe bis zu der sich Kalk bilden kann, darunter löst er sich auf. Heute liegt dieser so genannte Sättigungshorizont in Bereichen zwischen 0,5 und 2,5 km Meerestiefe. In warmen Meeren nahe des Äquators bildet sich Kalk leichter, in kalten Meeren nahe den Polen weniger, dort ist auch der Sättigungshorizont am wenigsten tief.

So lautet die Chemie für die Kalkauflösung:
Aus Kohlendioxid und Wasser entsteht Kohlensäure:
CO₂ + H₂O -> H₂CO₃,
diese hilft mit, den im Wasser befindlichen schwer löslichen Kalk in einer weiteren Reaktion mit Kohlendioxid und Wasser in leicht lösliches Kalziumhydrogenkarbonat umzuwandeln:
CaCO₃ + CO₂ + H₂O <-> Ca(HCO₃)₂/P>

Durch das CO wird also Säure gebildet und diese löst den Kalk, das CO> wird gebunden. Solange genügend Kalk vorhanden ist, ergibt sich ein Gleichgewicht, ist weniger oder gar kein Kalk vorhanden, wird nur noch Säure gebildet. Gibt man Kalk zu, sinkt der Säuregrad.

Zwei Formen der Kalkablagerungen werden unterschieden: das Kalzit und das weniger stabile Aragonit, dessen Sättigungshorizont näher zur Meeresoberfläche liegt. Die Korallen der südlichen Ozeane und die Meeresschnecken bestehen aus Aragonit.

Meeresschnecken, Muscheln und Korallen können ihre Kalkstrukturen nur oberhalb dieses Horizonts bilden. Sinken diese Strukturen nach Absterben der Tiere in die Tiefen der Ozeane, dann lösen sie sich auf oder lagern sich ab - je nach Menge, Temperatur und Meerestiefe. Wegen des steigenden Sättigungshorizonts kann man heute schon mit ziemlicher Sicherheit abschätzen, dass bis zum Jahre 2100 im antarktischen Ozean keine Bildung von Kalkstrukturen mehr möglich sein wird.

Kalzit - hier in Form von Alabaster - überdauert Jahrtausende	Die empfindlichen Aragonit-Kristalle
Südsee-Korallen bestehen aus Aragonit	Meeresschnecke (Pteropode) aus Aragonit

Die Kalkbildung insbesondere durch frei schwebende Organismen ist deshalb wichtig weil sie mithilft die "biologische Kohlenstoffpumpe" in Gang zu halten. Abgestorbene kalkhaltige schwere Organismen sinken in die Tiefen des Ozeans und werden dort entweder abgelagert oder aufgelöst. In jedem Fall bleibt der durch das atmosphärische CO₂ ins Meer eingebrachte Kohlenstoff in der Tiefe gebunden und die oberen Wasserschichten werden weniger übersäuert und zudem aufnahmefähiger für neues CO₂. Wird weniger Kalk gebildet, dann bleibt mehr CO₂ in den oberen Wasserschichten.

Eine vertiefte Beschreibung dieser Mechanismen gibt Dr. David Völker in "Meeresgeologie im Internet"

Die marine Pflanzen- und Tierwelt steht vor gewaltigen Umwälzungen

In der Nahrungskette beginnt alles mit der photosynthetischen Bildung von frei schwebendem Phytoplankton. Jedes Jahr verarbeiten diese Lebewesen rund 50 Gigatonnen (Gt) C. Sie werden bald von anderen Mikroorganismen, vor allem Zooplankton aufgenommen, dieses wiederum bildet die Nahrungsgrundlage für höhere Lebewesen, Fische, Tintenfische, Meeressäuger. Zahlreiche schwebende und sesshafte Organismen bilden Kalk. In grossen Mengen tun dies vor allem Korallen und Coccolithophoren. Jedes dieser Lebewesen reagiert auf geänderte pH-Werte anders. Einige vermehren sich, andere reagieren empfindlich, insgesamt nimmt aber bei zunehmender CO₂-Konzentration die Kalkproduktion ab.

Eine Kalzit-produzierende Phytoplanktonart, die in allen Ozeanen in riesigen Mengen vorkommende Coccolithophore  Emiliana huxleyi zeigt ein widersprüchliches Verhalten: Sie vermehrt sich in CO2-reichem Wasser sehr stark, erzeugt aber dafür weniger Kalk. (Quelle: Electronic Microfossil Image Database System (EMIDAS) )

Was für Änderungen in der Zusammensetzung von Meeresfauna und -flora die Übersäuerung der Meere mit sich bringt, wie Arten und Lebensgemeinschaften sich anpassen, absterben oder neu entstehen, ist nicht einmal in Ansätzen erforscht. Nicht für das Phytoplankton, nicht für die Algen, nicht für die Fische, nicht für Tintenfische und Meeressäuger. Intensive Forschungen in den verschiedensten Bereichen sollten dringendst in Angriff genommen werden, will man nicht riskieren, dass die Forschungsobjekte vor Beginn der Arbeiten ausgestorben sind.

Ein paar Dinge scheinen doch einigermassen klar zu sein:

1. Die Sauerstoffkonzentration (O₂) im Meer ist schon ohne erhöhte CO₂-Belastung mit 6,25 mg/l nur rund ein Fünfzigstel des O₂-Angebots in der Luft. Fische und Cephalopoden (Tintenfische) müssen deshalb sehr haushälterisch mit ihrer "Atemluft" umgehen, sie kriegen durch ihre Kiemen lange nicht so viel wie Landtiere durch die Lungen. Mehr CO₂ im Meer bedeutet aber weniger O₂. Diese Tiere werden dadurch einfach schwächer, anfälliger, vermehren sich langsamer, kurz ihr langfristiges Überleben ist in Frage gestellt. Dies gilt insbesondere für die Cephalopoden, die durch ihren Düsenantrieb zur Fortbewegung sehr viel Energie brauchen.

2. Die Kalkbildung der Coccolitophoren, Foraminiferen, Krustentiere, Stachelhäuter (Echinodermen), Muscheln (Mollusken) und Korallen ist erschwert, bei steigendem Sättigungshorizont wird ihr Lebensraum aber eingeschränkt, alle Kalkbildungen unterhalb dieses Horizonts werden über kurz oder lang abgebaut. Man nimmt an, dass heute 5 - 25 % weniger Kalk als vor dem Industriezeitalter gebildet wird.

3. Korallenriffe sind ganz besonders gefährdet. Seit 1980 sind vor allem durch die Meereserwärmung bereits rund 30 % der Korallen in warmen Gewässern verschwunden. Der erhöhte CO₂-Gehalt erschwert die Bildung neuer Riffe. Alles deutet darauf hin, dass bis Mitte dieses Jahrhunderts Korallen äusserst selten werden. Ihre Bedeutung für die Artenvielfalt im Meer, für die Fischerei, für den Tourismus, für den Schutz der Küsten ist bedeutend, massive Umwälzungen mit schmerzhaften Auswirkungen auf die Menschen sind zu erwarten.
   
   Erst vor einem Jahrzehnt wurde begonnen auch die Kaltwasser-Korallenriffe zu erforschen. Noch kaum kartografiert, weiss man, dass es sie zumindest entlang der ganzen europäischen und afrikanischen Westküste bis hoch in den Norden, in der Karibik, auf den Galapagos und an vielen anderen Orten gibt. In punkto Artenvielfalt oder Farbenpracht können es die Kaltwasser-Korallenriffe durchaus mit ihren tropischen Verwandten aufnehmen. Bei Wassertiefen von 250 bis 1000 Metern braucht es allerdings etwas mehr als nur eine normale Sporttaucher-Ausrüstung, um sie zu erreichen.
   
   Mit der Erhöhung des Sättigungsspiegels sind diese Tiefseeriffe noch viel stärker bedroht als die Warmwasserriffe nahe der Meeresoberfläche. Über ihre Funktion, ihren Artenreichtum, ihre Bedeutung für das ökologische Gleichgewicht und für die Fischerei weiss man noch sehr wenig.
   
   Mehr dazu findet man bei AndrŽ Freiwald und Scienzz.

Was wir alles nicht wissen

Die weiteren, vielfach verflochtenen Abhängigkeiten physikalischer, chemischer und biologischer Natur sind nicht einmal in Ansätzen erforscht. Wir wissen nun einfach nicht was auf uns zukommt. Manche Mechanismen sind gegenläufig, wie oben bei Emiliana huxleyi dargestellt, gänzlich unerwartete Effekte sind zu erwarten: Sollte beispielsweise diese Emiliana huxleyi, die oft riesige Meeresflächen bedeckt und die Sonneneinstrahlung ins Weltall zurückspiegelt, verschwinden, dann würde diese Strahlungswärme von der Sonne im Meer aufgenommen und substanziell zur Erwärmung unserer Erde beitragen. Andere Planktonarten geben Dimethylsulfid an die Atmosphäre ab, ein Gas, das zur Wolkenbildung beiträgt, was wiederum zu niedrigeren Temperaturen führen könnte. Wo geht die Reise hin? Welche Lebewesen passen sich an, welche sterben ab, was bedeutet das für andere, für das marine Gleichgewicht?

Und was bedeutet das für den Menschen?

Man kann nun versuchen, den Geldwert der Veränderungen abzuschätzen. So werden für die australische Ostküste im Bereich des Grossen Barrierenriffs Milliardenverluste für den Tourismus, die Fischzucht, für Küstenschutzmassnahmen und dergleichen errechnet. Die jährlich 70 Milliarden US-$ aus der Fischereiindustrie und ddie ganze Weltwirtschaft könnte aus den Fugen geraten.

Klar ist aber auch, dass der CO₂-Eintrag ins Meer durch keine andere Massnahme als eine Reduktion der CO₂-Produktion gebremst werden kann. Es gab Vorschläge, als Gegenmassnahme Kalk (CaCO₃) ins Meer zu bringen, nur würde es zehnmal mehr Kalk - 20 Gt im Jahr - brauchen um den CO₂-Effekt zu eliminieren, und den müsste man noch in die Tiefen der Ozeane versenken, denn an der Meeresoberfläche löst er sich ja nicht auf - ein unmögliches Unterfangen, und dazu eines mit unbekannten Nebeneffekten.

Schlüsse und Empfehlungen

Das Kohlendioxid, das wir bisher in den Ozeanen versenkt haben, ist und bleibt über Jahrtausende dort und vor allem in den Oberflächengewässern.