Die Zukunft der Meere ? zu warm, zu hoch, zu sauer - WBGU

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4 Versauerung der Meere
In der Atmosphäre verhält sich CO 2 im Wesentlichen
chemisch neutral, d. h. es reagiert nicht mit
anderen Gasen, trägt aber durch seine starke Wechselwirkung
mit Infrarotstrahlung zum Klimawandel
bei. Im Ozean dagegen ist CO 2 chemisch aktiv.
Gelöstes CO 2 trägt zu einer Absenkung des pH-
Werts bei, d. h. zu einer Versauerung des Meerwassers.
Dieser Effekt ist bereits messbar: Seit Beginn
der Industrialisierung ist der pH-Wert des Oberflächenwassers
der Meere im Mittel um etwa 0,11 Einheiten
gesunken. Dies entspricht einer Zunahme der
Konzentration von Wasserstoffionen (H + -Ionen) um
etwa 30%. Ausgehend von einem leicht alkalischen
vorindustriellen pH-Wert von 8,18 (Raven et al.,
2005) hat also der Säuregehalt des Ozeans an seiner
Oberfläche zugenommen. Auf Basis der verschiedenen
IPCC-Emissionsszenarien ist bei einer atmosphärischen
CO 2 -Konzentration von 650 ppm bis
zum Jahr 2100 eine Verringerung des mittleren pH-
Werts um insgesamt 0,30 Einheiten gegenüber dem
vorindustriellen Wert zu erwarten. Bei einer atmosphärischen
Konzentration von 970 ppm würde sich
der pH-Wert um 0,46 Einheiten reduzieren. Gelingt
es dagegen, das CO 2 in der Atmosphäre auf 450 ppm
zu begrenzen, dann beträgt die pH-Reduktion nur
0,17 Einheiten (Caldeira und Wickett, 2005).
4.1.2
Änderung des Karbonathaushalts
Der in den Meeren gespeicherte Kohlenstoff liegt in
unterschiedlichen chemischen Formen vor. Ein kleiner
Teil ist in der Biosphäre und in organischen Verbindungen
gespeichert, der weit überwiegende Teil
ist dagegen in anorganischen Verbindungen enthalten,
die auch als DIC (Dissolved Inorganic Carbon)
bezeichnet werden. Von diesen Verbindungen ist
jedoch nur 1% direkt im Wasser gelöstes CO2 ,91%
–
liegen als Hydrogenkarbonat (HCO3 ) vor und 8%
2-
als Karbonat (CO3 ). Diese drei Verbindungen stehen
über eine Gleichgewichtsreaktion in Beziehung:
2- –
CO2 + H2O + CO3 ↔ 2HCO3
Das relative Verhältnis dieser Kohlenstoffverbindungen
reflektiert dabei den pH-Wert des Wassers
(Abb. 4.1-2). Nur CO 2 kann mit der Atmosphäre ausgetauscht
werden. Durch den Eintrag von CO 2 wird
der Partialdruck von CO 2 im Meerwasser erhöht,
gleichzeitig verschiebt sich das Gleichgewicht zu
Gunsten von Hydrogenkarbonat und zu Ungunsten
von Karbonat.
Durch den Eintrag von anthropogenem CO 2 hat
die Karbonatkonzentration in der Meeresoberflä-
Verhältnis der Konzentrationen
1
0,1
0,01
CO 2
-
HCO3 Heutiger
pH-Bereich
2-
CO3 Erwartete
Änderung
0,001
4 5 6 7 8 9 10 11
sauer pH
basisch
Abbildung 4.1-2
Karbonatsystem des Meerwassers. Relatives Verhältnis der
– 2-
drei anorganischen Komponenten CO2 , HCO3 und CO3 .
Der blau schattierte Bereich zeigt schematisch den pH-
Bereich, der heute im Meer vorkommt. Der Pfeil skizziert die
erwartete Verschiebung des mittleren pH-Werts, wenn die
atmosphärische CO2-Konzentration etwa 750 ppm erreicht.
Quelle: Raven et al., 2005
chenschicht bereits um 10% gegenüber dem vorindustriellen
Niveau abgenommen (Orr et al., 2005).
Die Sättigung des Meerwassers mit Karbonationen
ist von besonderer Bedeutung für diejenigen
Meeresorganismen, die für ihre Schalen oder Skelettstrukturen
Kalk (Kalziumkarbonat, CaCO 3 ) bilden
(Kap. 4.3.2). Kalk kommt bei Meeresorganismen
vor allem in den Formen Aragonit und Kalzit vor, die
sich durch ihre Kristallstruktur unterscheiden (Tab.
4.3-1). Das Meerwasser ist gegenüber dem leichter
löslichen Aragonit übersättigt, wenn die Karbonatkonzentration
oberhalb von 66 µmol pro kg liegt.
Fällt sie unter diesen Wert, löst sich das von den
Organismen gebildete Aragonit im Wasser – man
spricht von Aragonituntersättigung. Aufgrund der
zunehmenden Löslichkeit des Kalks mit abnehmender
Temperatur und zunehmendem Druck sind die
tieferen Meeresschichten in der Regel untersättigt,
d. h. absinkender Kalk löst sich in der Tiefe wieder im
Wasser. Die Grenze zwischen der untersättigten und
der übersättigten Schicht wird als Sättigungshorizont
bezeichnet.
Die gegenwärtige Karbonatkonzentration an der
Meeresoberfläche ist regional unterschiedlich: Die
höchste Konzentration (im Mittel 240 µmol pro kg)
findet sich in den Tropen, während sie im Südlichen
Ozean im Mittel nur 105 µmol pro kg beträgt (Orr et
al., 2005). Bei fortschreitendem CO 2-Eintrag in das
Meer sind daher zuerst die Meeresorganismen im
Südlichen Ozean von Aragonituntersättigung bedroht
(Kap. 4.3.2). Orr et al. (2005) berechnen die
mögliche zukünftige Entwicklung der Karbonatkonzentration
des Südlichen Ozeans für verschiedene
Emissionsszenarien. Danach könnte dieser bei
einem Business-as-usual-Szenario bereits Mitte dieses
Jahrhunderts an seiner Oberfläche gegenüber