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Kohlenstoffkreislauf und Kohlendioxid-Lösungsprozesse
Kohlendioxid in den Ozeanen 2015
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Ozeanversauerung

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Kohlenstoffkreislauf und Kohlendioxid-Lösungsprozesse

Die Konzentration von Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre steigt unvermindert an. Dadurch löst sich auch vermehrt CO2 im Ozean, wo es zu Kohlensäure reagiert und das Meerwasser zunehmend versauert.

Phytoplankton und Zooplankton

Leitet man Kohlendioxid in Wasser, so entsteht eine schwach saure Lösung. Nur eine kleine Menge gelöstes Kohlendioxid reagiert chemisch mit Wasser. Der grösste Teil des Kohlendioxids ist lediglich physikalisch im Wasser gelöst. Erhitzt man diese Lösung, so entweicht Kohlendioxid und die Flüssigkeit wird nach einiger Zeit wieder neutral. Die Bildung von Kohlensäure aus Kohlendioxid und Wasser ist umkehrbar. Kohlensäure ist daher nicht in reiner Form vorhanden.

Beim Erhitzen von kohlendioxidhaltigem Wasser und Kalk erfolgt eine chemischen Reaktion, bei welcher Kohlendioxidgas entweicht. Als Folge dieser Reaktion scheidet Kalk (= Calziumkarbonat) aus der wässrigen Lösung aus. Die gleiche Reaktion kann man beobachten, wenn einer wässrigen, kohlendioxidhaltigen Lösung das Kohlendioxid entzogen wird. Wasserpflanzen entziehen dem Wasser bei der Assimilation Kohlendioxid.

Das chemische Gleichgewicht wird auch durch Verminderung der Calziumhydrogencarbonat-Konzentration gestört.

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Kohlendioxid in den Ozeanen

Rund ein Viertel der vom Menschen verursachten CO2-Emissionen wurden bisher von den Ozeanen aufgenommen. Dies führt zu chemischen Reaktionen und damit zur Versauerung des Wassers. Langfristig kann dies Meereslebewesen wie Korallen oder Muscheln und Schnecken bedrohen, weil die Versauerung die Bildung von Kalkschalen und Skeletten beeinträchtigt. Dies würde die Artenvielfalt und die Nahrungsketten gefährden.

Die Weltmeere nehmen 90% der in den Treibhausgasen und 25% der in den von Menschen beeinflussten CO2-Emissionen enthaltenen Energie auf. Durch diese Energieaufnahme werden die Ozean wärmer und saurer. Im Jahr 2018 erreichte der Wärmegehalt der Ozean in ersten drei Quartalen Rekordwerte.

In den Ozeanen trägt das Kohlendioxid zur Versauerung des Meerwassers bei. Das Meerwasser nimmt rund ein Viertel des vom Menschenproduzierten Kohlendioxid auf. Der Säuregehalt von Meerwasser steigtdaher in einem seit 300 Millionen Jahren noch nie beobachteten Tempo. Sowohl die Ozeanversauerung wie auch die steigende Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre haben kumulativeAuswirkungen.

Die Ozeanversauerung hat weitereichende Folgen. Ein höherer Säuregehalt des Meerwassers führt u.a. dazu, dass die Schale- oder Skelettbildung von Meeresorganismen wie Korallen, Algen, Mollusken oder einige Planktonarten reduziert oder behindert wird. Muschelschalen, Fischgräte usw. bestehen aus Kalk. Für die Bildung von Kalk muss im Meerwasser das Karbonation vorhanden sein. Je höher der Säuregehalt desto geringer ist die Konzentration der Karbonationen im Meerwasser. Kalkbildende Meeresorganismen sind Teil der Nahrungskette, welche von Fischen, Walen, Robben usw.genutzt werden. Eine Reduktion der Fisch-, Wal- und Robbenbestände hat direkte Auswirkungen auf die Ernährungsgewohnheiten sehr vieler Menschen.

Antarktischer Ozean: CO2-Senke wiedererstarkt

Vor zehn Jahren befürchteten Wissenschaftler, dass die Leistung des Südlichen Ozeans erschöpft sein könnte, atmosphärisches Kohlendioxid aufzunehmen. Die Analyse neuerer Beobachtungen aber zeigt, dass diese Senke in den letzten Jahren wiedererstarkt ist.

ETHZ Antarktischer Ozean CO2-Senke wiedererstarkt

CO2 aus der Luft zurück zu holen kann die Ozeane nicht retten - wenn wir weiter Kohle und Öl verfeuern

Treibhausgase aus dem Verbrennen von Kohle und Öl verursachen nicht nur eine rasche Erwärmung der Meere, sondern auch eine Versauerung des Wassers - und dies rascher als je in den vergangenen Jahrmillionen. Deshalb gibt es die Idee, künstlich CO2 aus der Luft zurück zu holen, um die Risiken für das Leben in den Ozeanen zu verringern. Geschieht dies aber zu spät, so nützt es kaum noch etwas, wie eine neue Studie auf der Grundlage von Computer-Simulationen jetzt zeigt. Wenn die Emissionen in diesem Jahrhundert und darüber hinaus weiter wie bisher zunehmen, so bliebe der Ozean noch auf Jahrhunderte hin stark verändert - sogar wenn in der Atmosphäre die Menge von CO2 irgendwann in der Zukunft wieder auf das vor-industrielle Niveau heruntergebracht würde.

PIK CO2 aus der Luft zurück zu holen kann die Ozeane nicht retten

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Der Kohlenstoffkreislauf im Ozean

Die gesamte im Ozean gelöste Menge an CO2 ist 50 Mal grösser als der atmosphärische Kohlendioxid-Gehalt und 20 Mal grösser als das an Land (Vegetation und Böden) gespeicherte Kohlendioxid. Der Ozean tauscht CO2 mit der Atmosphäre aus und fungiert bei einer steigenden CO2-Konzentration in der Atmosphäre über längere Zeiträume als wichtigste CO2-Senke.

Der CO2-Austausch mit der Atmosphäre findet über die ozeanische Deckschicht statt, und erfolgt durch Gas-Austausch. Er wird hauptsächlich durch die Differenz im CO2-Partialdruck zwischen Ozean und Atmosphäre angetrieben. D.h. bei höherem CO2-Druck in der Atmosphäre wird Kohlendioxid im Oberflächenwasser des Ozeans gelöst. Die für den Austausch zwischen Atmosphäre und Ozean entscheidenden Eigenschaften von Kohlendioxid sind seine leichte Löslichkeit und seine chemische Reaktivität im Wasser. Wasser mit höherer Temperatur kann weniger Kohlenstoff aufnehmen als Wasser mit geringerer Temperatur. Durch eine Reihe chemischer Reaktionen mit dem Ozeanwasser verändert sich das CO2 in eine inorganische Form und steht dem Austausch zwischen Ozean und Atmosphäre nicht mehr zur Verfügung. 3

Der ozeanische Kohlenstoffkreislauf

Unterhalb der ozeanischen Deckschicht nimmt die Konzentration des gelösten anorganischen Kohlenstoffs deutlich zu. Die Ursache liegt in zwei fundamentalen Prozessen im Innern des Ozeans:

der "physikalischen Pumpe" und der "biologischen Pumpe".

Bei der physikalischen Pumpe wird CO2 durch absinkende Wassermassen in die Tiefe verfrachtet, bei der biologischen Pumpe durch das Absinken von organischen Substanzen, in denen Kohlenstoff gebunden ist.

Durch den globalen Klimawandel wird auch das Oberflächenwasser des Ozeans erwärmt, und es bilden sich weniger kalte Wassermassen, die in die Tiefe absinken könnten. Dadurch wird der Transport von Kohlenstoff in den tieferen Ozean durch die "physikalische Pumpe" reduziert.4

Durch den kombinierten Effekt von ...

1. der zunehmenden chemischen Sättigung des Oberflächenwassers und ...

2. der zunehmenden Schichtung der Wassersäule sowie einem verlangsamten vertikalen Austausch werden zwei wichtige negative Rückkopplungen im Kohlenstoff-Klima-System geschwächt und damit die Rate der Aufnahme von anthropogenem Kohlenstoff durch den Ozean reduziert.

Die Grössenordnung ist entscheidend davon abhängig, wie die ozeanische Zirkulation und die chemische Mischung auf den klimatischen Antrieb reagieren.

Durch die Erwärmung und durch die stabilere Schichtung des Ozeans reduziert sich der Nachschub an Nährstoffen aus dem tiefen Ozean für das pflanzliche Phytoplankton.

Alle Szenarien in unseren Klima-Modellrechnungen zeigen, dass es zu einer Verminderung von pflanzlichem Plankton kommt. Durch die Erwärmung der Ozeane verringert sich der Nachschub von lebenswichtigen Nährstoffen aus den Tiefen der Ozeane an die Meeresoberfläche wo die Algen wachsen. Also: Je wärmer der Ozean, desto weniger Austausch gibt es zwischen dem tiefen Ozean und der Oberfläche - die Algen verhungern buchstäblich.

Dr. Johann Jungclaus, Max-Planck-Institut für Meteorologie Hamburg

Ozeanversauerung - das "andere CO2-Problem"

Die Zunahme an CO2 in der Atmosphäre führt dazu, dass das Wasser der Ozeane saurer wird. Die sogenannte Ozeanversauerung findet statt, wenn CO2 mit Wasser reagiert und Kohlensäure bildet.

Durch diese Reaktion und durch die Freisetzung von Wasserstoff-Ionen wird der Säuregrad gesteigert und der pH-Wert reduziert. Daneben kommt es zu einer zweiten Reaktion zwischen Karbonat-Ionen, CO2 und Wasser, bei der Hydrogenkarbonat-Ionen entstehen.

Der gemeinsame Effekt dieser beiden Reaktionen steigert nicht nur den Säuregrad, sondern sorgt auch dafür, dass weniger Karbonat-Ionen verfügbar sind. Diese werden zur Kalkbildung benötigt, der Produktion und dem Wachstum von Kalkschalen und Kalkskeletten.

Eine Reduktion der Karbonat-Ionen hat grosse biologische Bedeutung, weil sie die Geschwindigkeit beeinflusst, mit der Korallen, Muscheln, Schnecken, Seeigel und einige Algen ihre Kalkschalen und Skelette aufbauen. Bei niedrigen pH-Werten (höherem Säuregrad) sind weniger Karbonat-Ionen verfügbar, und der Kalkbildungsprozess wird eingeschränkt oder sogar verhindert. Diese Folge der Ozeanversauerung kann darum katastrophale Konsequenzen für das Leben im Ozean und damit für viele Arten haben, die auch wirtschaftliche Bedeutung besitzen. 5

Der Ozean ist bereits um etwa 30% saurer geworden und Wissenschaftler bezweifeln, dass viele Organismen sich an diese Änderung schnell genug anpassen können. Das betrifft besonders Kalk bildende Organismen, die möglicherweise ihre Kalkschalen nicht mehr bilden können.

Dr. Johann Jungclaus, Max-Planck-Institut für Meteorologie Hamburg

Quellen:

1. http://bildungsserver.hamburg.de/das-klimasystem/2063982/ozean-artikel.html

2. http://www.mpimet.mpg.de/nc/aktuelles/single-news/article/mehrjaehrige-vorhersage-der-atlantischen-meridionalen-umwaelzbewegung-bei-265-n-moeglich.html

3. IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change

4. nach IPCC (2001): Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of the Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge and New York 2001, Figure 3.1

5. Ocean Acidification Reference User Group (2010). Ocean Acidification: Questions Answered. Laffoley, D. d'A., and Baxter, J.M. (eds). European Project on Ocean Acidification (EPOCA). 24 pp.

Nach Dr. Dieter Kasang, http://bildungsserver.hamburg.de/das-klimasystem/2064130/kryosphaere-artikel.html

Quelle: Text Deutsches Klimarechenzentrum (DKRZ) und Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), Hamburg, Februar 2012
MPI-M und DKRZ Klimasimulationen für Wissenschaft und Gesellschaft
Das Ausbleichen von Korallen - Die Zerstörung des Riffs
Kaltwasserkorallen Rasante Evolution einer Kalkalge
Das chemische Gedächtnis des Meerwassers
Kryosphäre

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Externe Links
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Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), Hamburg
Deutsches Klimarechenzentrums (DKRZ)
Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI)
BIOACID (Biological Impacts of Ocean Acidification)
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