Was ist Ozeanversauerung?
Seit Beginn der industriellen Revolution, als die Menschen begannen, Kohle in großen Mengen zu verbrennen, ist das Meerwasser der Welt allmählich saurer geworden. Wie die globale Erwärmung ist auch dieses Phänomen, das als Ozeanversauerung bekannt ist, eine direkte Folge des zunehmenden Kohlendioxidgehalts (CO2) in der Erdatmosphäre.
Vor der Industrialisierung betrug die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre 280 Teile pro Million (ppm). Mit zunehmendem Einsatz fossiler Brennstoffe nähert sich diese Zahl nun 400 ppm und die Wachstumsrate beschleunigt sich. Wissenschaftler berechnen, dass der Ozean derzeit etwa ein Viertel des Kohlendioxids absorbiert, das der Mensch emittiert. Wenn sich Kohlendioxid mit Meerwasser verbindet, treten chemische Reaktionen auf, die den pH-Wert des Meerwassers senken, daher der Begriff Ozeanversauerung.Derzeit befindet sich etwa die Hälfte des anthropogenen (vom Menschen verursachten) Kohlendioxids im Ozean in den oberen 400 Metern (1.200 Fuß) der Wassersäule, während die andere Hälfte in die untere Thermokline und den tiefen Ozean eingedrungen ist. Dichte- und windgetriebene Zirkulation helfen, die Oberflächen- und Tiefengewässer in einigen Breiten- und Küstenregionen zu mischen, aber für einen Großteil des offenen Ozeans werden tiefe pH-Änderungen voraussichtlich die pH-Änderungen der Oberfläche um einige Jahrhunderte verzögern.Ozeanversauerung und globale Erwärmung sind unterschiedliche Probleme, aber eng miteinander verbunden, weil sie die gleiche Ursache haben — menschliche Kohlendioxidemissionen. Die atmosphärische Konzentration von Kohlendioxid ist jetzt höher als in den letzten 800.000 Jahren und möglicherweise höher als in den letzten 20 Millionen Jahren. Der Mensch hat bisher von der Fähigkeit des Ozeans profitiert, enorme Mengen an Kohlenstoff zu speichern, einschließlich eines großen Teils dieses überschüssigen Kohlendioxids. Hätte der Ozean nicht so große Mengen an Kohlendioxid absorbiert, wäre die atmosphärische Konzentration noch höher und die Umweltfolgen der globalen Erwärmung (Meeresspiegelanstieg, sich ändernde Wetterbedingungen, extremere Wetterereignisse usw.).) und die damit verbundenen sozioökonomischen Auswirkungen wären wahrscheinlich noch ausgeprägter. Die Ozeane können jedoch nicht weiterhin Kohlendioxid in der derzeitigen Geschwindigkeit aufnehmen, ohne dass sich Chemie, Biologie und Ökosystemstruktur erheblich verändern.
Messung der Ozeanversauerung: Vergangenheit und Gegenwart
Wissenschaftler wissen, dass die Ozeane Kohlendioxid absorbieren und anschließend saurer werden, aus Messungen an Meerwasser, die während Forschungskreuzfahrten gesammelt wurden, die eine breite räumliche Abdeckung über einen kurzen Zeitraum ermöglichen, und aus automatisierten Ozeankohlenstoffmessungen an stationären Liegeplätzen, die langfristige, hochauflösende Daten von einem einzigen Ort liefern.
Diese Aufzeichnungen können mithilfe sogenannter chemischer Proxies durch die Zeit verlängert werden, um eine indirekte Messung der Meerwassercarbonatchemie zu ermöglichen. Ein Proxy ist eine Messung aus einem natürlichen Archiv (Eisbohrkerne, Korallen, Baumringe, marine Sedimente usw.), die verwendet wird, um vergangene Umweltbedingungen abzuleiten. Durch die Analyse der chemischen Zusammensetzung winziger fossiler Schalen in Tiefseesedimenten haben Wissenschaftler beispielsweise Aufzeichnungen über den pH-Wert des Ozeans aus der Antike entwickelt, als es noch keine pH-Meter gab. Außerdem, weil sich das Oberflächenwasser des Ozeans in einem ungefähren chemischen Gleichgewicht befindet, oder Gleichgewicht, mit der Atmosphäre darüber, Eine Aufzeichnung des historischen pH-Wertes des Ozeans kann aus atmosphärischen Kohlendioxidaufzeichnungen abgeleitet werden, die aus grönländischen und antarktischen Eisbohrkernen stammen, die Luftblasen aus der alten Atmosphäre enthalten. Solche Beweise deuten darauf hin, dass die aktuellen atmosphärischen Kohlendioxidkonzentrationen und der pH-Wert des Ozeans seit mindestens 800.000 Jahren beispiellos sind.
Wissenschaftler, die tiefer in die Erdgeschichte bis zur Grenze zwischen Paläozän und Eozän vor etwa 55 Millionen Jahren zurückreichen, haben geochemische Beweise für eine massive Freisetzung von Kohlendioxid gefunden, die mit einer erheblichen Erwärmung und Auflösung flacher Karbonatsedimente im Ozean einhergeht. Obwohl diese Kohlendioxidfreisetzung etwas analog zu dem ist, was wir heute beobachten, trat sie über mehrere tausend Jahre auf, viel langsamer als das, was wir heute beobachten, und bot den Ozeanen somit Zeit, die Veränderung teilweise abzupuffern. In der geologischen Aufzeichnung, in Zeiten rascher Umweltveränderungen, Arten haben sich akklimatisiert, angepasst oder ausgestorben. Korallen haben in der Vergangenheit große Aussterbereignisse erlebt (wie das Aussterben des Perms vor 250 Millionen Jahren), und neue Korallenarten entwickelten sich, um ihren Platz einzunehmen, aber es dauerte Millionen von Jahren, um das frühere Niveau der biologischen Vielfalt wiederherzustellen.
Wie wirkt sich die Versauerung der Ozeane auf die Chemie der Ozeane aus?
Meerwasser hat einen pH-Wert von durchschnittlich 8,2, da es natürlich vorkommende alkalische Ionen enthält, die hauptsächlich aus der Verwitterung kontinentaler Gesteine stammen. Wenn Meerwasser Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnimmt, entsteht Kohlensäure (siehe Kasten 1), die den pH-Wert des Wassers senkt. Seit Beginn der Industrialisierung ist der durchschnittliche Oberflächen-pH-Wert der Ozeane auf etwa 8,1 gesunken.Da die pH-Skala logarithmisch ist (eine Änderung von 1 pH-Einheit entspricht einer zehnfachen Änderung des Säuregehalts), stellt diese Änderung einen Anstieg des Säuregehalts um 26 Prozent über etwa 250 Jahre dar, eine Rate, die 100-mal schneller ist als alles, was der Ozean und seine Bewohner in zig Millionen Jahren erlebt haben.Die Versauerung kann viele Meeresorganismen betreffen, insbesondere aber diejenigen, die ihre Schalen und Skelette aus Kalziumkarbonat aufbauen, wie Korallen, Austern, Muscheln, Muscheln, Schnecken sowie Phytoplankton und Zooplankton, die winzigen Pflanzen und Tiere, die die Basis des marinen Nahrungsnetzes bilden.
Diese „Meeresverkalker“ sind zwei potenziellen Bedrohungen ausgesetzt, die mit der Versauerung der Ozeane verbunden sind: 1) Ihre Schalen und Skelette können sich leichter auflösen, wenn der pH-Wert der Ozeane abnimmt und das Meerwasser korrosiver wird; und 2) Wenn sich CO2 im Meerwasser auflöst, verändert sich die Wasserchemie so, dass weniger Karbonationen, die primären Bausteine für Muscheln und Skelette, für die Aufnahme durch Meeresorganismen zur Verfügung stehen. Meeresorganismen, die Schalen oder Skelette bauen, tun dies normalerweise durch einen internen chemischen Prozess, der Bicarbonat in Carbonat umwandelt, um Calciumcarbonat zu bilden.
Wie genau die Ozeanversauerung die Verkalkungsraten oder die Schalenbildung verlangsamt, ist noch nicht vollständig verstanden, aber mehrere Mechanismen werden untersucht. Die meisten Hypothesen konzentrieren sich auf die zusätzliche Energie, die ein Organismus aufwenden muss, um seine Kalziumkarbonatschalen und -skelette in einer zunehmend korrosiven Umgebung aufzubauen und zu erhalten. Angesichts dieses zusätzlichen Energieaufwands ist die Exposition gegenüber zusätzlichen Umweltstressoren (steigende Meerestemperaturen, abnehmende Sauerstoffverfügbarkeit, Krankheit, Verlust von Lebensraum usw.) wird das Problem wahrscheinlich verschlimmern.
Diese Effekte sind bereits in vielen marinen Organismen dokumentiert, insbesondere in tropischen und Tiefseekorallen, die unter sauren Bedingungen langsamere Verkalkungsraten aufweisen. Die Auswirkungen auf Korallen sind von großer Bedeutung, da sie massive Kalziumkarbonatstrukturen produzieren, die als Riffe bezeichnet werden und Lebensraum für viele Meerestiere bieten, einschließlich kommerziell wichtiger Fisch- und Schalentierarten, die die Riffe als Kinderzimmer nutzen. Korallenriffe sind für den Menschen lebenswichtig als Nahrungsquelle und Medizin, Schutz vor Stürmen und Schwerpunkt des Ökotourismus. Neben Korallen haben Studien gezeigt, dass die Versauerung die Fähigkeit einiger verkalkender Planktone, winziger schwimmender Pflanzen und Tiere an der Basis des Nahrungsnetzes, beeinträchtigt, ihre Schalen zu bauen und zu erhalten. Wissenschaftler haben auch eine erhöhte Larvensterblichkeit bei mehreren kommerziell wichtigen Fischen und Schalentieren beobachtet.
Was können wir in Zukunft erwarten?
Die Versauerung der Ozeane erfolgt 30- bis 100-mal schneller als zu irgendeinem Zeitpunkt in den letzten Millionen Jahren, angetrieben von der schnellen Wachstumsrate des atmosphärischen CO2, die in der geologischen Geschichte nahezu beispiellos ist. Laut dem Weltklimarat (IPCC) sagen Wirtschafts- und Bevölkerungsszenarien voraus, dass der atmosphärische CO2-Gehalt bis 2050 500 ppm und bis Ende des Jahrhunderts 800 ppm oder mehr erreichen könnte. Dies wird nicht nur zu einem signifikanten Temperaturanstieg in der Atmosphäre und im Ozean führen, sondern auch das Meerwasser weiter ansäuern und den pH-Wert bis 2100 um geschätzte 0,3 bis 0,4 Einheiten senken, was einem Anstieg des Säuregehalts um 150 Prozent gegenüber vorindustriellen Zeiten entspricht. Unter der Annahme eines „Business-as-usual“ -CO2-Emissionsszenarios des IPCC prognostizieren Vorhersagemodelle der Meeresbiogeochemie, dass die Oberflächengewässer der arktischen und südlichen Ozeane innerhalb weniger Jahrzehnte mit Aragonit (einer löslicheren Form von Calciumcarbonat) untersättigt werden, was bedeutet, dass diese Gewässer stark korrosiv werden die Schalen und Skelette von Aragonit produzierenden Meereskalkern wie planktonischen Meeresschnecken, die als Pteropoden bekannt sind.
Obwohl die Versauerung der Ozeane erst vor kurzem zu einem wissenschaftlichen Problem geworden ist, hat sie schnell ernsthafte Bedenken hinsichtlich der kurzfristigen Auswirkungen auf Meeresorganismen und der langfristigen Gesundheit des Ozeans aufgeworfen. Wissenschaftler schätzen, dass in den nächsten tausend Jahren 90 Prozent der anthropogenen CO2-Emissionen vom Ozean absorbiert werden. Dies kann möglicherweise biologische und geochemische Prozesse wie Photosynthese und Nährstoffkreislauf beeinflussen, die für marine Ökosysteme, auf die die menschliche Gesellschaft und viele natürliche Systeme angewiesen sind, von entscheidender Bedeutung sind. Gleichzeitig stehen Meeresorganismen vor der enormen Herausforderung, sich an die Versauerung der Ozeane, die Erwärmung des Wassers und die sinkenden Sauerstoffkonzentrationen im Untergrund anzupassen.