Ozeanversauerung

Der böse Zwilling der Klimaerwärmung

Zehn Jahre bevor die Fachwelt überhaupt einen Begriff für das Phänomen hatte, erforschten Wissenschaftler am Alfred-Wegener-Institut bereits die Ursachen der Ozeanversauerung. Früh hatten sie erkannt, dass der steigende Anteil von Kohlendioxid in der Luft auch die Chemie der Ozeane verändern würde. Jetzt wollen sie herausfinden, wie sich das saurere Meerwasser auf seine Bewohner auswirkt – und letztlich auch auf uns Menschen.

Flügelschnecke Clione Limacina
Das Gehäuse der Flügelschnecke ist sehr anfällig für die Versauerung der Meere und würde sich bei sinkenden pH-Werten auflösen. (Foto: Hauke Flores)

Die Ozeane sind die blauen Lungen unseres Planeten. Sie entziehen der Luft jährlich mehr als 25 Prozent des Kohlendioxids, das wir freisetzen. Seit Beginn der industriellen Revolution haben sie rund die Hälfte dieses Treibhausgases aufgenommen, das wir Menschen aus Auspuffrohren und Schloten in die Atmosphäre gepustet haben. Ohne diesen natürlichen Speicher wäre die Kohlendioxidkonzentration in der Luft heute sehr viel höher und es wäre auf der Erde um einiges wärmer.  

Doch selbst die weitläufigen Ozeane können nicht folgenlos unbegrenzte Mengen an Kohlenstoff aufnehmen. Wie alle Gase löst sich Kohlendioxid in Wasser, anders als die meisten Gase reagiert es jedoch auch damit – zu Kohlensäure. Je mehr Kohlendioxid in die Meere eindringt, desto mehr Kohlensäure bildet sich. Dieser Vorgang wirkt sich auf die Chemie des Meerwassers aus und senkt seinen pH-Wert.

Der pH-Wert von Mineralwasser liegt bei circa 6. (Foto: Kristina Bär)

Sinkender pH-Wert

Der pH-Wert gibt an, ob eine Flüssigkeit sauer, basisch oder neutral ist. Mit einem durchschnittlichen pH-Wert von 8,2 ist Meerwasser typischerweise leicht basisch. Dieser Wert ist aber über die letzten zweihundert Jahre auf 8,1 gesunken. „Das mag nicht nach viel klingen, aber die pH-Werte sind logarithmisch, also mathematisch gestaucht. Das heißt, wenn der pH-Wert um 0,1 Einheiten sinkt, wird das Meerwasser um 30 Prozent saurer“, erklärt Prof. Jelle Bijma, Biogeochemiker am Alfred-Wegener-Institut. Bis zum Jahr 2100 wird der pH-Wert der Ozeane voraussichtlich um weitere 0,3 bis 0,4 Einheiten sinken und das Meerwasser so um 100 bis 150 Prozent saurer werden. Das heißt nicht, dass die Ozeane tatsächlich zu einer Säure werden. Auch bei Werten um 7,7 bleiben sie basisch, doch sind sie - relativ gesehen - saurer als zuvor. Aus diesem Grund spricht man von Ozeanversauerung.

Inwieweit der stetig zunehmende Kohlendioxid-Ausstoß die Ozeane chemisch beeinflusst, können Wissenschaftler wie Jelle Bijma mit großer Sicherheit voraussagen. „Es handelt sich um ein einfaches chemisches Gleichgewicht, das mit Hilfe von globalen Ozeanmodellen berechnet werden kann." Weit weniger wissen die Forscher darüber, wie sich die Ozeanversauerung auf die Meereslebewesen und das „Ökosystem Meer“ auswirken wird.

Auswirkungen der Ozeanversauerung auf Kalkalgen

Die Kalkalge Emiliania huxleyi ist in so gut wie allen Weltmeeren zu Hause und stellt für Klimawissenschaftler eine Schlüsselart dar. Denn Ehux, so ihr Spitzname, gehört nicht nur zu den wichtigsten Sauerstoff-Produzenten unseres Planeten, sie entzieht dem Meerwasser beim Bau ihrer Kalkschalen auch eine Menge Kohlenstoff und reißt diesen nach ihrem Absterben zu einem gewissen Teil mit in die Tiefsee, sodass dieser Kohlenstoff dem globalen Kohlenstoffkreislauf für mehrere Tausend Jahre entzogen ist. Dr. Sebastian Rokitta hat in den vergangenen Jahren untersucht, wie sich die zunehmende Ozeanerwärmung und die Versauerung des Meerwassers auf Ehux auswirken.

Korallen reagieren empfindlich auf saureres und wärmeres Wasser. (Foto: Gertraud M. Schmidt)

Auswirkungen auf kalkbildende Meeresbewohner

Forscher nehmen an, dass vor allem Organismen mit Kalkschalen und Skeletten, wie Korallen und Muscheln unter zunehmender Ozeanversauerung leiden werden. „Kohlensäure reduziert unter anderem den Gehalt an Karbonat-Ionen, einem der Bestandteile des Kalks. Aber auch der erniedrigte pH-Wert steht im Verdacht, die Kalkbildung bei Muscheln und anderen Organismen zu behindern. Sie müssen dann mehr Energie aufbringen, um ihre Gehäuse zu bauen“, erklärt der Biologe Dr. Björn Rost vom Alfred-Wegener-Institut. Ab einem bestimmten pH-Wert fehlt jedoch nicht nur der Baustoff und die Kalkbildung wird immer schwieriger, sondern die Kalkschalen beginnen sogar sich aufzulösen. Gleich einem Haus, dem die tragenden Säulen entrissen werden, bricht das Schalengehäuse dann zusammen.

Kalkalge (Emiliania huxleyi)
Emiliania huxleyi
Emiliania huxleyi
Kalkalgen spielen eine wichtige Rolle im Klimasystem, aber sie sind empfindlich gegenüber saureres Wasser. (Foto: Björn Rost)

Wie sich die Ozeanversauerung auf einzelne Lebewesen auswirkt, zieht weitreichende Folgen für das gesamte Ökosystem nach sich: angefangen von der Nahrungskette bis hin zum Kohlenstoffgehalt in der Atmosphäre. „Kalkbildende Algen beispielsweise bauen durch die Photosynthese Biomasse auf. Zusätzlich speichern sie aber auch Kohlenstoff in den Kalkschuppen ihres Gehäuses. Sterben sie, sinken sie in die Tiefe. Dabei wirkt das schwere Kalkmaterial als Ballast und ermöglicht den Transport von mehr Kohlenstoff in größere Tiefen“, sagt Dr. Sebastian Rokitta, Biologe in der Arbeitsgruppe von Björn Rost. Ein Teil des Kohlenstoffs erreicht den Meeresboden und bildet über geologische Zeiträume Kalkablagerungen wie etwa die Kreidefelsen von Rügen. Greift die Ozeanversauerung jedoch die Kalkgehäuse der Algen an, wird der Ballasteffekt vermindert und die Kohlenstoff-Speicherfunktion der Ozeane geschwächt. 

Doch auch höher entwickelte Meeresbewohner wie Fische reagieren auf niedrigere pH-Werte. Das saurere Wasser beeinflusst ihre Entwicklung vor allem in den ersten Lebensstadien – also dann, wenn der Fischnachwuchs im Ei und als Larve noch keine Mechanismen entwickelt hat, die ihn vor der Ozeanversauerung schützen. „Australische Forscher haben entdeckt, dass saureres Wasser den Geruchsinn junger Clown-Fische beeinträchtigt. Anstatt vor Fressfeinden zu fliehen, fühlen sie sich auf einmal zu ihnen hingezogen“, sagt Biophysiker Dr. Christian Bock vom Alfred-Wegener-Institut.

Auch Fische reagieren empfindlich auf den sinkenden pH-Wert. (Foto: Solvin Zankl)
BIOACIDII Kristineberg
Vor allem in jungen Lebensstadien wirkt die Ozeanversauerung auf Fische ein. (Foto: Felix Christopher Mark)
Lebenszyklus-Strategie von Ruferfußkrebsen im Polarmeer. Life Cycle Strategy of Antarctic Copepods.
Auch indirekt kann sich saureres Wasser auf Fische auswirken, nämlich wenn Futterorganismen betroffen sind. (Foto: Thomas Steuer)

Der Kohlenstoffkreislauf kommt aus dem Gleichgewicht

 

Aufgrund ihrer weitreichenden Auswirkungen gilt die Ozeanversauerung auch als böser Zwilling der Klimaerwärmung. Tatsächlich entspringen beide Prozesse demselben Problem: der Störung des natürlichen Kohlenstoffkreislaufes. Dieser beschreibt den ständigen Austausch von Kohlenstoff zwischen der Atmosphäre, Pflanzen an Land und den Ozeanen. Mit diesem Kreislauf stellt die Natur ein Gleichgewicht zwischen Luft, Land und Wasser her. Dieses Kohlenstoffgleichgewicht hat der Mensch ins Wanken gebracht, indem er fossile Rohstoffe wie Öl und Kohle verbrannt und Wälder abgeholzt hat und beides bis heute in großem Maßstab betreibt. 

Bereits Anfang der Neunziger Jahre erforschten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen verschiedener Fachbereiche des Alfred-Wegener-Institutes, wie sich der Kohlenstoffkreislauf durch den Einfluss des Menschen verändert hat und wie sich dies auf die Meere auswirkt. Doch erst zehn Jahre nachdem die Arbeitsgruppe ihre Forschung begann, wurde der Begriff Ozeanversauerung geprägt und schenkte damit dem Phänomen auch mehr Aufmerksamkeit.


Ozeanversauerung in den Polarregionen

Seitdem steigt das wissenschaftliche und öffentliche Interesse. Gerade noch rechtzeitig, könnte man sagen, um die ersten tiefgreifenden Veränderungen in den Polarmeeren zu untersuchen. „In der Arktis und Antarktis wird sich zuerst zeigen, wie die Ozeanversauerung die Ökosysteme verändert. Denn Kohlendioxid löst sich am besten in kaltem Wasser“, erklärt Physiologe Dr. Felix Mark vom Alfred-Wegener-Institut. Wissenschaftler vermuten, dass bereits in diesem Jahrzehnt das Meer in Teilen der Arktis so viel Kohlenstoff aufgenommen haben wird, dass sich die Gehäuse kalkbildender Lebewesen langsam auflösen.  

Doch die Ozeanversauerung betrifft nicht nur die Polarregionen. Schon bald werden auch der Tourismus und die Fischerei ihre Auswirkungen spüren, wenn Korallenriffe schwinden und Fischbestände sich verändern. Deshalb steht die Ozeanversauerung „im Fokus“ vieler Wissenschaftler am Alfred-Wegener-Institut. Einige ihrer Projekte werden in dieser Rubrik vorgestellt.

(Kristina Bär)

Chemie der Ozeanversauerung (Foto: Sebastian Rokitta)
Framstraße Fram Strait
Besonders die Polarregionen sind von der Ozeanversauerung betroffen. (Foto: Sebastian Menze)