FAQ 3.3 | Wie hängt die anthropogene Ozeanversauerung mit dem Klimawandel zusammen?

Sowohl der anthropogene Klimawandel als auch die anthropogene Ozeanversauerung  werden  durch zunehmende Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre bedingt. Steigende Gehalte von Kohlendioxid (CO2) und anderen Treibhausgasen verändern zusammen indirekt das Klimasystem, indem sie Wärme, die von der Erdoberfläche reflektiert wird,  zurückhalten. Die anthropogene Ozeanversauerung  ist eine direkte Konsequenz zunehmender CO2-Konzentrationen, da Meerwasser momentan rund  30 % des anthropogenen CO2 aus der Atmosphäre  aufnimmt.

Ozeanversauerung bezieht sich auf eine Abnahme des pH-Werts über einen längeren Zeitraum, meist Jahrzehnte oder länger, primär verursacht durch die Aufnahme von CO2 aus der Atmosphäre. pH ist ein dimensionsloses Maß des Säuregehalts. Ozeanversauerung beschreibt  eher die Richtung  der pH-Wert-Änderung als den Endpunkt.  Das bedeutet, dass der pH-Wert des Meeres zwar  abnimmt, es aber nicht erwartet wird, dass er saure Werte annimmt (pH < 7). Ozeanversauerung  kann  auch durch  andere chemische Zugaben oder Entnahmen verursacht werden, die natürlichen Ursprungs (z. B. erhöhte Vulkanaktivität, Methanhydrat-Freisetzung, langfristige Änderungen der Netto- Atmung) oder anthropogen sind (z. B. Freisetzung von Stickstoff-  und  Schwefelverbindungen in die Atmosphäre). Anthropogene Ozeanversauerung  bezieht sich auf denjenigen Anteil  der pH-Verringerung, der durch Aktivitäten des Menschen verursacht wird.

Seit etwa 1750 hat die Freisetzung von CO2 aus Industrie  und Landwirtschaft zu einem Anstieg  der mittleren globalen atmosphärischen CO2-Konzentrationen von 278 auf 390,5 ppm im Jahr 2011 geführt. Die atmosphärische CO2-Konzentration ist somit heute auf der Erde höher als jemals zuvor in mindestens den letzten  800 000 Jahren, und es wird  erwartet, dass sie aufgrund unserer Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen  für  die Energiegewinnung weiter  ansteigen wird.  Bis heute haben die Ozeane etwa 155 ± 30 PgC aus der  Atmosphäre  aufgenommen, was ungefähr einem Viertel der gesamten CO2-Menge (555 ± 85 PgC) entspricht,  die durch Aktivitäten des Menschen seit vorindustriellen Zeiten emittiert wurde. Dieser natürliche  Absorptionsprozess  hat  das Niveau der  Treibhausgase in der Atmosphäre  maßgeblich reduziert und  einige  Folgen  der globalen  Erwärmung  verringert. Allerdings  hat die Aufnahme von CO2 durch den Ozean einen erheblichen  Einfluss auf die Chemie des Meerwassers. Der mittlere pH-Wert  des Meeresoberflächenwassers ist bisher bereits um ungefähr 0,1 Einheiten gesunken, von etwa 8,2 auf 8,1 seit Beginn der Industriellen Revolution. Schätzungen von projizierten  zukünftigen atmosphärischen  und ozeanischen CO2-Konzentrationen deuten darauf hin, dass bis Ende diesen Jahrhunderts der mittlere pH-Wert der Meeresoberfläche  um 0,2 bis 0,4 niedriger sein könnte  als heute.  Die pH-Skala ist logarithmisch, sodass eine Änderung um eine Einheit  einer  zehnfachen  Änderung der Wasserstoffionenkonzentration entspricht.

Wenn atmosphärisches CO2 an der Grenzfläche zwischen Luft  und  Meer  ausgetauscht  wird,  reagiert es mit  dem Meerwasser in einer Reihe von vier chemischen  Reaktionen,  wodurch   die  Konzentration  der Kohlenstoffverbindungen – gelöstes Kohlendioxid (CO2(aq)), Kohlensäure (H2CO3) und  Bikarbonat (HCO3-) – ansteigt:

Bei diesen Reaktionen werden Wasserstoffionen (H+) gebildet. Dieser Anstieg der Wasserstoffionenkonzentration des Ozeans entspricht einer Reduktion des pH-Werts, oder einem Anstieg des Säuregehalts. Unter normalen Meerwasserbedingungen verbinden sich mehr als 99,99 % der entstehenden Wasserstoffionen mit Karbonationen (CO32–) und bilden zusätzliches HCO3.

Demnach senkt die Zugabe von anthropogenem COin die Meere den pH-Wert und verbraucht Karbonationen. Diese Reaktionen sind vollständig umkehrbar und die grundlegende Thermodynamik dieser Reaktionen in Meerwasser sind gut bekannt – beispielweise liegt bei einem pH-Wert von etwa 8,1 circa 90% des Kohlenstoffs als Bikarbonationen vor, 9 % als Karbonationen und nur 1 % des Kohlenstoffs als gelöstes CO2. Ergebnisse aus Labor, Feld- und Modellstudien sowie Hinweise aus geologischen Aufzeichnungen weisen eindeutig darauf hin, dass marine Ökosysteme höchstempfindlich auf den Anstieg des CO2-Gehalts im Meer und die daraus folgenden Abnahmen des pH-Werts und der Karbonationen reagieren.

Der Klimawandel und die anthropogene Ozeanversauerung geschehen nicht unabhängig voneinander. Auch wenn das CO2, das durch die Meere aufgenommen wird, nicht zum Treibhauseffekt beiträgt, reduziert die Erwärmung der Meere die Löslichkeit von Kohlendioxid in Meerwasser. Dadurch reduziert sich die Menge des CO2, das die Ozeane aus der Atmosphäre aufnehmen können. Verdoppelt man beispielsweise die vorindustrielle CO2-Konzentration und erhöht die Temperatur um 2 °C, würde Meerwasser 10% weniger CO2 aufnehmen (10% weniger Gesamtkohlenstoff, CT) als ohne Temperaturanstieg (vergleiche Spalten 4 und 6 in FAQ 3.3, Tabelle 1), der pH-Wert bliebe aber nahezu gleich. Also hat ein wärmerer Ozean weniger Kapazität, CO2 aus der Atmosphäre aufzunehmen, würde jedoch weiterhin versauern. Der Grund dafür ist, dass Bikarbonat im wärmeren Ozean zu Karbonat umgewandelt wird und dabei ein Wasserstoffion freigesetzt wird, das den pH-Wert stabilisiert.

FAQ 3.3, Abbildung 1 | Eine geglättete Zeitreihe des atmosphärischen CO2-Stoffmengenanteils  (in ppm) am atmosphärischen Mauna Loa Observatorium (obere rote Linie), des Meeresoberflächenpartialdrucks  von CO2 (pCO2; mittlere blaue Linie) und des pH-Wertes an der Meeresoberfläche (untere grüne Linie) an der Station ALOHA im subtropischen Nordpazifik nördlich von Hawaii für den Zeitraum 1990–2011 (nach Doney et al., 2009; Daten von Dore et al., 2009). Die Ergebnisse zeigen, dass der Trend des CO2-Partialdrucks an der Meeresoberfläche grundsätzlich mit dem atmosphärischen Anstieg konsistent ist, als Folge der großräumigen Jahr-zu-Jahr-Variabilität ozeanischer Prozesse aber variabler ist.

FAQ 3.3, Tabelle 1 | Änderungen des pH-Werts und der Parameter des Kohlenstoffsystems im ozeanischen Oberflächenwasser bei einer Verdopplung des CO2-Gehalts gegenüber der vorindustriellen Atmosphäre ohne und mit einer Erwärmung von 2 °Ca.

Anmerkungen:
CO2(aq) = gelöstes Kohlendioxid, H2CO3 = Kohlensäure, HCO3 = Bikarbonat, CO32 = Karbonat, CT = Gesamtkohlenstoff = CO2(aq) + HCO3 + CO32–).

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Diese deutsche Übersetzung sollte zitiert werden als:

IPCC 2014: Klimaänderung 2013: Naturwissenschaftliche Grundlagen. Häufig gestellte Fragen und Antworten – Teil des Beitrags der Arbeitsgruppe I zum Fünften Sachstandsbericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) [T.F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex und P.M. Midgley (Hrsg.)]. Deutsche Übersetzung durch die deutsche IPCC-Koordinierungsstelle und Klimabüro für Polargebiete und Meeresspiegelanstieg, Bonn, 2017.