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Ein Umweltphysiker im Klimawandel

Zur Versauerung der Meere und Ozeane

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Der pH-Wert ist ein Maß für die Stärke der sauren bzw. basischen Wirkung einer wässrigen Lösung.

Die pH-Wert-Skala reicht von 1 (Batteriesäure) bis 15 (Natronlauge).

Die Einteilung erfolgt wie folgt:

pH < 7 : Lösung mit saurer Wirkung
pH = 7 : neutrale Lösung
pH > 7 : alkalische Lösung (basische Wirkung)

Seit Beginn der Industrialisierung haben die Weltmeere knapp die Hälfte des Kohlendioxids (CO2) aus der Verbrennung fossiler Energieträger aufgenommen. So u.a. eine Abschätzung von Kieler Meereswissenschaftlern. Während sich das CO2 in der Atmosphäre weitestgehend chemisch neutral verhält, also nicht mit anderen Gasen reagiert, ist es im Ozean chemisch aktiv. Gelöstes CO2 trägt zu einer Absenkung des pH-Wertes bei. Das Meer wird saurer. Dieser Effekt ist bereits messbar: Der pH-Wert des Oberflächenwassers der Meere ist von 8,2 im Mittel um 0,1 Einheiten gesunken.

Nach einer von der britischen Royal Society veröffentlichten Studie, die einen vorindustriellen pH-Wert des oberflächennahen Meerwassers von durchschnittlich 8,25 annimmt, soll sich der pH-Wert auf den heutigen Wert von durchschnittlich 8,14 verringert haben, also um 0,11 Einheiten (siehe Wikipedia).

Geschätzte Verringerung des pH-Werts an der Meeresoberfläche durch anthropogenes Kohlendioxid in der Atmosphäre zwischen ca. 1700 und den 1990er-Jahren. (Vergrößerung: Klick).

Wenn die weltweiten Kohlendioxid-Emissionen (CO2) unverändert weitersteigen, so schätzen die Kieler Wissenschaftler, dass der pH-Wert des Oberflächenwassers der Meere um weitere 0,4 Einheiten bis zum Jahr 2100 absinken könnte. Dazu die folgende Projektion.

 

Ein weiteres Modell aus den USA: Basierend auf Projektionen der anthropogenen CO2-Emissionen und des CO2-Gehaltes der Luft (oberer Teil der nachfolgenden Abbildung) haben Wissenschaftler aus den USA, unter Berücksichtigung der Tiefendurchmischung, zukünftige Veränderungen im pH-Wert der Ozeane modelliert (unterer Teil der nachfolgenden Abbildung). Info: Diese Abbildung stellt eines der schlimmstmöglichen Szenarien dar. [Quelle: Nature 425, 365 (25 September 2003)]

pH-Ozean1

Die anthropogenen CO2-Emissionen werden der Projektion nach um das Jahr 2100 ihr Maximum erreichen. Den Kohlenstoffkreislaufmodellen nach wird der CO2-Gehalt der Luft um das Jahr 2300 (mit einen Wert von 1900 ppm) sein Maximum erreichen (derzeit haben wir 380 ppm, vorindustriell hatten wir 280 ppm). Eine Erniedrigung des Oberflächen-pH-Wertes um –0,7 wird für 2250-2750 prognostiziert. Weitere Jahrhunderte wird es dauern, bis die „Versauerung“ des Oberflächenwassers durch Mischprozesse in abgeschwächter Form den tiefen Ozean erreicht. Also ein äußerst langwieriger Prozess, der mit der Tiefe gepuffert wird und über Jahrhunderte abläuft. Die Meeres-Flora und -Fauna hat also Zeit sich an die Veränderungen anzupassen und ist nicht schlagartig betroffen.

Anlage: pH-Wert und O2-Konzentration entlang eines Nord-Süd-Schnittes im Atlantik (Vergrößerung: Klick)

Zur Löslichkeit von Kalk im Ozean:

Kalk kann sich nur in einer Kombination aus basischem Umfeld, niedrigem Druck und höheren Temperaturen bilden. In jeder Meeresgegend gibt es so eine bestimmte Tiefe bis zu der sich Kalk bilden kann, darunter löst er sich auf. Heute liegt dieser so genannte Sättigungshorizont, in welchen sich Kalk bilden kann, in Bereichen zwischen 0,5 und 2,5 km Meerestiefe. In warmen Meeren nahe des Äquators bildet sich Kalk leichter, in kalten Meeren nahe den Polen weniger, dort ist auch der Sättigungshorizont am wenigsten tief.

Zwei Formen der Kalkablagerungen werden unterschieden: das Kalzit (Sättigungshorizont 1,5-5 km) und das weniger stabile Aragonit, dessen Sättigungshorizont näher zur Meeresoberfläche liegt (0,5-2,5 km). Die Korallen der südlichen Ozeane und die Meeresschnecken bestehen aus Aragonit.

Mit einer Erwärmung des Meerwassers verschiebt sich der Sättigungshorizont nach unten, mit einer Versauerung des Meerwassers (durch mehr CO2-Eintrag) verschiebt sich der Sättigungshorizont nach oben.

Die Geschichte der Paläoozeane:

Treibhausgase, CO2-Austoß, steigende Temperaturen in Ozean und Atmosphäre – klingt aktuell, muss es aber nicht sein: Ausgeprägte Warmphasen hat es in der Geschichte unseres Planeten schon häufiger gegeben. Wer allerdings im Klimaarchiv der Erde blättern will, das sich in den Sedimenten am Meeresboden Kapitel für Kapitel angesammelt hat, der muss manchmal tief bohren.

So geschehen vor der westafrikanischen Küste bei Namibia, wo James Zachos von der Universität von Kalifornien und sein Team mit dem Bohrschiff „Joides Resolution“ fünf Sedimentkerne erbohrten, die eindeutig von einer historischen Erwärmung zeugen. Der so gewonnene fossile Meeresboden wurde vor ungefähr 50 bis 55 Millionen Jahren abgelagert und beinhaltet den Übergang vom Paleozän ins Eozän.

Zachos und seine Kollegen untersuchten an den fünf Kernen den Kalkgehalt. Zu Zeiten der Warmphase, in denen die Temperaturen an Land wie im Wasser um mehrere Grad höher lagen, findet sich in den Sedimenten eine charakteristische Tonschicht. Sie entstand, weil sich auf Grund der höheren Kohlendioxidkonzentrationen der Atmosphäre auch ein größerer Anteil des Treibhausgases im Wasser löste. Durch seine Reaktion mit den Wassermolekülen bildeten sich jedoch Protonen, und der pH-Wert sank. Dies wiederum führte dazu, dass die Kalkschalen der Meeresorganismen, die sich sonst als Sedimentteppich ablagerten, bereits auf ihrem Weg in die Tiefe gelöst wurden und nie unten ankamen.

Die Wassertiefe, in der das passiert, wird mit fallendem pH-Wert immer geringer. Im Laufe der Zeit aber erholte sich der Chemismus wieder, denn gleichzeitig sorgte der niedrige pH-Wert auch für einen Nachschub von gelöstem Kalk vom Meeresboden, und Verwitterungsprozesse an Land lieferten ebenfalls Minerale nach, welche die Hydronium-Ionen neutralisierten. In den Sedimentschichten zeigt sich dies als langsam steigender Kalkgehalt in den jüngeren Ablagerungen.

An den fünf Bohrkernen konnten die Forscher nun ablesen, dass die Versauerung auf geologischen Zeitskalen gesehen unglaublich schnell wirkte: In weniger als 10 000 Jahren schnellte die Auflösungsgrenze für Kalk um mehr als 2000 Meter in Richtung Wasserspiegel nach oben. Bis sie wieder tief genug lag, dass Kalkschalen ungehindert den Meeresboden erreichen konnten, vergingen dagegen mindestens 100 000 Jahre.

Für dieses Ausmaß mussten unglaubliche Massen von Kohlenstoff im Wasser gelöst gewesen sein, erklären die Forscher – weit mehr als die bislang vermuteten 2000 Gigatonnen (was in etwa den anthropogenen Emissionen über 500 Jahre hinweg von 1750 – 2250 entsprechen würde). In einer Simulation errechneten sie mehr als das Doppelte. Doch woher kamen diese gewaltigen Mengen?

Bisher nahmen Wissenschaftler an, dass freigesetztes Methan (CH4) aus gefrorenen Tiefseeablagerungen, das schnell zu Kohlendioxid oxidiert wurde, mit dazu beitrug. Das allein dürfte allerdings nicht ausgereicht haben. Sie vermuten daher nun, dass auch die Umwandlung organisch gebundenen Kohlenstoffs sowie aus untermeerischen vulkanischen Schmelzen austretende Gase und Flüssigkeiten im Nordatlantik weiteres Kohlendioxid beziehungsweise Methan lieferten.

[Quelle: Science 308: 1611-1615 (2005)] [ZEIT.DE 10.06.2005]

Gehen wir noch weiter zurück in der Geschichte des Paläoozeans: Der Wandel vom Soda- zum Halit-Ozean im Proterozoikum. O2-Kurve stark vereinfacht. Nach Kempe et al. (1987), umgezeichnet aus Bahlburg & Breitkreuz (1998).

Eine nicht unumstrittene Hypothese besagt, dass der frühe Urozean stark alkalisch war („Modell des präkambrischen Soda-Ozeans“): Das Hauptsalz des Ozeans war damals Na2CO3, der pH-Wert war relativ hoch. Das Wasser war an CaCO3 sehr stark übersättigt. Diese Theorie wird u.a. aus bestimmten Massenbilanzen von der Zusammensetzung der Erdkruste, Verwitterungsprozessen usw. abgeleitet. Der im im Proterozoikum verlaufene Wandel vom Soda- zum Halit-Ozean beinhaltet eine schrittweise Abnahme gelöster Natriumkarbonate durch Aufnahme des Meerwassers in die Porenräume der Sedimente, chemischen Austausch zwischen Meerwasser und Kruste durch Zirkulation des Wassers durch die Kruste, Subduktion und damit zusammenhängende tektonisch-magmatische Prozesse sowie biogene Reduktion zu organischem C mit anschließender Einlagerung desselben in Sedimente und Kruste.

Gleichzeitig erfolgte durch verschiedene Prozesse eine ständige Zufuhr von HCl, die den pH-Wert des Ozeans von basisch nach schwach sauer verschob, mit allen daraus abzuleitenden Folgen wie heutigem NaCl-Gehalt, verändertem pH-Wert, Oxidation von 2- zu 3-wertigem Eisen, Sulfatstabillität und – vor allem für die Lebewesen wichtig – Wechsel von Na- zu Ca- und Mg-Dominanz. Verbunden mit dieser Theorie ist auch die Meinung, dass dadurch vor ca. 550 Ma (oder etwas früher) erst die Entwicklung von Kalkschaler im Meer möglich geworden war (kambrische Explosion). [www.geophysik.uni-kiel.de]

Written by admin

Donnerstag, 6 März, 2008 um 13:23

Veröffentlicht in Klimawandel, Nicht kategorisiert

8 Antworten

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  1. Kann eigendlich das Schwefeldioxid auch an der Versauerung der Meere aktuell beteiligt sein, da es zusammen mit Wasser und Sauerstoff Schwefelsäure bildet?
    Oder ist die Auswirkung dieses Eingriffes des Menschen auf die Natur viel zu gering, um Meere zu versauern?

    Kohleverfluessigungs-Investor

    Donnerstag, 6 März, 2008 at 14:48

  2. Gute Frage. Natürlch kann es beteiligt sein, die Frage ist nur, wie gross der Effekt ist.

    Der Eintrag von Kraftwerken ist bei uns wohl zu vernachlässeigen, die werden inzwischen ja alle entschweftelt. Benzin und Diesel enthalten auch schon länger keinen Schwefel mehr.

    (negativer Nebeneffekt ist, dass man inzwischen in der landwirtschaft wieder Schwefel als Dünger zugeben muss. Das brauchte man lange nicht. Viele Böden im Osten von Deutschland habe wegen der Luftverschmutzung in der DDR heute noch ausreichde Mengen an Schwefel gespeichert)

    Der Schwefel, welcher aus dem Rauchgas von Kraftwerken entfernt wird, wird zu Gips verarbeitet.

    Der Schwefel aus Benzin und Diesel wird anderen Erdölfraktionen zugegeben. So wird ein Großteil des abgetrennten Schwefels unter das schwere Heizöl gegeben, welches dann als Schiffsdiesel auf den Ozenanen verbrannt wird (Beim Schiffsdiesel gibt es keine Schwefelgrenzwerte).

    Ob diese mengen allerdings ausreichen, um einen nennenswerten Beitrag zur Absenkung des pH-Wertes zu leisten, kann ich nicht sagen.

    Rainer

    Donnerstag, 6 März, 2008 at 15:33

  3. warum ist die lösung von Na2CO3 stark alkalisch?

    elisa

    Donnerstag, 6 März, 2008 at 18:30

  4. @Elisas
    Weil CO3 Carbonat ist und die Wirkung von Carbonaten in Salzen sehr schwach sauer ist.
    Natrium-Ionen dagegen sind sehr starke alkalisch wirkende Ionen.
    Deswegen ist Natriumcarbonat alkalisch wenn es im Wasser gelöst wird.

    Kohleverfluessigungs-Investor

    Donnerstag, 6 März, 2008 at 19:32

  5. @Kohleverfluessigungs-Investor #4
    Richtig, als Ergänzung sei an NaOH erinnert, eine sehr starke (Natron)lauge / Nariumhydoxid.

    krishnag

    Donnerstag, 6 März, 2008 at 20:28

  6. Zitat: „Nach einer von der britischen Royal Society veröffentlichten Studie, die einen vorindustriellen pH-Wert des oberflächennahen Meerwassers von durchschnittlich 8,25 annimmt, soll sich der pH-Wert auf den heutigen Wert von durchschnittlich 8,14 verringert haben, also um 0,11 Einheiten.“

    1:1 und ohne Quellenangabe aus dem Wikipedia-Artikel Versauerung der Meere abgeschrieben. Tsts. Allerdings von einer Version mit einem Fehler, wie ghw neulich mal erklärt hat. Die Studie stammt in Wirklichkeit von der Stanford University, wie die aktuelle Version des Artikels verrät. Macht aber nix, den Fehler hab ich schließlich selber in den Artikel eingebaut und erst vor wenigen Tagen korrigiert.

    Ansonsten glückwunsch, der erste Beitrag in Deinem Blog den ich informativ finde!

    Nils Simon

    Freitag, 7 März, 2008 at 09:49

  7. Beim Lesen des Artikels sind mir noch einíge Dinge Aufgefallen.

    Ganz oben ist angegeben, dass pH-Werte sich zwischen 1 und 15 bewegen können. pH ist definiert als pH=-log(c[H+]), also der negative dekadische Logharhytmus der Wasserstoffionenkonzentration. Dieser Wert kann dann auch größer 15 oder kleiner als 0 sein. Das allerdings mehr am Rande.

    Bei der Betrachtung von der ersten Abbildung (pH, CO2, CO32-) stellt sich mir die Frage, ob die Pufferwirkung von Carbonat hier überhaupt berücksichtigt wurde. Der pH sinkt mit steigender CO2 Konzentration (und damit wohl steigender H+-Ionenkonzentration aus der Kohlensäure) linear ab. Das kann (gerade in diesem pH-Bereich) eigentlich nicht sein. Es handelt sich nämlich genau um den Pufferbeireich des Carbonat-Puffers.

    Ein Puffer entsteht, wenn man eine schwache Base oder Säure in Wasser löst. Diese Lösung ist dann in der Lage im Pufferbereich auf Eintrag von Säure oder Base sehr träge zu reagieren. Der H-Wert ändert sich bei Zugabe dann nur sehr wenig. Für den Karbonatpuffer ist das hier sehr anschaulich dargestellt:

    Simulation of Sodium Carbonate Titration

    Der Karbonat-Puffer liegt im Bereich von 6,2-8.6. lässt man diesen für die Betrachtung unberücksichtigt, führt das zu unsinnigen und sehr falschen Ergebnissen.

    Ist die Veröffentlichung aus der die Abbildung stammt verfügbar? Wird darin neben der Pufferwirkung außerdem auf die geringe Dissoziation von CO2 zu Kohlensäure eingegengen? (eine schöne Übersicht, was alles passiert, wenn man CO“ in Wasser löst gibt es hier) Würde mich ja mal interessieren…

    Rainer

    Freitag, 7 März, 2008 at 10:17

  8. (offtopic)
    @Nils Simon
    Mal wieder ein typisches Zeichen der Ökokommunisten: Neid
    klimakatastrophe.wordpress.com hatte in wenigen Monaten 2000 Besucher mehr, als „globale Umweltpolitik“
    Das wundert auch niemanden, denn auf „globale Umweltpolitik“ wird das, was nicht in den Ökokommjunismus passt einfach zensiert, damit man eine schöne homogene Meinung im Blog hat.
    Nur schade für Nils, dass Blogs von der Kontroverse und der Diskussion leben.
    Doch wenn nur eine Meinung veröffentlicht und gedultet wird, dann langweilt das die Leute eben ein bisschen.
    Ausser Ökologisten scheint „globale Umweltpolitik“ niemanden zu interessieren, naja vllt. Leute die sich vielleicht mal mit der Hypothese beschäftigen wollen: „Was wäre, wenn wir eine ökologistische Planwirtschaft einführen würden?“
    Dass wir mit unserer Energieeinsparungspolitik Chinas und Amerikas Verschwendungspolitik besonders auf Kosten der sozial schwachen finanzieren interessiert natürlich niemanden.

    Kohleverfluessigungs-Investor

    Freitag, 7 März, 2008 at 14:19


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