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Ein Umweltphysiker im Klimawandel

“Versauerung” der Meere: Reale Bedrohung, oder nicht mehr als Panikmache?

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Gastbeitrag von Michael Krüger, auch erschienen bei Readers Edition.

Ein wichtiges Thema in der Argumentation zu den negativen Auswirkungen des CO2-Anstiegs, ist dessen verstärkte Aufnahme im Meer, wodurch der pH-Wert des Meerwassers fallen und dadurch zahlreiche Kleinstlebewesen, die Kalkschalen und Kalkskelette bilden, verschwinden und mit diesen auch die Korallengebiete der Meere bedroht seien. Inwieweit diese Befürchtungen berechtigt sind, möchte ich hier diskutieren.

pH-Wert

Der pH-Wert gibt die Stärke einer sauren, bzw. basischen Wirkung in einer wässrigen Lösung an. Er wird als logarithmische Größe in dem Skalenfeld 0 – 14 angegeben. Der Mittelwert “7“ gilt als neutral. Die Werte 7 als basisch bezeichnet. Was viele nicht wissen: Meerwasser ist mit einem Wert von 7,5 – 8,4 nicht sauer, sondern leicht basisch.

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 weniger alkalisch, oder relativ gesehen “saurer”. 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.

Wenn die weltweiten Kohlendioxid-Emissionen unverändert weiter ansteigen, so schätzen Kieler Wissenschaftler, dass der pH-Wert des Oberflächenwassers der Meere um weitere 0,4 Einheiten bis zum Jahr 2100 absinken könnte.

Ein anderes Modell aus den USA prognostiziert eine Erniedrigung des Oberflächen-pH-Wertes um 0,7 Einheiten bis in den Zeitraum 2250-2750 AD.

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. Das sagen zumindest die aktuellen Modelle.

Löslichkeit von Kalk im Ozean

Entscheidend für die Bildung von Kalkschalen und Kalkskeletten der Kleinstorganismen ist die Löslichkeit von Kalk in den Ozeanen. 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 (der so genannte Sättigungshorizont, oder die so genannte “Schneefallgrenze”), 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.

Es wird nun befürchtet, dass sich durch den zunehmenden Eintrag von CO2 und der damit verbundenen vermehrten Aufnahme in Wasser (CO2 kann solange im Wasser aufgenommen werden, bis beide den gleichen Partialdruck haben, was noch lange nicht der Fall ist), der pH-Wert abgesenkt wird und damit auch der Sättigungshorizont angehoben wird, was zur Zerstörung der Kleinstlebewesen und Korallenbänke führt. Wie sieht aber die Realität aus?

pH-Wert der Welt-Ozeane

Der pH-Wert der Weltozeane weist keinen konstanten Wert auf, sondern schwankt stark, sowohl regional, als auch mit der Tiefe und damit auch die Tiefenlage des Sättigungshorizonts. An diese natürlichen Schwankungen sind die Meeresorganismen gut angepasst.

Das Europäische Nordmeer zwischen Grönland, dem Nordkap und Spitzbergen weist den höchsten pH-Wert auf, ist also von allem Meerwasser am basischsten. Den niedrigsten Wert findet man dagegen im tropischen Ostpazifik vor der Küste Mittelamerikas (ein besonders nährstoffreiches und fischreiches Auftriebsgebiet).

Die Ursachen

Die Theorie der “Versauerung” der Meere betrachtet, wie i.ü. auch die anderen Theorien der treibhausgasbasierten Erwärmung nur eine Ursache (den anthropogenen CO2-Eintrag), unter der Prämisse, dass alles andere gleich bleibt. Aber ist das wirklich so?

Der pH-Wert des Wassers wird nicht nur von der Löslichkeit des CO2 bestimmt, sondern auch noch von der Temperatur, dem Salzgehalt und diversen weiteren Wechselwirkungsprozessen.

Mit einer “Versauerung” des Meerwassers (durch mehr CO2-Eintrag) verschiebt sich der Sättigungshorizont zum einem nach oben. Zum anderem verschiebt sich mit einer Erwärmung des Meerwassers der Sättigungshorizont nach unten. Die Effekte wirken also genau entgegengesetzt. Eine steigende Temperatur des Meerwassers und dies wird ja immer von den Verfechtern des anthropogenen Klimawandels angeführt, “puffert” also den Rückgang des pH-Wertes. Reduziert sich der pH-Wert des Meerwassers, so wird zudem aus den Bodenschichten Kalk gelöst, der den pH-Wert wieder ansteigen lässt.

Auch das Lösen von Salzen in Wasser kann sich auf den pH-Wert auswirken. Verändert das Salz den pH-Wert nicht, spricht man von neutralen Salzen. Zu den neutralen Salzen zählt auch das Natriumchlorid, woraus Meersalz zum überwiegenden Anteil besteht. Andere Salze heben oder senken den pH-Wert. Man spricht von basischen oder sauren Salzen.

Des Weiteren sind die Partialdrücke von CO2 in Luft und Wasser für die CO2-Löslichkeit entscheidend. Diese befinden sich nicht im Gleichgewicht. Vielmehr ist der Ozean in den Tropen bezüglich CO2 tendenziell übersättigt, in höheren Breiten untersättigt.

Auch die Bioproduktivität, sowie Winde, Meeresströmungen, Auftriebs- und Abtriebsgebiete wirken sich auf den pH-Wert der Welt-Ozeane aus. Eine wesentliche Quelle von CO2 in der Tiefsee ist die bakterielle Zersetzung organischer Materie. Der größte Teil dieser Zersetzung erfolgt bereits in der Wassersäule, ein gewisser Anteil sinkt zum Meeresboden. Je mehr organisches Material in der Wassersäule und am Meeresboden verwest, desto “saurer und aggressiver” verhält sich das Wasser. Da dieser Effekt über die Zeit akkumuliert, wirkt altes Bodenwasser “aggressiver”. Über das globale Zirkulationsband der Welt-Ozeane breitet sich das im Nordatlantik absinkende Wasser, welches das Tiefenwasser bildet, bis in den Nordpazifik aus. Dort findet sich somit das “älteste und aggressivste” Wasser. Das Tiefenwasser verhält sich auch dort besonders “agressiv”, wo viel Biomasse in der photischen (lichtreichen) Zone erzeugt wird und dementsprechend mehr organisches Material in die Tiefsee vertikal exportiert wird.

Es gibt also viele Einflussfaktoren, die sich auf den pH-Wert und den Sättigungshorizont für Kalk in den Weltmeeren auswirken. Der anthropogene Eintrag von CO2 ist nur einer. Das sich auch unter hohen atmosphärischen CO2-Konzentrationen Lebewesen mit Kalkschalen und Kalkskeletten und Riffe bilden können und konnten, lehrt uns die Erdgeschichte.

Was wir aus der Erdgeschichte lernen können

Ein Blick zurück in die Erdgeschichte zeigt, was es mit der Aussage, der anthropogene Eintrag von CO2 in Meerwasser, würde die Korallenriffe und ganze Ökosysteme zerstören, auf sich hat.

Im Trias (vor rund 240 Millionen Jahren) entstand der so genannte Muschelkalk („Kalk der Muschelschalen enthält oder aus Muschelschalen aufgebaut ist“). Nach ihm ist die mittlere der drei lithostratigraphischen Gruppen der Germanischen Trias benannt. Das Norddeutsche Becken (Germanische Becken) bildete seinerzeit ein flaches, 200 bis 300 Meter tiefes, damals äquatornah gelegenes Meer (das Muschelkalkmeer).

Es herrschten Temperaturen vor, die einige Grad über der heutigen lagen. Die fossile Lebenswelt des Muschelkalkmeers (wie Schwämme, Korallen, Armfüßer, Muscheln, Schnecken, Kopffüßer, Krebse, Seesterne, Seelilien, Haifische, Knochenfische, Meeresechsen) weist auf tropisch warme Verhältnisse hin. Zunächst einmal also ideale Bedingungen für Lebewesen die Kalkschalen und Kalkskeletten bilden können.

Allerdings hat der CO2-Gehalt der Atmosphäre in der “Muschelkalk-Zeit” rund 1.500 ppm (CO2-Teile pro eine Million Luftteilchen) betragen, was in etwa dem vierfachen des heutigen Gehaltes entspricht. Eigentlich hätte infolge einer “Versauerung” der Meere, also kein Muschelkalk im heutigen Deutschland gebildet werden können. (Siehe Videobeitrag des Landespolitischen Sprechers für Umwelt- und Naturschutz (BVB) ab 4:50 min.).

Die “Muschelkalk-Zeit” belehrt uns aber eines Besseren. Kalkalgen und Korallen bauen mächtige Riffe auf (z.B. der kalkigen Ostalpen). Die ehemals 1000 km breiten Riffgebiete wurden bei der Bildung der Alpen auf 150 km zusammengepresst und in luftige Höhen gehoben. Aus dieser Zeit gibt es viele versteinerte Uferzonen zu finden. Rippenmarken, die durch die Wellenbewegungen entstanden sind, haben sich in versteinerter Form bis heute erhalten. In Deutschland und ganz besonders bei Würzburg im Maintal ist der Wechsel vom roten Buntsandstein zum strahlend weißen Kalksteinfelsen zu beobachten.

Ein weiteres Beispiel in erdgeschichtlicher Zeit liefert das Paläozoikum (Kambrium bis Perm/ der Zeitraum von ca. 542 Millionen Jahre bis ca. 251 Millionen Jahre vor heute). Im Paläozoikum lag der CO2-Gehalt der Atmosphäre zumeist um ein Vielfaches höher als heute, trotzdem gab es ausgedehnte Korallenbänke. Die größten jemals aufgetretenen Riffgebiete gab es im Devon, einer Zeit in dem der CO2-Gehalt der Atmosphäre rund 2.000 ppm betragen hat, was in etwa dem fünffachen des heutigen Gehaltes entspricht.

Während des Devon (vor rund 370 Millionen Jahren) war ein großer Teil Europas einschließlich des Bereichs der heutigen Eifel bis weit in den Aachener Raum von einem flachen, 100 bis 200 tiefen, damals äquatornah gelegenen Meer bedeckt, dem Devonmeer. Das Klima war warm. Die Klimaverhältnisse waren mit denen der heutigen Südsee vergleichbar.

Der hohe Kalkgehalt des warmen Meerwassers begünstigte das Wachstum von Lebewesen, die auf Kalk angewiesen waren: Muscheln, Krebse, Trilobiten, Brachiopoden, Schnecken und Tintenfische sowie Schwämme und Korallen. Im flacheren Bereichen des Meeres entstanden Lagunen und Korallenriffe. Von vielen dieser Tiere, die im Devonmeer lebten, sind teils heute noch die harten Kalkteile erhalten, z.B. die Schalen von Muscheln oder Brachiopoden, die Gehäuse von Schnecken oder die Stützskelette von Korallen und Stromatoporen. Als sich am Ende des Devons vor 359 Millionen Jahren das Land durch gewaltige tektonische Kräfte hob und das Devonmeer zurückging, faltete sich der ehemalige Meeresboden zu Gebirgszügen auf. Die dem Grund des Meeres aufsitzenden Stromatoporen- und Korallenriffe und die abgelagerten Kalkschlämme wurden duch den Druck der Gebirgsbildung und durch die dabei entstehenden Temperaturen zu festem Kalkstein. Im Aachener Raum erreichen die devonischen Kalke Mächtigkeiten von 600 bis 800 m.

Im Anbetracht dieser Tatsachen, sollte mehr Nüchternheit in der Debatte um die so genannte “Versauerung” der Meere einkehren.

Quellen

Wikipedia: Trias

Wikipedia: Muschelkalk

Wikipedia: Salze (pH)

Archäologie-Holzheim: Trias (Muschelkalk)

Leben und Sterben im Muschelkalmeer

Der Kalksteinbruch Schmithof bei Aachen: Eine Zeitreise ins tropische Devon

Die mitteldevonischen Massenkalke des Rheinischen Schiefergebirges

Versauerung der Meere

Versauerung der Meere und Ozeane

Ozeanversauerung: Fakten

Atmospheric release of CO2 from the burning of fossil fuels may give rise to a marked increase in ocean acidity

Vorlesung Chemische Sedimente

Written by admin

Montag, 22 November, 2010 um 16:59

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