Dienstag, 13. Januar 2015

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

Hier gibt es eine sehr interessante Einführung in die Ozeanversauerung:

Von   von der Website http://www.science-skeptical.de/
sauerBei EIKE ist gerade wieder eine heiße Debatte zwischen Klimaschützern und Klimaspektikern über die sogenannte “Versauerung” der Ozeane entbrannt. Die Klimaschützer machen darauf aufmerksam, dass durch den CO2-Eintrag der pH-Wert der Ozeane sinkt und diese dadurch saurer werden und das sich negativ auf die Meeresfauna auswirkt. Die Klimaskpetiker weisen hingegen darauf hin, dass die Ozeane einen pH-Wert um 8 haben und damit basisch und nicht sauer sind und dieses auch so bleiben wird. Weiter wird behauptet: “Dabei ist die Behauptung der angeblichen pH-Wert-Reduzierung eine nicht minder unseriöse Behauptung. Denn es gibt kein globales pH-Messnetz, das es erlauben würde, eine solche Behauptung zu belegen.” Oder: “Es gibt keine Versauerung sondern – und auch das nur mutmaßlich, weil die Messungen sowohl zeitlich als auch örtlich viel zu lückenhaft sind – nur eine geringe Verminderung des pH-Wertes.” Ich denke auch hier ist mal wieder Aufklärungsarbeit von Nöten.



Vorweg erst einmal: Natürlich gibt es ein globales pH-Messnetz, denn seit Jahrzehnten befahren Forschungsschiffe Jahr für Jahr die Weltmeere und nehmen dabei mit Wasserschöpfern Wasserproben, anhand derer und/ oder mit zusätzlichen pH-Sensoren der pH-Wert bestimmt wird. Und das von der Meeresoberfläche bis zum Meeresboden. Dabei stellt sich heraus, dass der pH-Wert in den Weltozeanen sinkt, diese also saurer werden.
Nun zum Thema, der “Ozeanversauerung”: 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. Werte > 7 werden 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”.  (Zur Ergänzung diese Abbildung).
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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.
delta-pH
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.
pH-Kiel
Ein anderes Modell aus den USA prognostiziert eine Erniedrigung des Oberflächen-pH-Wertes um 0,7 Einheiten bis in den Zeitraum 2250-2750 AD.
ph-modell
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.
Scheefallgrenze-Kalk
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.
pH-Oceans
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.
Partialdruck-CO2
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).
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.
Muschelkalk
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.
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.
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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.
devonriff
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.
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.
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).
ph-ozean3
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).
P.S.: Messwerte: CO2-Anstieg in Atmosphäre und Ozean und sinkender pH-Wert im Ozean.
CO2-pH

Kommentare:

  1. Interessant ist auch die darauffolgende Diskussion, die sich auf science-skeptical-blog entspinnt.

    http://www.science-skeptical.de/klimawandel/versauerung-der-meere-reale-bedrohung-oder-nicht-mehr-als-panikmache/0012876/

    Bob Tisdale schrieb Anfang des Jahre 2015 eine Betrachung übe CO2 im Meerwasser, die er wie folgt abschloss:

    Der ozeanographische Datensatz bestätigt die graduelle pH-Abnahme, bietet aber vor 1960 nicht genug Daten, um uns viel über irgendetwas zu sagen. Wie gewöhnlich liegt das Problem darin, dass Änderungen infolge CO2 so gering sind, dass es schwierig ist, sie aus irgendetwas herauszulesen außer aus dem genauesten aller Datensätze. Das heißt nicht, dass wir die vorhandenen ozeanographischen Messungen nicht nutzen können … es heißt nur, dass wir hinsichtlich deren Verwendung sehr vorsichtig sein müssen.

    http://www.eike-klima-energie.eu/news-cache/eine-neutrale-betrachtung-von-ozeanischem-ph/

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  2. Ich habe mir erlaubt, bis auf weiteres die Kommentarfunktion auf meinem Blog für spätere Hinzufügungen zu benutzen, oder um auf solche hinzuweisen. Rechtschreibfehler werde ich kommentarlos ändern.

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