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Treibhauseffekt und Ozean

Für das globale Klima bedeutend ist der Austausch von Gasen zwischen Ozean und Atmosphäre und insbesondere der des Treibhausgases Kohlendioxid, dessen Konzentration in der Atmosphäre gerade mal 0,035 Prozent beträgt – mit steigender Tendenz. Es ist dennoch für die zukünftige Entwicklung des Klimas von großer Bedeutung.

 

Die Besonderheit dieses Gases besteht darin, das es im Meer in drei verschiedenen Formen vorliegt: als gelöstes Kohlendioxid-Gas (CO2), als Hydrogenkarbonat (HCO3) und als Karbonat (CO3). Bei gleicher CO2-Konzentration im Oberflächenwasser und der darüber liegenden Luft befindet sich der Austausch im Gleichgewicht. Da aber ein Teil des CO2 im Wasser in HCO3 und CO3 umgewandelt wird, vermag das Meer viel mehr Kohlendioxid zu speichern als die Atmosphäre.

 

Die physikalische Kohlenstoff-Pumpe

Je kälter das Meerwasser, desto mehr CO2 löst sich darin. Während die tropischen und subtropischen Meere Kohlendioxid in die Atmosphäre entlassen, lösen sich große Mengen des Treibhausgases in den polaren Meeren. Von besonderer Bedeutung für die physikalische Pumpe sind daher die Zonen der Tiefenwasserbildung, die Grönlandsee und der Antarktische Ozean, in denen mit dem absinkenden Oberflächenwasser das gelöste CO2 in die Tiefe gerissen und der Atmosphäre für mehrere hundert Jahre entzogen wird – so lange dauert es, bis das Tiefenwasser durch Auftriebsereignisse irgendwo wieder an die Oberfläche gelangt.

 

Die biologische Kohlenstoff-Pumpe

Mit der Kohlendioxidaufnahme durch die Photosynthese der Algen wird dem Meerwasser gelöstes CO2 entzogen. Gerade in solchen Meeresgebieten, wo es zu Massenvermehrungen der Algen kommt, vermag das tierische Plankton die Algenproduktion nicht aufzufressen. Und nachdem die Algen die für ihr Wachstum notwendigen Nährstoffe wie Nitrat und Phosphat aufgezehrt haben und nicht weiter wachsen können, sterben sie ab und sinken zum Meeresgrund – das in ihren Zellen gebundene Kohlendioxid nehmen sie als organischen Kohlenstoff mit in die Tiefsee und entziehen es so dem atmosphärischen Kreislauf.

 

Die Kalk-Gegenpumpe

Die dritte, die „Kalk-Gegenpumpe“ wirkt den beiden anderen Pumpen entgegen und führt zur Freisetzung von Kohlendioxid in die Atmosphäre. Sie nimmt ihren Anfang in der Bildung von Kalkschalen mariner Lebewesen, vor allem der Korallen und planktischen Kalkalgen. Denn obwohl es so erscheint, dass die Kalkbildung große Mengen Kohlendioxids fest bindet, ist das Gegenteil der Fall: Bei der Kalkbildung entsteht CO2. Dies ist durch die chemische Reaktion bedingt, bei der aus zwei HCO3 je ein Molekül Kalk (CO3), Wasser und CO2 entstehen. Kalkbildung führt daher zu einer Erhöhung der CO2-Konzentration im Meer, die sich mit der Atmosphäre ausgleicht, indem Kohlendioxid freigesetzt wird. Jüngste Berechnungen zeigen, dass die Kalkbildung der Korallenriffe etwa viermal so hoch ist wie die der Kalkalgen. Da die Riffe in warmen Flachmeeren liegen, kommt noch hinzu, dass die Löslichkeit von Kohlendioxid im warmen Wasser gering ist und das Gas umso rascher das Meerwasser verlässt.

 

Erwärmung der Erdatmosphäre und die Folgen

So bestehen zwischen Kohlenstoffhaushalt des Meeres und Klima komplizierte Rückkopplungsprozesse. Im Fall einer Erwärmung durch den Treibhauseffekt kann weniger CO2 im Ozean gelöst werden. Die „physikalische Pumpe“ wird weiter geschwächt, weil sich durch die Erwärmung des Wassers und rückläufigen Salzgehalt aufgrund schmelzender Gletscher und Polkappen die Tiefenwasserbildung in den polnahen Gewässern verringert – das Oberflächenwasser wird zu warm und zu leicht, um abzusinken.

 

Auch führt die Erwärmung zu einer erhöhten Stabilisierung der Wasserschichtung im Meer. Weniger Nährstoffe aus tieferen Schichten werden an die Oberfläche gemischt, was die Produktivität der Algen und damit die Wirkung der „biologischen Pumpe“ reduziert. Die Produktion des die Wolkenbildung fördernden Dimethylsulfids durch Algen lässt ebenfalls nach. Eine Zunahme verheerender Wirbelstürme wird durch höhere Wassertemperaturen begünstigt, und die verringerte Algenproduktion kann zu einem weiteren Rückgang der Fischerträge führen.