Meere unter Druck – Ozeanversauerung durch CO2

Neben Böden und Waldökosystemen gehören Meere und Ozeane zu den größten globalen Kohlenstoffspeichern. Sie nehmen etwa ein Drittel der vom Menschen erzeugten Kohlenstoffdioxid (CO₂) -Emissionen aus der Atmosphäre auf. Aufgrund der steigenden energiebedingten CO₂-Emissionen in die Atmosphäre erhöht sich durch den stetigen Gasaustausch zwischen Meerwasser und Atmosphäre auch unmittelbar die CO₂-Konzentration im oberflächennahen Meerwasser. Das CO₂ löst sich im Wasser, wird biologisch (z.B. durch Algen) gebunden oder als anorganische Materie (z.B. Kalk) abgelagert.

Folgende Prozesse bestimmen die CO₂-Speicherung in den Meeren:

1. Die biogene Kohlenstoffspeicherung (Aufbau organischer Substanz), die über Phytoplankton, Seegräser und Makroalgen mittels Photosynthese CO₂ in organische Verbindungen umwandelt.
2. Die CO₂-Speicherung in Form von gebundenem Kalk durch Biomineralisation beim Aufbau von Knochen- und Schalenstrukturen (Erzeugung von „Verbundwerkstoffen“ bei sogenannten Kalkbildnern wie zum Beispiel Korallen, Kalkalgen, Muscheln und Schnecken).

Ohne diese Speicherfunktion der Meere würde der Klimawandel noch viel schneller und intensiver voranschreiten. Meere können den Klimawandel also verlangsamen, das hat jedoch einen hohen ökologischen Preis.

Mit dem Anstieg der Konzentration in der Luft nehmen auch die Meere mehr CO₂ auf. Durch die verstärkte Lösung von CO₂ im Meerwasser nimmt der pH-Wert in den Meeren ab und die Meere versauern langsam. Der pH-Wert von Wasser ist ein Maß für das Säure-Basen-Gleichgewichtsystem und wird in den meisten natürlichen Gewässern zwischen CO₂, Hydrogenkarbonat (HCO₃^-) sowie Karbonat (CO₃^2-) gesteuert.

Der pH-Wert gibt an, wie sauer oder basisch (alkalisch) eine Flüssigkeit ist. Er richtet sich nach der Konzentration der Wasserstoff-Ionen in einer wässrigen Lösung. Fällt die Anzahl der Wasserstoff-Ionen, steigt der pH-Wert. Steigt die Anzahl der Wasserstoff-Ionen, nimmt der pH-Wert ab.

Versauerungsprozess im Meer

Darstellung der chemischen Gleichgewichtsreaktion für Kohlendioxid (CO2) im Meer.

Quelle: FG II 2.3 / UBA

Die CO₂-Aufnahme hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die wichtigsten Faktoren sind der atmosphärische Druck (Partialdruck, p) und die Temperatur (in der Abbildung durch Zunahme an rötlicher Farbgebung dargestellt).
Bei Kontakt mit der Meeresoberfläche löst sich CO₂ aus der Atmosphäre im Wasser (H₂O) und folglich wird der Partialdruck von CO₂ (pCO₂) im Wasser erhöht. Kurzfristig wird Kohlensäure (H₂CO₃) gebildet, welche aber sofort in HCO₃^- und ein Wasserstoffkation (Proton, H₃O⁺) zerfällt. Die Bildung von HCO₃^- gehört zu den chemischen Puffersystemen, wodurch pH-Wert-Schwankungen aufgefangen werden und ein gleichbleibender pH-Wert aufrechterhalten wird. Durch die Zunahme an freien Protonen sinkt der pH-Wert des Wassers und weniger CO₃^2--Ionen stehen zur Verfügung, um weiter mit Kalziumkationen zu Kalziumkarbonat (CaCO₃) zu reagieren. Diese verschiedenen sich vom CO₂ ableitenden chemischen Verbindungen im Wasser werden als gelöster anorganischen Kohlenstoff (DIC = dissolved inorganic carbon) bezeichnet.

Vor der Industrialisierung lag der pH-Wert der Meere bei 8,2 - bedingt durch die löslichen Salze (Salinität) – und somit im leicht basischen Bereich. Heute ist der CO₂-Gehalt in den Ozeanen so hoch wie seit 20 Millionen Jahren nicht mehr und steigt weiter an. Über Langzeit-Messreihen konnte nachgewiesen werden, dass der pH-Wert – parallel zum atmosphärischen Anstieg von CO₂ – im Mittel bereits um 0,1 Einheiten gesunken ist. Hierbei ist zu beachten, dass die pH-Skala nicht linear, sondern logarithmisch verläuft. Mit der Abnahme um 0,1 pH-Einheiten hat sich der Säuregehalt des Meerwassers bereits um knapp 30 % erhöht.

In wissenschaftlichen Kreisen wird der Effekt der Ozeanversauerung als der „böse Zwilling“ (evil twin) der Erderwärmung bezeichnet. Obwohl das Meerwasser aktuell mit einem pH-Wert von 8,1 noch immer leicht basisch ist, wird es zunehmend saurer. Bis zum Ende des 21. Jahrhunderts könnte der pH-Wert um weitere 0,3 bis 0,4 Einheiten absinken – was einer Erhöhung des Säuregehaltes um 100 bis 150 % entspräche.

Die Temperatur des Wassers spielt bei der CO₂-Aufnahme eine Rolle. Neben CO₂ speichern Ozeane den Großteil der durch den Treibhausgaseffekt verursachten Wärme. Durch die steigende Temperatur sinkt jedoch die CO₂-Aufnahmekapazität des Meerwassers und damit die Menge an bereits gelöstem CO₂. Aus wärmeren Meeren gast CO₂ aus und die Puffereigenschaft der Meere sinkt. Mit diesem Rückkopplungseffekt kommt es zu Veränderungen des pH-Werts. Aufgrund der hohen räumlichen und zeitlichen Variabilität des pCO₂ im Meerwasser ist derzeit unklar, welche Meere eine Kohlenstoff-Netto-Senke oder eine Quelle für CO₂ darstellen.

Die Ozeanversauerung schreitet nicht in allen Meeren gleich schnell voran. Die Geschwindigkeit, mit der die Ozeanversauerung stattfindet, variiert geografisch und in der gesamten Wassersäule. Kältere Gewässer nehmen insgesamt mehr CO₂ aus der Atmosphäre auf als wärmere. Daher versauern die Meere in den Polargebieten schneller als im weltweiten Durchschnitt. Auch wenn schmelzendes Eis, also Süßwasser, den pH-Wert leicht anhebt, führt der erhöhte Partialdruck der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre dazu, dass in den kalten Regionen der Arktis und Antarktis mehr CO₂ vom Meer aufgenommen wird. Polare Ökosysteme sind besonders anfällig für die schnell voranschreitende Ozeanversauerung, da sich die Lebewesen dort nur langsam an veränderte Bedingungen anpassen können.

Das Problem der Versauerung gilt auch für sogenannte Auftriebsgebiete, welche aufgrund der hohen Nährstoffversorgung eine gute Nahrungsgrundlage (unter anderem für kommerziell genutzte Fischarten) bieten. Diese Auftriebsgebiete kommen im offenen Ozean in den subpolaren Gebieten und entlang des äquatorialen Ozeans vor. Da das Wasser aus der Tiefe generell saurer als das oberflächennahe Wasser ist, könnte eine weitere Abnahme des pH-Wertes in Auftriebsgebieten das Nahrungsangebot negativ beeinflussen. Die resultierenden Veränderungen des ökologischen Systems hätten ebenfalls ökonomische Auswirkungen, zum Beispiel auf die Fischerei.

Küstenregionen hingegen unterliegen von Natur aus Schwankungen im pH-Wert. Daran sind die dort lebenden Arten angepasst und können mit tages- oder jahreszeitlichen Veränderungen umgehen.

Schon jetzt ist messbar, dass der pH-Wert der Nordsee, wie der durchschnittliche pH-Wert des Meerwassers weltweit, um 0,1 Einheiten gesunken ist. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler prognostizieren, dass der Wert bis zum Ende des Jahrhunderts um weitere 0,27 Einheiten zurückgehen wird. Die Versauerung hat nachweislich Effekte auf die Meereslebewesen in der Nordsee – zum Beispiel auf die Zusammensetzung des Planktons oder auf die Entwicklung und das Verhalten von Fischen. Da besonders Krabben und Muscheln unter der Ozeanversauerung leiden, wird die wirtschaftlich wichtige Schalentierfischerei in der Nordsee betroffen sein. In der Bewertung des Zustands des Nordostatlantiks werden u.a. Änderungen und Effekte auf die Meeresökosysteme verdeutlicht. 

Anders als die Nordsee ist die Ostsee bisher kaum von einer messbaren Versauerung betroffen, wie Messreihen verschiedener Forschungsgruppen seit 1980 belegen (Klimawandel in der Ostsee, 2021 Faktenblatt und Baltic Earth Assessment Reports 2023). Dies liegt unter anderem daran, dass die Ostsee ein weitgehend von den Weltmeeren abgetrenntes Binnenmeer ist und ein komplexes und sehr heterogenes Ökosystem darstellt. Die besonderen hydrographischen Gegebenheiten (zum Beispiel großer Flussabfluss, seltene und gelegentliche Zuflüsse von salzhaltigem Wasser und permanente Schichtung der Wassersäule) sowie die extreme Belastung durch externe Nähr- und Schadstoffeinträge gehören zu den dominanten Faktoren. Des Weiteren haben über Flüsse eingetragene Verwitterungsprodukte aus Gesteinen eine puffernde Wirkung auf den CO₂-Gehalt in der Ostsee. Diese kontinentalen Einträge tragen zu einem erhöhten pH-Wert in der Ostsee bei und kompensieren die Versauerung.

Versauernde Ozeane hemmen die Kalkbildung

Problematisch an der Ozeanversauerung ist vor allem die abnehmende Konzentration an Karbonationen. Karbonat, CO₃^2- , ist in Verbindung mit Kalzium der Hauptbestandteil von kalkhaltigen Skeletten und Schalen vieler Meereslebewesen. Korallen, Stachelhäuter wie Seeigel und Seesterne sowie einige Phytoplanktonarten (sogenannte Coccolithophoriden) haben beispielweise ein Kalkskelett (siehe nachfolgende Abbildung), während Muscheln, Gehäuseschnecken und Krebse kalkhaltige Schalen besitzen.

Kalkalgen (Coccolithophoriden)

Kalkalgen verwenden zum Skelettaufbau Kohlenstoff. In saurer Umgebung kommt es zur Skelettauflösung.

Quelle: Prof. Dr. André Scheffel / Universität Greifswald

Durch die Ozeanversauerung steht diesen Lebewesen weniger CO₃^2- zur Verfügung und somit wird die Kalkbildung (Biomineralisation) beeinträchtigt und geschwächt. Zwei Sorten des CaCO₃ spielen eine entscheidende Rolle. Das leichter lösliche Aragonit (eine Modifikation von CaCO₃) ist ein Hauptbestandteil von Perlmutt und daher für den Aufbau von Muschelschalen relevant. Das nicht so stark lösliche Kalzit ist ebenfalls ein CaCO₃ und gehört der Mineralklasse der „Karbonate und Nitrate“ an. Es ist wesentlicher Baustein für Steinkorallenskelette, Muschelschalen, Seeigel und Seesterne. Ebenfalls betroffen sind die Kaltwasserkorallenriffe im Nordostatlantik.

Die meisten Meereslebewesen müssen ihre Körperfunktionen an die saurer werdenden Bedingungen im Wasser anpassen. Dies geschieht indem sie ihren Säure-Base-Haushalt mit dem veränderten pH-Wert in Einklang bringen. Die Anpassung kostet Energie, die ihnen für lebenswichtige Prozesse – wie Wachstum oder Fortpflanzung – fehlt. Bei vielen marinen Tierarten wurde bereits nachgewiesen, dass unter sauren Verhältnissen ihre Überlebensfähigkeit, ihre Bestandsgröße oder ihre Larvenentwicklung abnehmen. Das betrifft zum Beispiel Jungfische, die sich in den ersten Lebenstagen von einem Dottersack ernähren, dessen Größe und Energiemenge von der Temperatur und dem Säuregehalt des Meerwassers abhängt. Mangelnde Versorgung kann ihr Wachstum und später ihre Reproduktion beeinflussen. Zusätzlich sind sie weiteren Umweltbelastungen ausgesetzt – wie Temperaturanstieg, Eutrophierung oder Verschmutzung durch Müll und Schadstoffe. Mehr Informationen können den Ergebnissen des international besetzten Projekts Bioacid entnommen werden.

Es gibt auch Organismen, die von dem steigenden CO₂-Gehalt der Ozeane profitieren. Dazu gehören Lebewesen, die Photosynthese betreiben, also CO₂ und Wasser zu Sauerstoff und Energie umwandeln. Beispiele für photosynthetisch aktive Organismen sind Seegräser, Algen und Cyanobakterien (Blaualgen). Sie zeigen unter erhöhtem CO₂-Gehalt eine höhere Photosyntheseleistung und stärkeres Wachstum. Allerdings leiden sie unter den steigenden Temperaturen. Quallen und einige toxische Algen zählen zu den Gewinnern der Ozeanversauerung. Sie haben durch die Verringerung der Fischbestände weniger Nahrungskonkurrenten und Fressfeinde und treten immer häufiger in Massen auf.

Algenblüte in der Nordsee

ESA-Satellitenaufnahme der Algenblüte aufgenommen von Copernicus Sentinel-3A im September 2018.

Quelle: European Space Agency 2018 / https://www.esa.int/esearch?q=algae+north+sea)

Neben CO₂ als Hauptverursacher der Ozeanversauerung nimmt auch der direkte Lufteintrag von Schwefel- und Stickstoffoxiden aus der Atmosphäre (sogenannte Aerosole) Einfluss auf den pH-Wert im Meer. Durch chemische Reaktionen – wie die Bildung von Schwefelsäure in der Atmosphäre – kommt es zu einer Verringerung des pH-Werts im Niederschlag (mitunter liegt der pH-Wert unter 5) – auch als saurer Regen bekannt. Andere Gase wie Ammoniak (NH₃), welches mitunter aus landwirtschaftlichen Quellen stammt und über die Luft zum Meer transportiert wird, können wiederum saure Aerosole in der Atmosphäre neutralisieren. Das Versauerungspotenzial des Meeres kann somit über den Lufteintrag stark vom Menschen beeinflusst werden.

Neben den Aerosolen aus natürlichen und anthropogenen terrestrischen Quellen ist auch die Meeresoberfläche selber eine wichtige Quelle für eine Vielzahl von Spurengasen. Marine Aerosole enthalten neben Kohlenstoff auch Schwefel-, Stickstoff- und Halogenverbindungen, welche unter anderem von Makrophyten oder Phytoplankton gebildet werden. Gleichfalls entstehen flüchtige organischen Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOC), die wieder in die Atmosphäre freigesetzt werden. Es besteht somit ein permanenter Gasaustausch über dem Meer (siehe nachfolgende Abbildung). Atmosphärische Oxidationsprodukte einiger Spurengase – wie Dimethylsulfid (DMS), Methylamine und eine Reihe biogener flüchtiger organischer Verbindungen – haben Auswirkungen auf die marinen Aerosole, welche wiederum die wolkenbildenden Prozesse, die Ozonbildung sowie den globalen Strahlungsantrieb beeinflussen. Daher gelten Aerosole als die natürlichen Gegenspieler der Treibhausgase. Angesichts der bekannten und vorhergesagten Auswirkungen der Ozeanversauerung auf biologische Prozesse ist es wahrscheinlich, dass auch die Nettoproduktion vieler biogener Spurengase von der Ozeanversauerung beeinflusst wird.

Die zunehmende Ozeanversauerung hat somit eine direkte Auswirkung auf die Bildung gasförmiger und aerosolartiger Stoffe. Die Bildung mariner Aerosole und deren Rückkopplung auf die Atmosphärenchemie und die potenzielle klimatische Wirkung ist komplex und muss noch weiter erforscht werden (GESAMP Report, IMPACT ON AIR–SEA CHEMICAL EXCHANGE, 2019).

Gasaustausch von Aerosolen

Die Meeresoberfläche ist eine wichtige Quelle für die Bildung von Spurengasen und Aerosolen.

Quelle: FG II 2.3 / UBA

Von der Versauerung der Meere sind auch unsere Nahrungsketten, die regionale Küstenfischerei, Aquakulturen und die Lebensmittelindustrie betroffen. Langfristig müssen sie sich auf andere Arten und abnehmende Fangerfolge einstellen.

In tropischen Regionen wird mit den absterbenden Korallenriffen ein wichtiger Bestandteil des Küstenschutzes durch Dämpfung der Wellenkraft wegfallen. Das Absterben von Korallen bedingt auch eine abnehmende Artenvielfalt in den entsprechenden Regionen, was sich einerseits negativ auf die Einnahmequelle Tourismus in Küstengebieten auswirkt, andererseits den Stressor Tourismus für das Meer mindert. Die langfristigen Folgen der Versauerung auf die Meereslebewesen sind jedoch nicht absehbar. Fest steht: Weltweit sind viele Menschen vom Ozean abhängig und müssen sich auf Veränderungen einstellen.

1. Emissionen an der Quelle senken

Ozean- und Meeresschutz muss eng mit Klimaschutz verknüpft werden: Die weltweiten CO₂-Emissionen sowie Luftschadstoffe müssen verringert und die internationalen Klimaschutzziele erreicht werden, um so Auswirkungen klimabedingter Umweltstressoren – wie die Versauerung der Meere – abzumildern. Zur Senkung der Treibhausgasemissionen hat die Bundesregierung ein Klimaschutzprogramm in 2023 entwickelt und darin die nationalen Treibhausgasminderungsziele im Klimaschutzgesetz festgehalten. Bei der Ausarbeitung des Klimaschutzplans und der Minderungsziele wirkt das Umweltbundesamt unterstützend mit.

1. Meeresschutz

Meere und Ozeane müssen vor weiteren schädlichen Einflüssen – wie dem Eintrag von Verschmutzungen – geschützt werden. Je weniger Belastungen auf Meere einwirken, umso eher kann sich die Natur an die bereits unvermeidbaren Veränderungen anpassen („Meeresschutz geht uns alle an“). Weltweit setzt sich Deutschland dafür ein, mindestens 30 Prozent der Ozeane unter Naturschutz zu stellen. Schutzgebiete in der Antarktis und Arktis sollen die Meereslebewesen in den besonders stark von Ozeanversauerung betroffenen Polargebieten schützen. In den Schutzgebieten der Nordsee fördert das Bundesumweltministerium (BMUV) unter anderem Maßnahmen zum Wiederaufbau von Riffen der europäischen Auster. Zudem ist Deutschland Mitglied der Internationalen Korallenschutzinitiative (ICRI) und unterstützt in diesem Rahmen auch Entwicklungsländer bei der Erhaltung und Wiederherstellung von Korallenriffen.

1. Forschungsergebnisse effizienter nutzen

Das Problem der Ozeanversauerung ist komplex und die Auswirkungen sowie die Rückkopplungseffekte mit anderen Umweltstressoren sind noch nicht vollständig erforscht und verstanden. Seit etwa 20 Jahren befasst sich die Wissenschaft gezielt mit diesen Themen. In Deutschland wurden mit dem national geförderten Projekt Bioacid zwischen 2009 – 2017 Auswirkungen der Ozeanversauerung auf die Meeresbiologie untersucht.

 Weiterer Forschungsbedarf besteht zu Interaktionen von Ozeanversauerung mit anderen Umweltstressoren – zum Beispiel mit dem Temperaturanstieg, der Überdüngung und der Sauerstoffabnahme der Meere sowie Verschmutzungen verschiedener Art.

1. Setzen von Leitplanken

Mit dem Sondergutachten über die Zukunft der Meere hat der Wissenschaftliche Beirat der Bundesregierung (WBGU) schon 2006 einen Vorschlag unterbreitet, die Ozeanversauerung als eine Art „Leitplanke“ heranzuziehen. D.h. konkret, dass der pH-Wert in den Deckschichten der Meere nicht um mehr als 0,2 Einheiten gegenüber dem vorindustriellen Wert von im Mittel 8,18 absinken darf. Der WBGU gibt weiterhin zu bedenken, dass es erforderlich ist, die räumliche und zeitliche Mittelung, welche sich auf den Leitplankenwert bezieht, weiter zu spezifizieren, da der pH-Wert stark durch natürliche Veränderungen beeinflusst wird. Dafür sind kontinuierliche Messungen und weitere Forschung notwendig.

1. Internationale Rahmenbedingungen anpassen

Meere und Ozeane müssen in ihrer Gesamtheit und mit aller Konsequenz mittels völkerrechtlicher Verträge und Abkommen, so von der europäischen Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie (MSRL) vorgesehen, geschützt werden. Zwei regionale Übereinkommen fokussieren sich auf den Schutz der Nordsee und des Nordostatlantiks (Oslo and Paris Convention; OSPAR) und auf den Schutz der Ostsee (Helsinki Commission; HELCOM). Aufgrund des globalen Handlungsdrucks hinsichtlich der Erderwärmung haben die Vereinten Nationen (UN) 2012 zudem die Initiative „Pakt für die Meere – Gesunde Meere für mehr Wohlstand“ (Oceans Compact) gegründet, welche eine strategische Vision zum Schutz der Meere und der Menschen, deren Lebensunterhalt davon abhängt, beinhaltet.

Mit der Verabschiedung der Globalen Agenda 2030 im Jahr 2015 wurden 17 Ziele für eine nachhaltige Entwicklung („Sustainable Development Goals, SDGs“) als globaler Plan zur Förderung nachhaltigen Friedens und Wohlstands und zum Schutz unseres Planeten ins Leben gerufen. „SDG 14 beleuchtet den Agendapunkt „Ozeane, Meere und Meeresressourcen im Sinne nachhaltiger Entwicklung erhalten und nachhaltig nutzen“. Maßgeblich ist hier das Ziel, „die Versauerung des Ozeans auf ein Mindestmaß zu reduzieren und ihre Auswirkungen zu begrenzen“.

Aufgrund der weitreichenden und sich beschleunigenden klimabedingten Veränderungen der marinen Ökosysteme, wurde nach einer Entscheidung des Weltklimarates (Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC) der Sonderbericht über Ozean und Kryosphäre erstellt. In diesem werden Beobachtungen und wissenschaftliche Ergebnisse zusammengefasst und Auswirkungen des Klimawandels auf die Ozeane (z. B. Erwärmung, Versauerung, Meeresspiegelanstieg) näher beschrieben.

Im März 2023 konnten die Vereinten Nation sich nach langjährigen Verhandlungen auf ein internationales Meeresschutzabkommen einigen. Mit dem „Biodiversity beyond national jurisdiction (BBNJ)“ sollen nunmehr Voraussetzungen für Schutzgebiete außerhalb der nationalen Gewässer sowie wirksame Umweltverträglichkeitsprüfungen menschlicher Aktivitäten geschaffen werden, um die Artenvielfalt der Hohen See zu schützen und der Klimakrise entgegenzuwirken.

1. CO₂-Emissionen aktiv entnehmen

Es gibt verschiedene ozeanbasierte Strategien zur Eindämmung des Klimawandels, die zur Erreichung von Netto-Null-Emissionen beitragen sollen. Diese werden in natürliche (Blue Carbon) und technische Lösungen des marinen Geo-Engineerings eingeteilt. Viele von ihnen befinden sich noch in einem konzeptionellen oder frühen Entwicklungsstadium, und ihre Wirksamkeit und Durchführbarkeit in großem Maßstab ist noch nicht eindeutig nachgewiesen.

Mit der Forschungsmission „Marine Kohlenstoffspeicher als Weg zur Dekarbonisierung“, CDRmare (CDR, Carbondioxide Removal – CO₂ Entnahme) wird der Umgang mit der steigenden CO₂-Konzentration in der Atmosphäre und möglicher Lösungen dafür aufgegriffen. Das dreijährige Projekt läuft seit 2021. Die Umweltrisiken solcher Ansätze, einschließlich des Potenzials, die Versauerung der Ozeane zu mildern anstatt zu verschärfen, müssen weiter erforscht werden.