Kohlenstoff im Ozean (einfach)

Der Ozean ist für die Menge an Kohlendioxid (einfach) (CO₂) in der Atmosphäre, also auch für das Ausmaß des Treibhauseffekts, sehr wichtig. Das liegt daran, dass er gewaltige Mengen an CO₂ aufnehmen kann und daher einen Teil des CO₂, das die Menschen ausstoßen, wieder aus der Luft herausnimmt. Dazu braucht er allerdings viel mehr Zeit, als ihm bei den starken heutigen Emissionen zur Verfügung steht; und deshalb bleibt ein Teil des ausgestoßenen CO₂ in der Atmosphäre (ungefähr 40 %). Zusätzlich zum Ozean nehmen auch die Pflanzen an Land CO₂ auf.

Warum der Ozean sich so verhält und was sein Verhalten heute und in Zukunft beeinflusst, ist Gegenstand dieses Artikels.

Was bestimmt den Austausch von CO₂?

In der Atmosphäre herrscht durch das Gewicht der Luft immer ein bestimmter Druck, der Luftdruck. Der Anteil des Kohlendioxids an diesem Druck wird Partialdruck genannt. Im Ozean gilt dasselbe: Der Druckanteil des im Wasser gelösten CO₂-Gases ist der Partialdruck im Ozean. Diese beiden Partialdrucke treffen nun an der Meeresoberfläche aufeinander. Ist der Partialdruck im Ozean stärker, gibt der Ozean CO₂ an die Atmosphäre ab. Gewinnt dagegen der Partialdruck in der Luft, nimmt der Ozean CO₂ auf, so wie es in der heutigen Zeit der Fall ist, weil ja durch die Menschen immer mehr CO₂ in die Atmosphäre gelangt.

Dass es der Druck ist, und nicht die Menge, die den Austausch zwischen Atmosphäre und Ozean bestimmt, kann man sich anhand einer Sprudelflasche (oder einem anderen Getränk mit Kohlensäure) vorstellen: Damit der Deckel sich nicht löst, ist er festgeschraubt, er drückt also das bisschen Luft in der Flasche zusammen. Beim Öffnen wird der Druck von außen durch das Abnehmen des Deckels reduziert. Daher ist der Druck der CO₂-Moleküle im Getränk plötzlich größer als der Gegendruck von außen und das CO₂ verlässt die Flasche. Man kann das an den vielen kleinen Blasen sehen, die sich innen bilden und am Zischen hören, wenn das Gas entkommt. Das passiert, obwohl sich die Menge des CO₂ in der Flasche und in der Luft durch das Öffnen (im ersten Moment) gar nicht geändert hat. Der Druckunterschied ist also die alleinige Ursache dafür, dass CO₂ ins Wasser oder aus dem Wasser heraus strömt.

Etwas Chemie: Das Puffersystem

Kohlendioxid zeigt im Wasser ein völlig anderes Verhalten als in der Atmosphäre. In der Atmosphäre wandelt sich CO₂ leider nicht in andere Stoffe um, deshalb verbleibt es auch bis zu 200 Jahre in der Luft und verursacht in zu großen Mengen ein Klimaproblem. Es verschwindet aus der Atmosphäre nur dadurch, dass es vom Ozean oder von der Vegetation auf dem Land aufgenommen wird. Im Ozean dagegen wandelt sich CO₂ in Verbindung mit Wasser in zwei neue Stoffe um, in Hydrogenkarbonat und Karbonat. Bei diesen Umwandlungsprozessen wird das Karbonat allerdings auch verbraucht, und zwar mehr als bei der Reaktion von Kohlendioxid mit Wasser entsteht. Hydrogenkarbonat und Karbonat enthalten Kohlenstoff (C), d.h. sie sind Kohlenstoffverbindungen. Außerdem ist auch noch das reine CO₂ im Wasser gelöst.

Diese drei Kohlenstoff-Verbindungen stehen im Ozean in einem bestimmten Verhältnis zueinander, bei dem das Hydrogenkarbonat deutlich überwiegt: Hydrogenkarbonat zu Karbonat zu Kohlendioxid wie 91:8:1. Wenn man dem Wasser also eine begrenzte Menge CO₂ hinzufügt, wandelt sich dieses zum Großteil in Hydrogenkarbonat um. Dies ist eine Ursache dafür, dass der Ozean so viel Kohlenstoff aufnehmen kann. Wären alle Kohlenstoffverbindungen nur in Form von CO₂ vorhanden, würde dessen Druck stärker sein als der in der heutigen Atmosphäre, so dass das meiste den Ozean in Richtung Atmosphäre verlassen würde. Weil aber der Großteil gar nicht als CO₂ vorliegt, ist er gewissermaßen vor der Atmosphäre "versteckt", denn diese sieht nur den Druck durch das CO₂. Dieses "Verstecken" kommt in chemischen Lösungen häufig vor und wird als Puffer bezeichnet.

Übrigens haben auch die Lebewesen im Ozean eine Art Pufferwirkung. Die Photosynthese betreibenden Pflanzen entnehmen dem Wasser ebenfalls CO₂ und halten es in Form von anderen Verbindungen zurück. Die Menge an Kohlenstoff, die in Meereslebewesen gebunden ist, ist aber sehr gering (3 Milliarden von insgesamt 38000 Milliarden Tonnen im Ozean insgesamt). Warum diese Lebewesen aber trotzdem sehr wichtig für das Entfernen von CO₂ aus der Luft sind, wird weiter unten behandelt ("Die organische Pumpe").

Partialdruck und Konzentration

Der Druck ist wie oben beschrieben ausschlaggebend für die Menge an CO₂ in der Luft im Gleichgewicht zwischen Ozean und Atmosphäre. Der Partialdruck im Ozean ist aber nicht dasselbe wie die Menge an Kohlenstoff im Ozean, die man z.B. als Konzentration angeben kann (Anzahl der Teilchen in einem Kubikmeter). Um zu bestimmen, wieviel Kohlenstoff der Ozean speichern kann, muss man also den Zusammenhang zwischen dem Partialdruck und der Konzentration kennen. Der Faktor, der die beiden miteinander verbindet, ist die Löslichkeit von CO₂. Je besser die Löslichkeit, desto mehr Kohlenstoff kann der Ozean aufnehmen, ohne dass der Partialdruck steigen muss. Außerdem kann sich auch das Verhältnis der einzelnen Kohlenstoff-Verbindungen zueinander ändern, d.h. unter verschiedenen Bedingungen ist der Anteil des CO₂ an der gesamten Kohlenstoff-Menge ebenfalls verschieden. Ist der CO₂-Anteil größer, kann weniger im Ozean gespeichert werden, das "Versteck" funktioniert also nicht mehr so gut. Beide Einflussgrößen, die Löslichkeit und das Gleichgewicht zwischen den Kohlenstoff-Verbindungen, werden beeinflusst durch:

• die Temperatur
  
• den Salzgehalt
  
• den Druck (der an der Oberfläche aber immer etwa gleich ist!)
  
• die Zusammensetzung des Meerwassers (denn darin befinden sich noch viele andere Stoffe, die einen Einfluss haben können)
  

Vergleicht man typische Eigenschaften des Meerwassers an verschiedenen Orten der Welt, stellt man fest, dass die Temperaturunterschiede den größten Einfluss auf die Menge an Kohlenstoff haben, die der Ozean aufnehmen kann.

Die drei Kohlenstoffpumpen

Misst man die Konzentration von Kohlenstoff-Verbindungen in verschiedenen Tiefen, so stellt man fest, dass sie bis in etwa 1000 m Tiefe deutlich zunimmt. Auch diese Tatsache bewirkt, dass der Ozean soviel CO₂ speichern kann. Würde auch an der Oberfläche eine so hohe Konzentration wie in der Tiefe herrschen, so müsste der Ozean einen Teil an die Atmosphäre abgeben, denn der Partialdruck wäre zu hoch. So aber erfährt die Atmosphäre nur den geringen Gehalt an der Oberfläche, die großen Mengen in der Tiefe sind vor dem Ausgasen sicher.

Wie aber kann es sein, dass die Kohlenstoff-Verbindungen sich nicht verteilen, so dass diese Unterschiede abgebaut werden? Schließlich vermischt sich auch ein Tropfen Tinte in einem Wasserglas irgendwann gleichmäßig mit dem Wasser. Der Grund muss darin liegen, dass durch andere Prozesse ständig Kohlenstoff von oben nach unten transportiert wird, gegen die Richtung der freiwilligen Vermischung - genau wie eine Pumpe Wasser den Berg herauf befördert, das von sich aus herunterfließen würde. Aus diesem Grund heißen diese Prozesse auch Pumpen.

Die physikalische Pumpe

Die physikalische Pumpe wird auch "Löslichkeitspumpe" genannt, denn sie beruht auf der Abhängigkeit der CO₂-Löslichkeit von der Temperatur. In den Tropen, wo es warm ist, kann das Wasser nicht viel CO₂ aufnehmen, im Gegenteil gibt der Ozean dort sogar mehr CO₂ ab als er aufnimmt. In den hohen Breiten wie dem Südpolarmeer, dem Nordatlantik und dem Arktischen Ozean nimmt das Wasser mehr CO₂ auf als es abgibt. Da an diesen Orten aber auch der absinkende Ast der globalen Ozeanzirkulation zu finden ist, wird das CO₂-reiche Wasser in die Tiefe befördert. Dann breitet es sich in Richtung Äquator aus, so dass sich das kalte, CO₂-reiche Wasser unter das warme und CO₂-arme oberflächennahe Wasser schiebt.

Diese Pumpe erklärt ganz grob die Hälfte des Kohlenstoff-Unterschieds zwischen oben und unten. Außerdem lässt sich erahnen, warum die Aufnahme von CO₂ durch den Ozean so langsam ist: Da ein Durchlaufen des Kreislaufs der Umwälz-Zirkulation mehrere 100 Jahre dauert, kann auch die CO₂-Aufnahme nicht viel schneller stattfinden. Schließlich muss das CO₂-reiche Wasser erst von der Oberfäche fort nach unten transportiert werden. Die Aufnahme an der Oberfläche allein kann noch so schnell geschehen; wird das Wasser nicht durch neues ersetzt, ist die Kapazität des Speichers schnell erschöpft!

Die organische Pumpe

Im Ozean leben je nach Nährstoffangebot etliche Pflanzen und Tiere, von denen sich die allermeisten nah an der Oberfläche befinden, wo es genug Licht für die Pflanzen gibt und damit genug Pflanzen als Nahrung für Tiere. Sterben diese Pflanzen und Tiere oder scheiden sie Stoffe aus, so sinken sie wegen der Schwerkraft in die Tiefe. Je nachdem wie groß und schwer sie sind, sinken sie schnell oder langsam, und je nachdem wie gut sie sich im Wasser auflösen, kommen sie sehr weit oder nicht weit. In der Tiefe, wo sie sich auflösen, zerfallen sie in anorganischen Kohlenstoff, so dass dort zusätzlich Kohlenstoff hinzugefügt wird. An der Oberfläche dagegen, wo die Pflanzen bei der Photosynthese CO₂ aufnehmen, senken sie den Kohlenstoff-Gehalt.

Der atmosphärische CO₂-Gehalt wäre im Gleichgewicht ohne die organische Pumpe etwa 150-200 ppm höher, was verglichen mit dem vorindustriellen Wert von 280 ppm sehr viel ist.

Die Karbonat-Gegenpumpe

Diese Pumpe ist eigentlich keine echte Pumpe, weil sie im Gegensatz zu den vorigen beiden einen höheren CO₂-Gehalt in der Atmosphäre bewirkt; daher wird sie auch als "Gegenpumpe" bezeichnet. Ihre Funktionsweise ist Resultat der recht komplizierten Ozeanchemie und nicht sehr leicht in umfassender Weise zu erklären. Meist wird der Einfachheit halber aber eine Reaktion verantwortlich gemacht, bei der Karbonat und CO₂ zu Hydrogenkarbonat reagieren (die beiden äußeren Verbindungen in der Puffergleichung werden zusammen also zur mittleren). Das heißt, je mehr Karbonat vorliegt, desto weniger CO₂ gibt es, da dieses wegreagiert. Die beiden Verbindungen verhalten sich in ihrer Konzentration also gegenläufig. Dies ist wohlgemerkt eine Einschränkung der Regel, dass das Verhältnis der Kohlenstoff-Verbindungen gleich bleibt und eine Besonderheit gegenüber anderen Säuren in Wasser.

Die Karbonat-Gegenpumpe entsteht nun dadurch, dass einige Lebewesen (wie Krustentiere) Kalkschalen (Kalziumkarbonat; CaCO₃) aufbauen. Bei ihrem Tod sinken sie in die Tiefe ab und entfernen so das gebundene Karbonat aus den oberen Schichten, wo demzufolge der CO₂-Anteil steigt. Eine alternative und genauere Erklärung ist dagegen, dass mit dem Karbonat auch Calciumionen an der Oberfläche verloren gehen, was die Ionenbilanz (die Verrechnung von positiv mit negativ geladenen Teilchen) beeinflusst. Zwar ist das absinkende Kalk elektrisch neutral, das Gleichgewicht des Puffersystems hängt aber nicht nur von den (Hydrogen-)karbonationen und Protonen ab, sondern auch von einigen anderen positiv geladenen Ionen, die die negativen DIC-Komponenten elektrisch ausgleichen.

Die Karbonatpumpe ist zwar gegen die beiden anderen gerichtet, aber in ihrer Stärke ungefähr nur ein Zehntel so groß wie die organische und die Löslichkeitspumpe, so dass sie nicht so stark ins Gewicht fällt.

Die Kohlenstoff-Speicherung in der Zukunft

Für die Zukunft ist es natürlich interessant, wie gut der Ozean die CO₂-Emissionen der Menschen aufnehmen kann. Dazu muss man abschätzen, wie sich die Pumpen voraussichtlich entwickeln können. Dass der Ozean bei höherer CO₂-Konzentration in der Atmosphäre auch mehr CO₂ als bisher aufnimmt, ist eindeutig; wie effizient er das tut, hängt jedoch vom Ozeanmodell und den zugrunde liegenden Annahmen ab! Ein wichtiger Punkt ist die Begrenzung der Pufferwirkung des Ozeans. Auch der Speicher an Karbonat und Hydrogenkarbonat hat ein begrenztes Fassungsvermögen, so dass immer weniger CO₂ sich in diese beiden umwandeln könnte - das "Versteck" wird kleiner. Außerdem zeigen die heute aktuellen Ozean-Zirkulationsmodelle für das nächste Jahrhundert mehrheitlich ein schwächeres Absinken als bisher im Nordatlantik, meist (aber nicht nur), weil sich die hohen Breiten schneller erwärmen und warmes Wasser nicht mehr so gut absinkt. Dabei würde dann auch nicht mehr so effizient CO₂ abtransportiert werden können. Die physikalische Pumpe wird durch den Klimawandel also geschwächt. Daher wird voraussichtlich mehr CO₂ in der Atmosphäre verbleiben, was die Erwärmung noch weiter voran treibt.

Auf der anderen Seite ist es denkbar, dass dadurch die absinkenden Teilchen der organischen Pumpe größere Tiefen erreichen. An den meisten Orten der Erde im Ozean gelangt nämlich Wasser (als Ausgleich zum Absinken in den hohen Breiten) von unten nach oben, was das Absinken der Teilchen bremst. Bei einer schwächeren Zirkulation würden sie also nicht mehr so stark abgebremst und könnten den Kohlenstoff in größere Tiefen transportieren, was zusätzlich hilft, CO₂ aus der Luft herauszunehmen. Beide Effekte sind schwer abschätzbar, da die Computermodelle zu viele Möglichkeiten offen lassen, die man nicht ausschließen kann. Es besteht jedoch die Vermutung, dass die Schwächung der physikalischen Pumpe wichtiger sein wird als die gestärkte organische Pumpe.

Unabhängig von den Pumpen ist noch zu beachten, dass die Lösung von CO₂ im Ozeanwasser nicht immer so stark sein wird wie bisher. Das liegt daran, dass der Puffer des Ozeans schwächer wird, wenn sich mehr Kohlenstoff darin befindet. Die Fähigkeit, CO₂ aufzunehmen, ist also leider nicht unbegrenzt. Außerdem wird der Ozean durch mehr CO₂ immer saurer, so dass viele Lebewesen nicht mehr gut darin leben können. Mehr dazu steht im Artikel Versauerung der Meere.

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Kontakt: Dieter Kasang