Marine Ökosysteme

Ozean und Kohlenstoffdioxid

Im Meereswasser wird Kohlendioxid aus der Atmosphäre gelöst. Das im Ozean gelöste CO₂ liegt in drei verschiedenen Formen vor: als gelöstes Kohlendioxid-Gas (CO₂), als Hydrogenkarbonat (HCO₃^-) und als Karbonat (CO₃^2-), zusammengefasst als DIC (dissolved inorganic carbon = gelöster anorganischer Kohlenstoff) bezeichnet. Durch physikalische und biologische Prozesse werden die Kohlenstoffverbindungen im Meereswasser verfrachtet.

physikalische Kohlenstoff-Pumpe

Der ozeanische Kohlenstoffkreislauf

Meeresströmungen transportieren gelöstes Kohlendioxid z.B. in tiefere Schichten des Ozeans, besonders in den Regionen einer starken Tiefenwasserbildung, wo das Kohlendioxid dem Austausch mit der Atmosphäre über mehrere Jahrhunderte entzogen ist.

biologische Kohlenstoff-Pumpe

Die Meerespflanzen (das Phytoplankton) nehmen Kohlendioxid durch Photosynthese aus dem Oberflächenwasser auf und geben es durch Veratmung wieder ab; ein Teil wird vom Zooplankton aufgenommen. Absterbende organische Partikel des Phyto- und Zooplanktons (partikularer organischer Kohlenstoff = particular organic carbon = POC) sinken in tiefere Schichten ab, wo der Kohlenstoff als organischer gelöster Kohlenstoff (DOC) im Meerwasser gelöst wird. Ein Teil der absterbenden Teilchen und des gelösten organischen Kohlenstoffs gelangt bis auf den Meeresboden und wird damit für sehr lange Zeiträume ganz dem Oberflächenwasser und damit dem Austausch mit der Atmosphäre entzogen.

Einfluss der CO₂-Emissionen

Der Ozean hat in den Jahren 1980-1989 ca. 30% der anthropogenen CO₂-Emissionen aufgenommen und damit erheblich zur Abmilderung des vom Menschen verursachten Treibhaueffekts beigetragen. Der im 21. Jahrhundert erwartete klimatische Wandel beeinflusst auch die CO₂-Aufnahme durch den Ozean. Schon die zunehmende Aufnahme von Kohlendioxid selber vermindert die Möglichkeit des Oberflächenwassers weiteres Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufzunehmen, da die Carbonat-Ionen durch die Reaktion mit Kohlendioxid zu Hydrogenkarbonat verbraucht werden, wodurch ein zunehmender Anteil des aufgenommenen Kohlendioxids in seiner gelösten Form im Wasser verbleibt. Der Effekt ist relativ groß: Bei einer weiteren Steigerung der atmosphärischen CO₂-Konzentration um 100 ppm verringert sich die CO₂-Aufnahme durch den Ozean um 40% gegenüber der ersten 100 ppm-Steigerung seit Beginn der Industrialisierung.

Einfluss der Klimaerwärmung

Hinzu kommt, dass die Lösungsfähigkeit des Oberflächenwassers durch Erwärmung verringert wird, da der CO₂-Partialdruck durch Erwärmung ansteigt und die Ausgasung von Kohlendioxid zunimmt. Eine Erwärmung der oberen Schichten des Ozeans verringert außerdem durch die Bildung von leichterem Oberflächenwasser tendenziell die Tiefenwasserproduktion, wodurch weniger Kohlenstoff aus den oberen in die unteren Schichten des Ozeans verfrachtet werden. Weniger klar sind die Auswirkungen höherer Temperaturen auf die biologisch gesteuerten Prozesse. Hier spielen vor allem die Nutzung und der Gehalt an Nährstoffen eine entscheidende Rolle.

Einfluss des Klimawandels auf Korallenriffe

Die Korallenriffe in den warmen tropischen Meeren gelten neben dem tropischen Regenwald als artenreichster Lebensraum der Erde. 60 000 Arten sind bekannt, über 400 000 Arten werden vermutet. Korallenriffe beherbergen mehr als 25% der bekannten Meeresfische und sind damit eine wichtige Nahrungsquelle für viele Küstenbewohner. Sie sind außerdem ein wichtiger wirtschaftlicher Faktor im Tourismus vieler Länder und dienen dem Küstenschutz. Die weltweiten Riffareale werden auf 617 000 km² geschätzt, die Ausdehnung der flachen, gut entwickelten Korallenriffe auf 255 000 km², wovon 58% durch die Folgen der Industrialisierrung, des Tourismus, der Landwirtschaft, des direkten Abbaus und anderer menschlicher Aktivitäten als gefährdet gelten. Als neuer Bedrohungsfaktor ist in jüngster Zeit der Klimawandel ausfindig gemacht worden.

Einfluss steigender Wassertemperaturen

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Veränderung der Korallenbedeckung zwischen Dezember 1998 bis Februar 2000 in den Lagunen von Belize bei zwei Arten der Salatkoralle Agaricia (blau und rot) und anderen harten Korallen wie Scleractina und Milleporina (grün)

Es wird angenommen, dass der Anstieg des Meeresspiegels in den nächsten 100 Jahren keine oder nur eine geringe Bedrohung für die Riffe darstellt, da gesunde Riffe wahrscheinlich zu einem vertikalen Wachstum von bis zu 10 mm pro Jahr in der Lage sind. Wie das bei den zahlreichen bereits degradierten Riffen in den dichtbevölkerten Regionen Südostasiens, Ostafrikas und der Karibik aussieht, ist weniger klar. Als bedrohlicher werden jedoch der Anstieg der Wassertemperatur und des CO₂-Gehaltes im Meerwasser angesehen. Die Temperatur des Oberflächenwassers in den tropischen Ozeanen ist in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich angestiegen, und es wird erwartet, dass sie bis 2100 um weitere 1-2 °C zunehmen wird. Viele Korallenriffe existieren bereits an oder nahe der Temperaturobergrenze. Eine weitere Erwärmung wird zunehmend lebensfeindliche Bedingungen schaffen.

Von vielen Wissenschaftlern wird die in jüngster Zeit beobachtete Korallenbleiche bereits als Folge der globalen Erwärmung gedeutet. Das Ausbleichen der Korallen entsteht dadurch, dass die symbiotisch auf der Oberfläche der Korallen lebenden Algen durch eine Temperaturerhöhung ihr lebenswichtiges Pigment, das Chlorophyll, verlieren und absterben. Zurück bleiben die weißen, bleichen Korallenstöcke, die bei längerem Anhalten dieses Zustandes ebenfalls absterben. Korallenbleiche kann außerdem auch durch verstärkte Sonnenstrahlung zustandekommen; weitere begünstigende Faktoren sind extrem niedrige Tiden, eine Absenkung des Salzgehaltes und Umweltbelastungen durch den Menschen. Diese Faktoren wirken in vielen Fällen zusammen. So kann eine extrem niedrige Ebbe das Korallendach stärker der Sonnnenstrahlung aussetzen, und die durch Umwelteinflüsse geschwächten oder erkrankten Korallen sind dem temperaturbedingten Ausbleichen schutzloser ausgesetzt.

In den letzten 20 Jahren war die Korallenbleiche häufig mit El Niño-Ereignissen gekoppelt, duch die die Meeresoberflächentemperatur um mehrere Grad Celsius über das normale Maximum angestiegen, in manchen Gebieten aber auch der Wasserspiegel deutlich abgesenkt war. Beispiellos war die Korallenbleiche 1998 in ausgedehnten Gebieten, die mit dem El Niño 1997/98 in Zusammenhang gebracht und als Vorzeichen künftiger Ereignisse bei einer weiteren Erwärmung gedeutet wurde. Die Korallenbleiche wurde aus insgesamt 32 Ländern und Inselstaaten berichtet, mit den Hauptgebieten im Pazifik, Indischen Ozean und der Karibik.Auch das australische Große Barrier-Riff war ernsthaft betroffen. Einige Korallenarten konnten sich nach ein bis zwei Monaten wieder erholen, bei anderen war das nicht der Fall. In den Lagunen von Belize z.B. stieg 1998 die Temperatur des Wassers in 2-10 m Tiefe auf bis zu 31,5 °C (normalerweise werden selten 29 °C überschritten) und verursachte eine Korallenbleiche, wie es sie in den letzten 3000 Jahren nicht gegeben hat. Diese und andere Befunde legen es nahe anzunehmen, dass bei einem weiteren Anstieg der Meeresoberflächentemperatur durch den menschenbedingten Treibhauseffekt das Phänomen der Korallenbleiche und des Korallensterbens in Zukunft noch ernstere Formen annehmen wird. Der prognostizierte Meerespiegelanstieg könnte dem aber auch entgegenwirken, zumal in einigen Gebieten wie vor der Westküste Thailands die Korallenbleiche primär in Folge der Meeresspiegelabsenkung durch den El Niño 1997/98 und der dadurch ermöglichten stärkeren Solarbestrahlung erklärt wurde.

Einfluss der CO₂-Emissionen

Atolle des Staates Yap (Mikronesien im Pazifik): Für Korallen stellen die saurer werdenden Ozeane ein Risiko dar, denn sie sind auf die Bildung von Kalkschalen angewiesen

Da Korallenriffe einerseits große Mengen von Kalk akkumulieren, anderseits bei der Karbonatverwitterung aber auch Kohlenstoff freisetzen, sind sie eng in den Kohlenstoffkreislauf eingebunden. In jüngster Zeit ist viel diskutiert worden, ob eine Erhöhung der atmosphärischen und in deren Folge der im Meerwasser gelösten CO₂-Konzentration sich negativ auf die Fähigkeit von Korallen zur Akkumulation von Kalk auswirken könnte. Die Bildung von Kalk hängt vom Sättigungsgrad des Kalziumcarbonat (CaCO₃) im Meeresoberflächenwasser ab. In Meerwasser glöstes Kohlendioxid reagiert nun aber mit Wasser und Kalziumkarbonat zu Hydrogenkarbonationen und Kalziumionen (CO₂ + H₂O + CaCO₃ <-> 2HCO₃^- + Ca²⁺). Kohlendioxid entzieht also dem Meerwasser Kalziumkarbonat und beeinträchtigt damit die Kalzifizierung der Korallen. Da der Ozean bisher schon einen erheblichen Teil des anthropogen emittierten Kohlendioxids aus der Atmosphäre aufgenommen hat, müsste sich das schon auf die Kalkbildung ausgewirkt haben. Tatsächlich wird von manchen Forschern die Kalzifizierungsrate gegenwärtig auf 91% des vorindustriellen Wertes eingeschätzt und könnte danach auf 79% im Jahre 2065 und 73% im Jahre 2100 absinken. Die wichtigsten Folgen einer geringeren Kalkbildung sind weichere Korallenskelette, geringere Wachstumsraten und eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Erosion. Und eine Reduzierung der Kalkakkumulation könnte sich auch auf die Fähigkeit der Riffe auswirken, bei einem steigenden Meeresspiegel in ausreichendem Maße vertikal mitzuwachsen.

Meeresfische

Von 1987 bis 1996 lagen die Fangergebnisse von Fischen in den Weltmeeren bei durchschnittlich 74,5 Millionen t pro Jahr. Fluktuationen bei den Quoten einiger der wichtigsten kommerziellen Arten wie Hering, Makrele, Heilbutt und Thunfisch werden häufig auf die Überfischung mit modernster Ausrüstung zurückgeführt. Neben anderen Faktoren wie das Räuber-Beute-Verhältnis haben jedoch auch Klimaschwankungen eine wichtige Auswirkung auf die Fischbestände. Das Klima beeinflusst zahlreiche für die Meeresfische entscheidenden Faktoren wie die Wassertemperatur, die Eisverteilung, den Salzgehalt, die Verfügbarkeit von Nahrung usw. Trotz der Wechselwirkungen zwischen diesen Faktoren kommt der Wassertemperatur dabei die entscheidende Rolle zu, da sie direkt die Laichzeit, das Aufwachsen der Jungfische und die Produktionsrate der Nahrung bestimmt. So zeigte sich beim Kabeljau in der Nordsee, der hier an der Südgrenze seines Verbreitungsgebietes auf der Nordhalbkugel vorkommt, parallel mit der Erwärmung des Meereswassers seit 1988 auch ein Rückgang der Fangergebnisse, die wiederum in einem Jahr mit kühleren Temperaturen wie 1996 wieder besser ausfielen. Eine auffällige Parallele zwischen Kabeljaufischerei und Temperaturentwicklung weisen auch die Fangergebnisse vor West-Grönland auf. Ebenso erwiesen sich zwischen den Ergebnissen der japanischen und kalifornischen Sardinenfänge und den Schwankungen des Klimas im Nordpazifischen Raum aufällige Parallelen im Dekaden-Bereich. Und während der El Niño- und La Niña-Ereignisse der letzten Jahrzehnte verlagerten sich mit der Temperatur der Meeresoberfläche auch die Hauptfanggebiete von Thunfisch im tropischen Pazifik.

Auch wenn es schwierig ist, die Folgen von Überfischung und von klimabedingten Änderungen im Einzelfall zu trennen, kann man davon auszugehen, dass der Fischbestand der Weltmeere auch von klimatischen Veränderungen abhängt. Das bedeutet, dass auch eine künftige Änderung bei den Meerestemperaturen durch den menschenbedingten Treibhauseffekt Folgen für den Fischbestand und die Fangergebnisse haben wird. Welche Folgen zu erwarten sind, lässt sich mit Einschränkung aus den El Niño-Ereignissen im Südpazifik ableiten, bei denen das erwärmte Oberflächenwasser vor der peruanischen Küste die Phytoplanktongemeinschaften so veränderte, dass die Sardellenbestände stark zurückgehen. Eine allgemein steigende Meeresoberflächentemperatur könnte in Einzelfällen auch Arten in anderen Regionen negativ beeinflussen. So könnte sich der Rotlachs ganz aus dem Nordpazifik auf das Bering-Meer zurückziehen. Allerdings sagen einige Modelle eine Intensivierung des Alëuten-Tiefs und damit eine Abkühlung des Meerwassers voraus, was den Lachsbestand im Nordpazifik eher erhöhen könnte. Dieses Beispiel zeigt, dass die Klimamodelle z. Zt. noch keine gesicherten Prognosen über die regionalen Folgen des Klimawandels auf die Fischerei erlauben.

Aquakulturen

30% der Fischproduktion für den menschlichen Konsum entstammten 1997 der Aquakultur. Es wird erwartet, dass der Aufwärtstrend der Fischzucht, auch für die Produktion von Fischmehl und Fischöl, in Zukunft anhalten wird. Der Klimawandel wird wahrscheinlich sehr gegensätzliche Folgen für die Aquakultur haben. In mittleren und hohen Breiten werden Luft- und Wassertemperatur ansteigen und damit die Zuchtsaison verlängern und die Fischproduktion steigern. Andererseits haben höhere Temperaturen einen negativen Einfluss auf den gelösten Sauerstoff im Wasser und begünstigen die Verbreitung von Krankheitserregern und die Algenblüte. Auch der erwartete Anstieg von Extremereignissen wie Stürmen, Überflutungen und Trockenperioden wird die Produktion möglicherweise negativ beeinflussen.

Meeressäuger und -vögel

Eisbär

Problematische Folgen bei einer weiteren Erwärmung werden vor allem für marine Säugetiere in höheren Breiten erwartet. Ein Rückzug des arktischen und antarktischen Meereises gefährdet z.B. die Ernährung von Eisbären und bedroht die des Blauwals und des weitverbreiteten Adéliepinguins. Die Randregionen des Meereises sind der wichtigste Lebensraum für die arktische Pflanzen- und Tierwelt. An der Unterseite der Eisschollen existieren einzellige Algen, von denen wenige Zentimeter lange Krebse leben, die als Futter u.a. für den Polardorsch dienen, der die Hauptnahrungsquelle für die Ringelrobbe darstellt. Für Eisbären sind die Eisrandregionen das natürliche Jagdrevier, in dem sie auf Robbenfang gehen. Bei einem Rückzug der Eisbedeckung nach Norden werden die Lebens- und Aufzuchtmöglichkeiten der Ringelrobbe, des wichtigsten Beutetieres der Eisbären, deutlich eingeschränkt. Als besonders kritisch gilt in dieser Hinsicht die Situation in der Hudson Bay, wo die Eisbären bereits heute an der Hungergrenze leben. Bei einer weiteren Erwärmung mit saisonaler Verkürzung des Eisvorkommens und Reduzierung der Eisbedeckung ist eine erfolgreiche Aufzucht der Jungtiere nicht mehr gewährleistet.

Auch der antarktische Krill, ein ca. sechs Zentimeter großer Krebs, lebt zu einem großen Teil vom Phytoplankton an der Unterseite des Meereises. Vom Krill als Nahrungsquelle sind viele Wal-, Robben-, Fisch- und Vogelarten nahezu vollständig abhängig, u.a. auch der Blauwal. Seit den siebziger Jahren ist ein deutlicher Rückgang der antarktischen Meereisbedeckung beobachtet worden und als Folge ebenso eine deutliche Verringerung der Krillbestände. Als Konsequenz haben auch die Bestände der Jungvögel des Adéliepinguins seit 1987 um 30% abgenommen. Auch der Blauwal ist in hohem Maße vom Krill abhängig und gilt bei einer weiteren Erwärmung des arktischen Meerwassers als gefährde

Siehe auch

• Versauerung der Meere