Suche
english
1 Mit den Meeren leben – ein Bericht über den Zustand der Weltmeere

Kohlendioxidspeicher

Seite:

Den Austausch zwischen Atmosphäre und Meer messen

Für zuverlässige Klimaprognosen ist es von entscheidender Bedeutung, genau zu bestimmen, wie viel CO2 tatsächlich in der Senke Ozean verschwindet. Forscher haben daher eine Vielzahl unabhängiger Methoden entwickelt, mit denen sich quantifizieren lässt, welche Rolle der Ozean gegenwärtig im anthropogen veränderten Kohlenstoffkreislauf spielt. Diese haben viel zum gegenwärtigen Verständnis der Zusammenhänge beigetragen. Eine besondere Rolle spielen vor allem zwei Verfahren:
Die erste Methode (Atmosphäre-Ozean-Flussmethode) beruht auf der Messung der sogenannten CO2-Partialdruckdifferenz zwischen Oberflächenozean und Atmosphäre. Der Partialdruck ist derjenige Druck, den ein Gas wie etwa CO2 in einem Gasgemisch wie der Luft zum Gesamtdruck beiträgt. Damit ist der Partialdruck auch eine Möglichkeit, die Zusammensetzung der Atmosphäre quantitativ zu beschreiben. Je mehr von diesem Gas vorhanden ist, desto höher ist sein Partialdruck. Stehen zwei Volumina, zum Beispiel die Atmosphäre und die oberflächennahen Schichten des Ozeans, miteinander in Verbindung, kann ein Gasaustausch stattfinden. Eine etwaige Partialdruckdifferenz führt dazu, dass es zu einem Nettoaustausch von CO2 kommt. Das Gas strömt dabei vom Bereich mit dem höheren Partialdruck in den Bereich des niedrigen Drucks. Dieser Nettogasaustausch lässt sich berechnen, wenn man die globale Verteilung der CO2-Partialdruckdifferenz kennt. Angesichts der Größe des Weltozeans bedeutet das einen gewaltigen Messaufwand. Die weltweite Flotte der Forschungsschiffe reicht dafür bei Weitem nicht aus. Daher wurden zahlreiche Handelsschiffe mit Messgeräten ausgestattet, die auf ihren Reisen automatisch CO2-Messungen durchführen und die Daten speichern. Dieses „Voluntary Observing Ship“-Projekt (VOS) wird seit mehreren Jahrzehnten durchgeführt und umfasst weltweit Dutzende Schiffe. Grundsätzlich ist es ungeheuer schwierig, den über Raum und Zeit stark variierenden CO2-Austausch in den Weltmeeren adäquat zu erfassen. Dank des existierenden VOS-Netzwerks aber konnte man eine erste wichtige Grundlage schaffen. Die Datenbasis aus über drei Jahrzehnten reicht aus, um den jährlichen Gasaustausch über die Gesamtoberfläche der Ozeane zu mitteln. Er wird als mittlere jährliche CO2-Flussdichte angegeben, wobei der CO2-Fluss in Kohlenstoff umgerechnet wird. Die Einheit der Flussdichte (mol C /m2 / Jahr) ist damit die Menge des Kohlenstoffs (C), gemessen in Mol, die als CO2 in einem Jahr durch einen Quadratmeter Ozeanoberfläche in den Ozean fließt.
Unser heutiges Bild beruht auf rund drei Millionen Messungen, die in die Berechnung der CO2-Nettoflüsse eingegangen sind. Die Daten wurden zwischen 1970 und 2007 aufgenommen, wobei der Großteil der Messwerte im vergangenen Jahrzehnt durch das VOS-Programm gewonnen wurde. Recht gut erfasst sind die für das Weltklima wichtigen Gebiete wie der subpolare Nordatlantik, der subpolare Pazifik und das Südpolarmeer. Für andere Meeresregionen gibt es hingegen noch immer nur wenige Messwerte. Für diese chronisch unterbeprobten Gebiete fehlt es derzeit also noch an der für eine genaue Berechnung erforderlichen Datenbasis. Trotzdem konnten Wissenschaftler inzwischen mithilfe der vorliegenden Daten die CO2-Senke Ozean recht gut quantifizieren, wobei der Wert wiederum in Kohlenstoff umgerechnet wird. Für das Referenzjahr 2000 beträgt die Senke 1,4 Gigatonnen Kohlenstoff.
Dieser Wert ist ein Saldo des natürlichen Kohlenstoffflusses aus dem Meer in die Atmosphäre und umgekehrt dem Transport anthropogenen Kohlenstoffs aus der Atmosphäre ins Meer. So steigen jährlich nach wie vor 0,6 Gigatonnen Kohlenstoff aus dem Meer auf, was dem natürlichen vorindustriellen Wert entspricht. Umgekehrt gehen jedes Jahr etwa 2,0 Gigatonnen anthropogen erzeugten Kohlenstoffs ins Meer über. Aufgrund der immer noch als prekär zu bezeichnenden Datenlimitation musste sich diese Methode bisher auf den klimatologischen CO2-Fluss beschränken, das heißt auf ein langfristiges Mittel über den gesamten Beobachtungszeitraum. Erst jetzt rücken Untersuchungen zur zwischenjährlichen Variabilität dieser CO2-Senke in besonders gut abgedeckten Regionen in greifbare Nähe. Ein erstes prominentes Beispiel ist der Nordatlantik. Es zeigt überraschend, dass die Daten zwischen einzelnen Jahren erheblich variieren. Dies ist vermutlich auf natürliche Klimazyklen wie die Nordatlantische Oszillation (Kapitel 1) zurückzuführen, die einen erheblichen Einfluss auf den natürlichen Kohlenstoffkreislauf haben.
2.4 > Der Weltozean nimmt das anthropogene CO2­ vor allem im Nordatlantik sowie in einem Gürtel zwischen 30 und 50 Grad südlicher Breite auf. Die Werte zeigen die Gesamtaufnahme vom Beginn der industriellen Revolution bis zum Jahr 1994.
2.4 > Der Weltozean nimmt das anthropogene CO₂ ­ vor allem im Nordatlantik sowie in einem Gürtel zwischen 30 und 50 Grad südlicher Breite auf. Die Werte zeigen die Gesamtaufnahme vom Beginn der industriellen Revolution bis zum Jahr 1994. © maribus (nach Sabine et al., 2004)
Die zweite Methode versucht mithilfe geochemischer oder statistischer Verfahren zu berechnen, wie viel CO2 im Ozean aus natürlichen und wie viel aus anthropogenen Quellen stammt – obgleich beide in chemischer Hinsicht (weitgehend) identisch und im Grunde nicht zu unterscheiden sind. Tatsächlich stehen heutzutage mehrere Verfahren zur Verfügung, die eine solche Differenzierung zulassen. Sie liefern generell sehr konsistente Ergebnisse. Im Detail weichen diese Methoden allerdings voneinander ab. So sind die Ergebnisse in gewissem Umfang abhängig davon, wo die Daten erhoben wurden und von welchen Annahmen und Näherungen die Wissenschaftler jeweils ausgehen. Ein besonders erfolgreiches und prominentes Beispiel für die Erfassung der CO2-Mengen in den Ozeanen ist der globale hydrographische GLODAP-Datensatz (Global Ocean Data Analysis Project), der von 1990 bis 1998 durch große internationale Forschungsprogramme gewonnen wurde. Dieser Datensatz
  • umfasst eine Vielzahl von Messgrößen;
  • basiert auf der Analyse von mehr als 300 000 Wasserproben;
  • enthält Daten, die auf knapp 100 Expeditionen an nahezu 10 000 hydrographischen Stationen in den Ozeanen gewonnen wurden.
Alle diese Daten wurden in einem aufwendigen Prozess nachkorrigiert und einer mehrstufigen Qualitätskontrolle unterzogen. Damit wurde eine größtmögliche Konsistenz und Vergleichbarkeit der Daten aus einer Vielzahl verschiedener Labore erreicht. Der GLODAP-Datensatz bietet bis heute den genauesten und umfassendsten Blick auf den marinen Kohlenstoffkreislauf. Auf Basis dieses Datensatzes konnte erstmals zuverlässig abgeschätzt werden, wie viel anthropogenes CO2 bisher von der Senke Ozean aus der Atmosphäre aufgenommen worden ist: Bis zum Jahr 1994 belief sich die anthropogene CO2-Aufnahme auf 118 ± 19 Gigatonnen Kohlenstoff seit Beginn der Industrialisierung. Die Ergebnisse zeigen, dass das anthropogene CO2 vor allem in zwei Regionen aus der Atmosphäre in den Ozean eingetragen wird. Zum einen ist dies der subpolare Nordatlantik, wo das CO2 mit der Tiefenwasserbildung (Kapitel 1) ins Ozeaninnere abtaucht. Zum anderen wird CO2 in einem Gürtel zwischen etwa 30 und 50 Grad südlicher Breite in den Ozean eingetragen. Hier sinkt das Oberflächenwasser aufgrund der Bildung von Zwischenwasser ab, welches sich in der Tiefe ausbreitet. Der aus dem GLODAP-Datensatz ermittelte globale CO2-Eintrag stellt gewissermaßen einen Schnappschuss eines langfristigen, fließenden Ungleichgewichtszustands dar: Zwar geht das anthropogene CO2 kontinuierlich in das Ozeaninnere über. Doch hat das Gas den Ozean längst noch nicht in Gänze durchdrungen. Die GLODAP-Daten zeigen, dass der Weltozean bisher nur gut 40 Prozent der CO2-Mengen aufgenommen hat, die der Mensch zwischen 1800 und 1995 in die Atmosphäre freigesetzt hat. Die maximale Aufnahmekapazität des Weltozeans von mehr als 80 Prozent ist also noch längst nicht erreicht.
2.5 > Um festzustellen, wie sich die steigende CO2­-Konzentration in der Atmosphäre auf das Meer auswirkt, hat ein internationales Forscherteam vor Spitzbergen Meerwasser in schwimmenden Tanks mit CO2 angereichert und die Auswirkung auf die Lebewesen untersucht.
2.5 > Um festzustellen, wie sich die steigende CO₂-Konzentration in der Atmosphäre auf das Meer auswirkt, hat ein internationales Forscherteam vor Spitzbergen Meerwasser in schwimmenden Tanks mit CO₂ angereichert und die Auswirkung auf die Lebewesen untersucht. © Nicolai, IFM-GEOMAR

Wie der Klimawandel den marinen Kohlenstoffkreislauf beeinflusst

Der natürliche Kohlenstoffkreislauf bewegt jährlich viele Milliarden Tonnen Kohlenstoff. Zum einen wird der Kohlenstoff räumlich transportiert, etwa durch die Meereströmungen. Zum anderen geht er von einem Zustand in einen anderen über – beispielsweise von einer anorganischen in eine organische chemische Verbindung. Grundlage dieses ständigen Transports und Wandels sind eine Vielzahl biologischer, chemischer und physikalischer Prozesse, die auch als Kohlenstoffpumpen bekannt sind. Diese Prozesse werden durch klimatische Faktoren angetrieben oder zumindest stark beeinflusst. Ein Beispiel ist der Stoffwechsel von Organismen, der durch steigende Umgebungstemperaturen angekurbelt wird. Dieser Effekt der Temperatur ist jedoch bei den Produzenten von Biomasse (vor allem den einzelligen Algen) vermutlich geringer als bei den Konsumenten von Biomasse (vor allem den Bakterien), was in manchen Regionen zu Verschiebungen der lokalen biologischen Kohlenstoffbilanzen führen könnte. Da viele klimatische Wechselwirkungen bislang nur unzureichend verstanden sind, lässt sich folglich nur schwer abschätzen, wie der Kohlenstoffkreislauf und die Kohlenstoffpumpen auf den Klimawandel reagieren werden. Erste Indikatoren eines den gesamten Weltozean erfassenden Wandels sind Veränderungen der Meerestemperatur und des Salzgehalts. Zudem hat man festgestellt, dass der Sauerstoffgehalt des Meerwassers generell abnimmt, was auf biologische und physikalische Ursachen zurückgeführt wird, beispielsweise veränderte Strömungen und höhere Temperaturen. Eine Rolle spielen möglicherweise auch Veränderungen bei der Produktion und dem Abbau von Biomasse im Ozean.
Die Veränderungen im Kohlenstoffkreislauf machen sich noch auf eine andere Art bemerkbar: Die verstärkte Aufnahme von Kohlendioxid ins Meer führt zur Versauerung der Ozeane, oder chemisch ausgedrückt: einer Abnahme des pH-Werts. Das könnte gravierende Auswirkungen auf marine Organismen und Ökosysteme haben. Besonders betroffen wären hier kalkbildende Orga­nismen, weil ein saureres Milieu die Kalkproduktion erschwert. In Laborexperimenten konnte man zeigen, dass diese Versauerung Korallen und andere Lebewesen beeinträchtigt. Derzeit wird das Thema Ozeanversauerung weltweit in großen Forschungsprogrammen bearbeitet. Endgültige Aussagen über Rückkopplungseffekte zwischen Klima und Versauerung kann man daher noch nicht machen. Ähnliches gilt für den Einfluss der Ozeanerwärmung. Auch hier gibt es viele Hinweise auf erhebliche Rückkopplungseffekte, aber zu wenig solide Erkenntnisse, um belastbare quantitative Aussagen zu machen. Es bleibt damit abzuwarten, welchen Einfluss der globale Wandel auf den natürlichen Kohlenstoffkreislauf des Ozeans haben wird. Es wäre naiv anzunehmen, dass dieser vernachlässigbar und für das zukünftige Klima auf unserem Planeten irrelevant sei. Vielmehr sollte unser begrenztes Verständnis der Zusammenhänge Anlass sein, den Ozean noch besser zu erforschen und neue Beobachtungsmethoden zu entwickeln. Textende
Seite: