Das in der Atmosphäre enthaltene Gas Kohlendioxid (eigentlich Kohlenstoffdioxid, CO₂) löst sich leicht in Wasser. Das kennt man vom Mineralwasser, das man mit Kohlendioxid versetzt. Bei diesem Lösungsprozess reagiert das CO₂ mit den Wassermolekülen (H₂O). Kohlendioxid wird also bei der Aufnahme aus der Atmosphäre teilweise umgewandelt – zu Kohlensäure (H₂CO₃), Hydrogenkarbonat­Ionen (HCO₃^-) und Karbonat-Anionen (CO₃^2-). Diese Umwandlung wird in 3 Gleichungen dargestellt.

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃

H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃^-

HCO₃^- ↔ H⁺ + CO₃^2-

Die Gesamtheit aller sich vom CO₂ ableitenden chemischen Spezies im Wasser, also Kohlendioxid, Kohlensäure, Hydrogenkarbonat­Ionen und Karbona-Anionen, bezeichnet man als gelösten anorganischen Kohlenstoff (DIC = dissolved inorganic carbon).
Die verschiedenen Formen des DIC können sich über die in den Formeln dargestellten chemischen Reaktionen ineinander umwandeln.
Dieses sogenannte CO₂-Gleichgewichtssystem bestimmt den Gehalt freier Wasserstoff-Ionen (H⁺) im Meerwasser und damit den pH-Wert, der ein Maß für die Menge freier Wasserstoff-Ionen in einer Flüssigkeit ist. Das „p“ steht hierbei für Potenz und das „H“ für die Abkürzung des lateinischen Wortes Hydrogenium (Wasserstoff). Die Reaktion des Kohlendioxids im Meerwasser läuft summarisch folgendermaßen ab: Zunächst reagiert das Kohlendioxid mit dem Wasser zu Kohlensäure. Die Kohlensäure spaltet dann ein H⁺-Ion ab, wobei sich ein Hydrogenkarbonat-Ion bildet. Dieses Hydrogenkarbonat-Ion kann dann in einem weiteren Schritt ein H⁺-Ion abspalten und dabei Karbonat bilden.
Betrachtet man Gleichung 1 und 2, die im Wasser miteinander gekoppelt sind, wird deutlich, dass, je mehr CO₂ ins Wasser gelangt, umso mehr H⁺-Ionen entstehen, womit das Wasser langsam saurer wird. Fügt man dem System hingegen Alkalinität in Form von Hydrogenkarbonat-Ionen und Karbonat-Anionen hinzu, werden Wasserstoff-Ionen abgefangen, sodass der pH-Wert steigt und das Wasser alkalischer wird. Grundsätzlich hat die Alkalinität im Wasser eine doppelte Funktion. Zum einen beeinflusst sie den pH-Wert über die Reaktionen mit den H⁺-Ionen. Zum anderen ist sie fundamental wichtig, damit kalkbildende Meeresorganismen wie Korallen, Muscheln, Schnecken und viele Planktonorganismen ihre Panzer und Schalen bilden können. Die Lebewesen nehmen dazu Karbonat-Anionen und Kalzium-Ionen (Ca²⁺) aus dem Wasser auf und produzieren daraus das sogenannte Kalziumkarbonat (CaCO₃), jenen Baustoff, aus dem auch die Knochen des Menschen bestehen.
Je mehr Karbonat-A­nionen im Wasser enthalten sind, desto besser können die Tiere Kalziumkarbonat produzieren. Da die Ozeanversauerung langfris­tig zu einer Abnahme der Konzentration an Karbonat-Anionen im Meerwasser führt, nimmt die Fähigkeit der Meeresorganismen ab, Schalen und Skelette zu bilden. Ist im Wasser sehr wenig Karbonat vorhanden, kann die Versauerung des Wassers im Extremfall sogar zur Auflösung von Kalkschalen und Skeletten führen.

Abb. 3.14 > Die mikroskopisch kleinen Coccolithophoriden (Kalkalgen) bilden Panzerplatten aus Kalziumkarbonat (Kalk). In Jahrmillionen haben sich die Panzer abgestorbener Coccolithophoriden am Meeresboden zu mächtigen Kalkschichten angesammelt. Auch die Kreidefelsen von Dover bestehen aus solchen Panzern.