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Das Versauern der Meere wird dramatische Folgen haben

Die CO2-Emissionen durch den Menschen versauern die Ozeane. Das Nahrungsangebot wird sich dadurch verändern.

Die Königslachse im Nordpazifik machen der amerikanischen Fischindustrie Sorgen. Der Bestand nimmt seit drei Jahren alarmierend ab. Der begehrte Fisch sei in diesem Jahr auf dem Markt nur für teures Geld zu bekommen, vermutet die «New York Times». Die Wissenschaftler rätseln. Ist es das knappe Nahrungsangebot?

Was auch immer dem begehrten Speisefisch zusetzt, es könnte ohnehin der Anfang vom Ende sein. Junge Königslachse sind von winzigen Weichtieren abhängig, den wenige Millimeter grossen Flügelschnecken (Limacina helicina). Deren Schicksal scheint jedoch besiegelt. Die Mollusken sind ein wichtiges Glied in der Nahrungskette. Ihr Verschwinden könnte in einigen Jahrzehnten an den Meeresküsten der nördlichen Breiten eine Lücke hinterlassen. Die Ursache: Die Ozeane werden allmählich saurer.

Überforderte Natur

Das Meer ist eigentlich eine gigantische Abfallgrube. Fast die Hälfte der CO2-Treibhausgase aus der Verbrennung von Erdöl, Kohle und Erdgas hat es seit Beginn des Industriezeitalters geschluckt; die tägliche Dosis beträgt gut 20 Millionen Tonnen CO2. Das ist zu viel für das sonst robuste Puffersystem: Gelöstes Kalziumkarbonat, sprich gelöster Kalk aus dem Meeresboden und den Zuflüssen vom Kontinent, kontrollieren für gewöhnlich den Säuregrad des Meerwassers und puffern dessen Veränderungen, die durch die Aufnahme von CO2 aus der Atmosphäre entstehen.

Doch die steigenden CO2-Emissionen durch den Menschen überfordern die Natur. «Die Rate der Emissionen ist zu hoch, der natürliche Kalkpuffer des Ozeans reagiert zu langsam, um das chemische System im Gleichgewicht zu halten», sagt Ulf Riebesell. Der Wissenschaftler vom Leibniz-Institut für Meereswissenschaften in Kiel ist stellvertretender Koordinator des vor wenigen Wochen gestarteten europäischen Projekts Epoca, das die Folgen der Meeresversauerung untersucht. Es werde Jahrtausende dauern, so Riebesell, bis die Sedimente des Meeresbodens genügend Karbonat nachgeliefert hätten und sich das Meer durchmischt habe.

Wo das Puffersystem nichts mehr ausrichten kann, greift das Ökosystem Meer vorübergehend auf eine andere Kalkressource zu: auf Plankton und Bodentiere, namentlich auf Muscheln, Korallen, Foraminiferen und Organismen wie die Flügelschnecken. Diesen Organismen ist gemein: Sie bauen ihre Schalen und Skelette aus Kalzit oder dessen modifizierter Form Aragonit auf. Die Konsequenz der Versauerung: Die Kalkskelette können sich allmählich auflösen oder werden gar nicht erst gebildet. Dieser Prozess könnte schneller ablaufen als erwartet. Australische Forscher zeigten sich kürzlich überrascht, dass der Säuregrad in Korallenriffen deutlich tiefer ist als angenommen.

Der Säuregrad sinkt weiter

Im Gegensatz zu den Effekten der globalen Erderwärmung können die Wissenschaftler die Entwicklung des Säuregrades, ausgedrückt durch die Einheit pH, relativ präzise vorhersagen. «Wir wissen, dass der pH in Zukunft weiter sinken wird, wenn der CO2-Gehalt in der Atmosphäre zunimmt», sagt Nicolas Gruber vom Institut für Biogeochemie und Schadstoffdynamik der ETH Zürich. Der Wissenschaftler hat modelliert, wie sich die Säurekonzentration regional und lokal in Küstengebieten Nord- und Südamerikas entwickeln kann. Je nach Strömung und Verwirbelung sind deutliche Unterschiede zu erkennen. Dringt saures Tiefenwasser an die Oberfläche, sinkt der pH markant.

Die Konzentration von gelöstem Kalk ist in verschiedenen Küstenregionen zwischen Zentralkanada und Nordmexiko bereits so niedrig, dass in einer Tiefe von 100 Metern Kalkschalen aus Aragonit aufgelöst werden können, wie die Studie eines internationalen Forscherteams um Richard Feely zeigt («Science» online). Das sei zwar nicht ungewöhnlich, doch die betroffenen Regionen würden immer grösser. Wie stark das auf die steigenden CO2-Emissionen zurückzuführen ist, wissen die Forscher allerdings noch nicht.

Hält der Aufwärtstrend der globalen CO2-Emissionen weiterhin in diesem Ausmass an, so schätzen Klimaforscher, werden die Ozeane bis zum Jahrhundertende von einem heute durchschnittlichen pH-Wert von etwa 8,1 auf 7,8 und tiefer angesäuert werden. Was das bedeuten könnte, zeigen untermeerische Ausgasungen von Vulkanen bei der Insel Ischia nahe Neapel. Sie blasen seit Urzeiten CO2 ins Wasser. Der pH-Wert sank stellenweise auf bis zu 7,4 («Nature», Bd. 454, S. 96). Dort hat sich das Ökosystem im Vergleich zur weniger sauren Umgebung verändert: Die Zahl der Organismen wie Korallen oder Schnecken, die Kalk produzieren, sank. Seegras und Braunalgen hingegen, die von der Fotosynthese leben, profitierten vom höheren CO2-Gehalt und dem saureren Wasser.

Die Ergebnisse in Italien dokumentieren erstmals, wie in der Natur ökologische Prozesse langfristig auf eine Versauerung reagieren könnten. Anhaltspunkte in eine ähnliche Richtung gaben bisher nur Laborversuche und geschlossene Versuchsanlagen im Meer mit einer kontrollierten kurzfristigen CO2-Begasung.

Algenproduktion wird verstärkt

So wird es wie üblich Verlierer und Gewinner geben. Dass auch kalkbildende Organismen unter den Profiteuren sein könnten, wie das kürzlich eine Studie in «Science» (Bd. 320, S. 336) aufzeigte, schliesst Meeresbiologe Ulf Riebesell aus. «Der Artikel erstaunt, die Versuchsanordnung hat Fehler», sagt Riebesell. Seiner Ansicht nach gehören die Cyanobakterien und die Grünalgen zu den Gewinnern einer erhöhten CO2-Aufnahme in den Ozeanen, weil sie Kohlendioxid nur ineffizient verarbeiten. Experimente des Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften im norwegischen Raune Fjord zeigten: CO2 kann auf Mikroalgen einen Düngeeffekt haben. Das heisst: Wird die Algenproduktion im Meer verstärkt, kann der Ozean mehr CO2 aufnehmen, was den Treibhauseffekt in der Atmosphäre ein Stück weit bremsen würde. Das klingt verlockend, hat aber wie immer einen Haken. Totes Algenmaterial sinkt in die Tiefe und wird dort zersetzt. Dieser Prozess verbraucht eine Menge Sauerstoff und senkt gleichzeitig den pH-Wert.

Die grosse Frage der Wissenschaftler in den nächsten Jahren wird sein, wie sensibel Meeresorganismen auf die Versauerung reagieren und wie schnell sie sich an die neue Umgebung anpassen können. Der Säuregrad, so zeigen Daten aus Sedimentbohrungen und Modellrechnungen, hat sich in den letzten 20 Millionen Jahren nie derart verändert wie im Verlaufe der letzten hundert Jahre. «Wir hatten in der Kreidezeit vor 55 Millionen Jahren höhere CO2-Konzentrationen, aber in dieser Zeit gab es genug gelösten Kalk im Meer, um die Versauerung zu puffern», sagt Riebesell.

Mehr Gewissheit soll das Projekt Epoca bringen. 27 Institute, darunter auch die ETH Zürich und die Universität Bern, werden in den nächsten vier Jahren untersuchen, wie sich der schleichende Anstieg der Meeresversauerung an den Küsten im Nordatlantik bis nach Nordafrika auf die Ökosysteme auswirkt. «Es werden zweifellos in den Nahrungsketten Lücken entstehen. Die Frage ist nur, wie sie wieder gefüllt werden», erklärt Riebesell.

Emissionen massiv reduzieren

«Die Ergebnisse helfen, Spekulationen zu vermeiden», sagt ETH-Wissenschaftler Nicolas Gruber. Diese sind vorprogrammiert, sobald die Problematik der Meeresversauerung in der politischen Debatte um den weltweiten Klimaschutz Traktandum wird. Bisher ist sie in der öffentlichen Wahrnehmung nur ein Randthema. Welche Auswirkungen die Erderwärmung auch immer hat, in einem Punkt sind sich die Klimaforscher einig. Die Versauerung ist nicht aufzuhalten. Nur schon deshalb ist es für Ulf Riebesell notwendig, die CO2-Emissionen künftig deutlich zu reduzieren. Er hofft, dass der Uno-Weltklimarat IPCC dem Thema in Zukunft mehr Aufmerksamkeit schenkt. Der Report im letzten Jahr habe der Meeresversauerung nur eine Seite gewidmet.

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