Die Ozeane der Welt bedecken mehr als 70 Prozent der Erdoberfläche und dienen als größte aktive Kohlenstoffsenke der Erde, die etwa ein Viertel des Kohlendioxids (CO2) absorbiert, das menschliche Aktivitäten in die Atmosphäre freisetzen. Dieser natürliche Dienst moderiert die globalen Temperaturen und puffert die schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels. Doch genau der Prozess, der die Ozeane zu einem Klimaverbündeten macht, erzeugt auch eine tiefgreifende und wachsende Bedrohung: die Versauerung der Ozeane. Mit steigenden CO2-Konzentrationen verschiebt sich die Chemie des Meerwassers, gefährdet das Meeresleben vom mikroskopisch kleinen Plankton bis zu hoch aufragenden Korallenriffen. Der daraus resultierende Verlust der marinen Biodiversität schwächt die Fähigkeit der Ozeane, das Klima zu regulieren, und erzeugt eine gefährliche Rückkopplungsschleife, die die globale Erwärmung verstärkt, die Fischerei stört und die Ernährungssicherheit für Milliarden von Menschen untergräbt.

Die Chemie der Ozeanversauerung

Wie CO2 den pH-Wert von Meerwasser verändert

Wenn sich atmosphärisches CO2 in Meerwasser auflöst, durchläuft es eine Reihe chemischer Reaktionen. Erstens reagiert CO2 mit Wasser (H2O) zu Kohlensäure (H2CO3). Diese schwache Säure zerfällt schnell in Wasserstoffionen (H+) und Bicarbonationen (HCO3-). Der Anstieg der Wasserstoffionen senkt den pH-Wert des Ozeans - ein Maß für den Säuregehalt. Seit der industriellen Revolution ist der pH-Wert der Oberflächenmeere um etwa 0,1 Einheiten gesunken, was einer 30-prozentigen Zunahme des Säuregehalts entspricht. Die Änderungsrate ist laut dem Zwischenstaatlichen Ausschuss für Klimaänderungen in den letzten 55 Millionen Jahren etwa 100-mal schneller als jede natürliche Verschiebung.

Carbonat-Sättigungszustand

Eine entscheidende Folge der erhöhten Wasserstoffionenkonzentration ist die Reduktion von Carbonationen (CO32-). Carbonationen sind die Bausteine, die Meeresorganismen verwenden, um Kalziumkarbonatschalen und -skelette zu konstruieren. Mit sinkendem pH-Wert wird Karbonat weniger verfügbar und der Sättigungszustand von Kalziumkarbonatmineralien - Arabonit und Calcit - sinkt. Wenn Gewässer in Bezug auf Aragonit, die Form von Kalziumkarbonat, die von Korallen und vielen Mollusken verwendet wird, untersättigt werden, können diese Organismen nicht leicht wachsen oder ihre Strukturen aufrechterhalten. Dieser Prozess findet bereits in polaren und aufsteigenden Regionen statt, in denen kaltes Wasser natürlich mehr CO2 enthält und besonders anfällig ist.

Biologische Auswirkungen der Versauerung auf Meeresorganismen

Korallenriffe an der Front

Korallenriffe gehören zu den empfindlichsten Ökosystemen für die Versauerung. Korallen bauen über Jahrhunderte massive Kalziumkarbonat-Rahmen, aber unter den derzeitigen CO2-Emissionspfaden projizieren Modelle, dass bis 2050 viele tropische Riffe so niedrige Sättigungszustände erfahren werden, dass die Netto-Rifferosion das Riffwachstum übersteigen wird. Das Great Barrier Reef zum Beispiel hat seit den 1990er Jahren aufgrund des kombinierten Drucks von Bleichen, Krankheit und Versauerung bereits mehr als die Hälfte seiner Korallenbedeckung verloren. Eine 2020-Studie in Nature fand heraus, dass selbst wenn die globale Erwärmung auf 1,5 ° C gehalten wird, die Versauerung allein könnte die Korallenkalkifizierungsraten um 15 bis 25 Prozent senken.

Schalentiere und Pteropoden: Die Basis des Nahrungsnetzes

Pteropoden – kleine schwimmende Meeresschnecken, die oft als Seeschmetterlinge bezeichnet werden – sind ein wichtiges Beutegut für Lachs, Hering und sogar Wale. Ihre dünnen Aragonitschalen sind akut anfällig für Auflösung in angesäuertem Wasser. Laborexperimente zeigen, dass, wenn Pteropoden CO2-Werten ausgesetzt sind, die für das Ende dieses Jahrhunderts prognostiziert werden, ihre Schalen sichtbar entsteint und zerbrechlich werden. Austern, Muscheln und Muscheln stehen vor ähnlichen Herausforderungen. Die Austernindustrie im pazifischen Nordwesten hat bereits massive Brütereiausfälle im Zusammenhang mit angesäuertem aufgewühltem Wasser erlebt, die Millionen von Dollar kosten und die Züchter zwingen, teure Überwachungs- und Puffersysteme zu übernehmen. Die National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) hat dokumentiert, dass die Versauerung das Überleben von Larvenaustern um bis zu 80 Prozent reduzieren kann.

Fischverhalten und Physiologie

Die Versauerung betrifft nicht nur Muschelbauer. Fische können eine beeinträchtigte sensorische Funktion, verändertes Verhalten und reduzierte Wachstumsraten erfahren. Studien an Clownfischen haben gezeigt, dass erhöhtes CO2 die Funktion des GABAA-Rezeptors im Gehirn stört und die Fähigkeit beeinträchtigt, Raubtiere zu erkennen und geeigneten Lebensraum zu finden. Diese neurologische Störung kann zu riskantem Verhalten führen - Schwimmen in Richtung Raubtier-Signale statt weg von ihnen - und kann die Überlebensraten in freier Wildbahn verringern. Während Fische möglicherweise mehr physiologische Pufferkapazität haben als wirbellose Tiere, wird der kumulative Stress von Erwärmung, Sauerstoffverlust und Versauerung wahrscheinlich viele Populationen über ihre adaptiven Grenzen hinausbringen.

Verlust der biologischen Vielfalt im Meer: Eine Krise multipliziert

Korallenriffe als Biodiversitäts-Hotspots

Korallenriffe beherbergen schätzungsweise 25 Prozent aller Meeresarten, obwohl sie weniger als 1 Prozent des Meeresbodens bedecken. Der Verlust des Korallengerüsts durch Versauerung und Bleichen löst eine Kaskade des Rückgangs der biologischen Vielfalt aus. Wenn Korallen sterben, bricht die komplizierte dreidimensionale Struktur zusammen, die Fischen, Krustentieren und Weichtieren Schutz bietet. Herbivore Fische, die das Algenwachstum kontrollieren, verschwinden und das Riff verschiebt sich in einen von Algen dominierten Zustand mit geringer Vielfalt. Diese Phasenverschiebung ist auf menschlicher Zeitskala oft irreversibel. Das UN-Umweltprogramm warnt davor, dass ohne signifikante Emissionsreduktionen mehr als 90 Prozent der tropischen Korallenriffe bis 2050 einem schweren Abbau ausgesetzt sein werden.

Verlust von Kaltwasser-Korallen-Habitaten

Der Verlust der biologischen Vielfalt beschränkt sich nicht auf warme, sonnenbeschienene Riffe. Kaltwasserkorallen, die in tiefen, dunklen Gewässern vor den Kontinentalschelfs gedeihen, sind gleichermaßen bedroht. Diese Korallen bilden große Hügel, in denen reiche Gemeinschaften von Fischen, Schwämmen und spröden Sternen leben. Da tiefe Gewässer bereits näher am aragonitischen Sättigungshorizont liegen, wird die Versauerung sie früher untersättigt machen. Eine Überprüfung von 2013 in Frontiers in Marine Science schätzte, dass bis zum Ende des Jahrhunderts bis zu 70 Prozent der bekannten Kaltwasserkorallenlebensräume korrosiven Gewässern ausgesetzt sein könnten.

Phytoplankton und die biologische Pumpe des Ozeans

Phytoplankton, die mikroskopisch kleinen Pflanzen, die in sonnenbeleuchteten Oberflächengewässern treiben, sind die Grundlage des marinen Nahrungsnetzes. Sie treiben auch die biologische Kohlenstoffpumpe an - den Prozess, bei dem durch Photosynthese gebundenes CO2 als organischer Abfall in die Tiefen des Ozeans sinkt. Die Versauerung kann die Zusammensetzung der Phytoplanktongemeinschaft verändern, was einige Arten gegenüber anderen bevorzugt. Zum Beispiel werden die verkalkenden Coccolithophore, die winzige Kalziumkarbonatplatten produzieren, voraussichtlich mit fallendem pH-Wert sinken. Große Verschiebungen des Phytoplanktontyps könnten die Effizienz der Kohlenstoffbindung stören und die Menge an Energie reduzieren, die auf höhere trophische Ebenen übertragen wird. Eine Modellierungsstudie aus dem Jahr 2019 zeigte, dass die Ozeanversauerung die globale Primärproduktivität um 5-10 Prozent unter hochemissionsrelevanten Szenarien reduzieren könnte.

Ökosystemdienstleistungen sind bedroht

Der Verlust der marinen Biodiversität untergräbt direkt die Ökosystemleistungen, auf die die menschliche Gesellschaft angewiesen ist. Die Fischerei liefert über 3 Milliarden Menschen Protein und unterstützt die Lebensgrundlage von 10-12 Prozent der Weltbevölkerung. Allein die Korallenrifffischerei wird auf etwa 6,8 Milliarden Dollar pro Jahr geschätzt. Da die Versauerung die Muschelbestände schwächt und die Lebensräume von Fischzuchtbetrieben abbaut, geht das Fangpotenzial zurück. Der Küstenschutz ist ebenfalls gefährdet: Gesunde Korallenriffe und Austernbänke puffern die Küsten vor Wellenenergie und Sturmfluten. Der US Geological Survey berechnete, dass der Verlust von nur einem Meter Korallenriff die Kraft der Wellen, die das Ufer erreichen, verdoppeln kann, was das Erosions- und Hochwasserrisiko erhöht.

Meeresklimaverordnung: Feedback-Schleifen und Schwellenwerte

Der Kohlenstoffsenke Ozean unter Belagerung

Der Ozean absorbiert derzeit etwa 2,6 Milliarden Tonnen Kohlenstoff pro Jahr, ungefähr 26 Prozent der jährlichen anthropogenen CO2-Emissionen. Diese Aufnahme wird teilweise durch die Löslichkeitspumpe (CO2 löst sich direkt in kaltes, dichtes Wasser auf) und teilweise durch die biologische Pumpe verursacht. Während sich der Ozean erwärmt und versauert, ist die Effizienz beider Pumpen beeinträchtigt. Wärmeres Wasser enthält weniger gelöstes CO2, wodurch die Löslichkeitspumpe reduziert wird. Inzwischen verändern Versauerung und Nährstoffveränderungen die Zusammensetzung und Größe des Phytoplanktons und schwächen möglicherweise die biologische Pumpe. Erdsystemmodelle deuten darauf hin, dass die Kohlenstoffsenke des Ozeans bis zum Ende des Jahrhunderts unter Business-as-usual-Szenarien um 10-20 Prozent schwächer werden kann, was mehr CO2 in der Atmosphäre zurücklässt und die globale Erwärmung beschleunigt.

Wärmeabsorption und Ozeanzirkulation

Ozeane haben seit den 1970er Jahren mehr als 90 Prozent der zusätzlichen Wärme absorbiert, die von Treibhausgasen eingeschlossen wird. Diese massive Wärmeaufnahme hat die Erwärmung der Atmosphäre verlangsamt, aber zu einem Preis: Sie treibt die thermische Ausdehnung an (verantwortlich für etwa ein Drittel des beobachteten Meeresspiegelanstiegs), verändert die Meeresströmungen und trägt zu Meereshitzewellen bei. Diese Hitzewellen – verlängerte Perioden von anomaler Seegrasfläche – sind häufiger und intensiver geworden, mit verheerenden Folgen für Seetangwälder, Seegraswiesen und Korallenriffe. Der „Blob im Nordpazifik 2013-2016 störte das Nahrungsnetz vom Plankton über Seevögel bis hin zu kommerziell wertvollen Fischen wie Lachs, was zu Fischereischließungen und wirtschaftlichen Verlusten führte.

Albedo und biogeochemische Rückkopplungen

Meeresökosysteme beeinflussen das Klima auch durch Albedo (Reflexion) und die Produktion von biogenen Gasen. Korallenriffe und Seegraswiesen haben beispielsweise eine relativ geringe Albedo im Vergleich zu Sand, aber ihr Beitrag zur Wolkenbildung durch Dimethylsulfid (DMS) ist signifikant. DMS, das durch Phytoplankton freigesetzt wird, oxidiert zu Sulfatpartikeln, die als Wolkenkondensationskerne dienen, Wolken aufhellen und Sonnenlicht reflektieren. Ein Rückgang des verkalkten Phytoplanktons wie Coccolithophore könnte die DMS-Produktion reduzieren, was zu einer positiven Rückkopplung führt, die die Erwärmung verstärkt. Diese biogeochemischen Rückkopplungen sind komplex und noch nicht vollständig in die Klimaprojektionen integriert, unterstreichen aber die enge Kopplung zwischen der Ozeanbiologie und dem Klimasystem.

Bedrohungen adressieren: Minderung und Anpassung

Tiefe und schnelle Emissionsreduktionen

Die Ursache für die Ozeanversauerung und -erwärmung ist atmosphärisches CO2. Die Stabilisierung der Ozeanchemie erfordert, dass die Welt so schnell wie möglich, idealerweise bis zur Mitte des Jahrhunderts, Netto-Null-CO2-Emissionen erreicht. Der IPCC-Sonderbericht über den Ozean und die Kryosphäre in einem sich verändernden Klima betont, dass jeder Bruchteil eines Grades der Erwärmung für den Ozean von Bedeutung ist. Die Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5 °C im Vergleich zu 2 °C würde die Schwere der Ozeanversauerung verringern, den Verlust von Korallenriffen begrenzen und ein höheres Niveau der marinen Biodiversität erhalten. Politische Mechanismen wie Kohlenstoffpreisgestaltung, Mandate für erneuerbare Energien und strenge Emissionsstandards für Schifffahrt und Industrie sind unerlässlich.

Meeresschutzgebiete und Refugien

Meeresschutzgebiete können die Versauerung nicht verhindern, aber sie können andere Stressfaktoren wie Überfischung, Verschmutzung und Zerstörung von Lebensräumen reduzieren und die Widerstandsfähigkeit der marinen Ökosysteme verbessern. Klimafreundliches MPA-Design identifiziert potenzielle Refugien - Gebiete, in denen die Bedingungen länger günstig bleiben können - wie Regionen mit natürlich höheren Karbonatsättigungszuständen oder kühleren Gewässern. Das Übereinkommen über biologische Vielfalt hat den Schutz von 30 Prozent der Ozeane bis 2030 gefordert, und ordnungsgemäß durchgesetzte MPA innerhalb dieses Ziels könnten dazu beitragen, die Verluste der biologischen Vielfalt zu begrenzen, während die globalen Emissionen unter Kontrolle gebracht werden.

Restaurierung und Kohlendioxidabtrennung

Bemühungen zur Wiederherstellung von Ökosystemen wie Korallengartenarbeit, Wiederaufbau von Austernriffen und Seegraspflanzen können die Komplexität von Lebensräumen lokal verbessern und Ökosystemleistungen erbringen, obwohl sie nicht skalierbar sind, um die globale Versauerung auszugleichen. Technologien zur Kohlendioxidentfernung (CDR), einschließlich der direkten Abscheidung und Verbesserung der Ozeanalkalinität, werden als potenzielle Werkzeuge zur Verringerung des CO2-Erzeugnisses erforscht. Die Verbesserung der Ozeanalkalinität - die Zugabe von alkalischen Mineralien wie Olivin in das Meerwasser - könnte theoretisch der Versauerung entgegenwirken und gleichzeitig die Kapazität des Ozeans zur Aufnahme von CO2 erhöhen. Die ökologischen Auswirkungen und die wirtschaftliche Machbarkeit von groß angelegten CDR sind jedoch nach wie vor ungewiss, und solche Maßnahmen sind kein Ersatz für die Verringerung der Emissionen an der Quelle.

Anpassung der Fischerei- und Küstengemeinschaften

Mit den sich ändernden Bedingungen in den Ozeanen müssen die Fischereimanager flexible und vorsorgliche Ansätze verfolgen, die der veränderten Verteilung der Bestände und der sinkenden Produktivität Rechnung tragen. Instrumente wie das dynamische Meeresmanagement, das Echtzeitdaten zur Anpassung der Fischereizonen verwendet, können dazu beitragen, Beifänge zu reduzieren und gefährdete Arten zu schützen. Für von Schalentieren abhängige Gemeinschaften können die selektive Zucht von Brutbeständen mit Versauerung und Investitionen in landgestützte Baumschulen mit pH-Kontrolle das Überleben von Brutanlagen verbessern. Die Entwicklung von Überwachungsnetzwerken wie dem Global Ocean Acidification Observing Network (GOA-ON) liefert Daten, die verwendet werden können, um Frühwarnungen auszusprechen und Anpassungsstrategien zu leiten.

Schlussfolgerung

Die Ozeane sind kein passives Reservoir für vom Menschen verursachte Emissionen; sie sind ein lebendes System, das das Klima aktiv reguliert. Die Ozeanversauerung, angetrieben durch dasselbe CO2, das den Planeten erhitzt, greift die biologischen Motoren an, die die Klimadienste des Ozeans am Laufen halten. Der daraus resultierende Verlust der marinen Biodiversität kaskadiert durch Nahrungsnetze, untergräbt die Lebensgrundlagen der Fischerei und schwächt die Fähigkeit des Ozeans, Wärme und Kohlenstoff zu absorbieren. Ohne entschlossene Maßnahmen zur Reduzierung der CO2-Emissionen werden diese Veränderungen beschleunigt und Rückkopplungen auslösen, die die Klimastabilisierung noch schwieriger machen. Der Schutz des Ozeans bedeutet, dass wir uns selbst schützen müssen - jeder Korallenpolyp, jeder Pteropod, jede Phytoplanktonzelle ist wichtiger als wir bisher erkannt haben.

Weiterlesen: Der IPCC-Sonderbericht über Ozean und Kryosphäre bietet einen umfassenden Überblick über diese Bedrohungen. Das NOAA-Programm zur Ozeanversauerung bietet fortlaufende Überwachungsdaten. Für einen tiefen Einblick in die ökologischen und wirtschaftlichen Auswirkungen siehe die Synthese von Naturklimaänderungen zu Ozeanversauerungsrisiken.