– Bedeutung Aufnahme und Folgen
Der Ozean nimmt derzeit mehr CO₂ auf, als er natürlicherweise sollte. Die Weltmeere haben zwischen 1994 und 2007 etwa 31 Prozent der gesamten menschgemachten CO₂-Emissionen aufgenommen. Seit der Industrialisierung nehmen die Ozeane jedes Jahr rund ein Drittel des menschengemachten CO₂ auf.
Die Überlastung zeigt sich in:
Ozeanversauerung durch die massive CO₂-Aufnahme
Abnehmender Aufnahmefähigkeit bei steigenden Temperaturen
Regionalen Umkehrungen, wo Meeresgebiete bereits mehr CO₂ abgeben als aufnehmen.
Der Ozean als größter Kohlenstoffspeicher der Erde
Die Weltmeere fungieren als der größte aktive Kohlenstoffspeicher unseres Planeten. Mit etwa 38.000 Gigatonnen gespeicherten Kohlenstoffs übertreffen sie die terrestrische Biosphäre um das 16-fache und die vorindustrielle Atmosphäre sogar um das 60-fache. Diese beeindruckende Speicherkapazität macht den Ozean zu einem zentralen Akteur im globalen Klimasystem.
Der Kohlenstoff wird hauptsächlich in Form von gelöstem anorganischem Kohlenstoff (DIC) gespeichert, der aus drei Komponenten besteht: gelöstem CO₂, Bikarbonat- und Karbonat-Ionen. Diese verschiedenen Formen des Kohlenstoffs stehen in einem dynamischen Gleichgewicht, das durch den pH-Wert des Meerwassers beeinflusst wird.
Mechanismen der CO₂-Aufnahme aus der Atmosphäre
Die Ozeane absorbieren derzeit etwa 25-30% der von Menschen verursachten CO₂-Emissionen, was mehr als 2 Petagramm (2 Milliarden Tonnen) Kohlenstoff pro Jahr entspricht. Diese Aufnahme erfolgt hauptsächlich über die ozeanische Deckschicht, deren Dicke regional zwischen 50 und mehreren hundert Metern variiert.
Der Austausch von CO₂ zwischen Atmosphäre und Ozean wird durch den Partialdruckunterschied zwischen Luft und Wasser gesteuert. Wenn der atmosphärische CO₂-Gehalt höher ist als im Oberflächenwasser, nimmt der Ozean CO₂ auf. Umgekehrt gibt er CO₂ ab, wenn die Konzentrationen im Wasser höher sind.
Die physikalische Pumpe
Die physikalische Pumpe ist besonders effizient in Regionen, wo kaltes, salzreiches Wasser absinkt, wie im Nordatlantik und im Südlichen Ozean. Das gelöste CO₂ wird mit dem absinkenden Wasser in die Tiefe transportiert und bleibt dort für Jahrzehnte bis Jahrhunderte gespeichert. Diese Regionen sind daher von entscheidender Bedeutung für die langfristige Kohlenstoffspeicherung.
Aktuelle Forschungen bestätigen, dass der Südliche Ozean allein etwa 0,53 Petagramm mehr Kohlenstoff absorbiert als er abgibt. Diese Region spielt eine besonders wichtige Rolle, da hier das kalte antarktische Wasser aufsteigt und wieder absinkt, wodurch ein effektiver Kohlenstofftransport in die Tiefe ermöglicht wird.
Die biologische Pumpe
Die biologische Pumpe funktioniert durch marine Photosynthese. Phytoplankton, winzige Meerespflanzen, binden CO₂ aus dem Meerwasser und wandeln es in organisches Material um. Diese Organismen tragen etwa 50% zur globalen photosynthetischen Kohlenstofffixierung bei.
Ein Teil dieses organischen Materials sinkt als “marine Schneeflocken” in tiefere Schichten ab. Diese bestehen aus toten Organismen, Kot und anderen organischen Partikeln, die unter der Schwerkraft absinken. Während des Absinkens wird ein Großteil des Materials von Mikroorganismen remineralisiert, aber ein kleiner Anteil erreicht die Sedimente und wird langfristig gespeichert.
Die biologische Pumpe sequestriert jährlich etwa 2,8 Milliarden Tonnen Kohlenstoff und hält ihn für mindestens 50 Jahre vom atmosphärischen Kreislauf fern. Der Wert dieser Ökosystemleistung wird auf 545 Milliarden Dollar pro Jahr in internationalen Gewässern geschätzt.
Regionale Unterschiede in der CO₂-Aufnahme
Die Fähigkeit der Ozeane zur CO₂-Aufnahme variiert stark zwischen verschiedenen Regionen. In kalten, stürmischen Gebieten wie dem Nordatlantik und dem Südlichen Ozean ist die Aufnahme besonders hoch8910. Diese Regionen profitieren von der besseren Löslichkeit von CO₂ in kaltem Wasser und den starken Mischungsprozessen.
Tropische Auftriebsgebiete können hingegen als CO₂-Quellen fungieren, da hier kohlenstoffreiches Tiefenwasser an die Oberfläche gelangt und CO₂ an die Atmosphäre abgibt7. Diese regionalen Unterschiede sind entscheidend für das Verständnis der globalen Ozeankohlenstoffbilanz.
Neuere Studien zeigen auch, dass sich regionale Muster verändern können. Im subpolaren Nordatlantik beispielsweise wird eine Schwächung der CO₂-Aufnahme prognostiziert, da sich die Tiefenwasserbildung verringert.
Ozeanversauerung als kritische Folge
Der Versauerungsprozess
Die Aufnahme von CO₂ führt zu einer Kette chemischer Reaktionen im Meerwasser, bei der Kohlensäure entsteht und der pH-Wert sinkt. Dieser Prozess wird als Ozeanversauerung bezeichnet und stellt eine der schwerwiegendsten Folgen der CO₂-Aufnahme dar.
Aktuelle Messungen zeigen, dass der globale mittlere pH-Wert der Meeresoberfläche von 8,11 im Jahr 1985 auf 8,04 im Jahr 2024 gesunken ist, was einer Zunahme der Acidität um 18% entspricht. Seit der vorindustriellen Zeit ist die Acidität sogar um 40% gestiegen.
Auswirkungen auf marine Organismen
Die Ozeanversauerung ist besonders problematisch für kalkbildende Organismen wie Korallen, Muscheln, Krebstiere und bestimmte Planktonarten. Diese Organismen haben Schwierigkeiten, ihre Schalen und Skelette aus Kalziumkarbonat zu bilden, wenn das Meerwasser saurer wird.
Wissenschaftler verwenden den Aragonit-Sättigungsgrad als Indikator für die Fähigkeit von Organismen, ihre Kalkstrukturen zu bilden. Bei einem Sättigungsgrad unter 1 löst sich Aragonit, eine Form von Kalziumkarbonat, auf. Projektionen zeigen, dass bis 2100 etwa 61,5% der globalen Ozeanregionen unter den kritischen Schwellenwert fallen könnten.
Geschwindigkeit der Veränderung
Die aktuelle Versauerung verläuft so schnell wie seit mindestens 20 Millionen Jahren nicht mehr. Der Weltklimarat WMO berichtet, dass sich die Ozeane 10-mal schneller versauern als in den letzten 300 Millionen Jahren. Diese beispiellose Geschwindigkeit der Veränderung macht es für Meeresorganismen schwierig, sich anzupassen.
Grenzen und zukünftige Entwicklungen der Ozeanaufnahme
Temperaturbedingte Einschränkungen
Mit steigenden Wassertemperaturen nimmt die Löslichkeit von CO₂ ab, wodurch die Aufnahmefähigkeit der Ozeane sinkt. Wärmeres Wasser kann weniger CO₂ lösen, was bedeutet, dass bei fortschreitender Erwärmung mehr CO₂ in der Atmosphäre verbleibt.
Ozeanschichtung als Barriere
Die zunehmende Schichtung der Ozeane durch Erwärmung stellt eine weitere Begrenzung dar. Wenn sich die Oberflächenschicht erwärmt, wird sie weniger dicht und mischt sich schlechter mit den tieferen, kälteren Wasserschichten. Dies bremst den Transport von CO₂ in die Tiefe und reduziert die Effizienz der Kohlenstoffspeicherung.
Studien zeigen, dass die Schichtung in den oberen 200 Metern der Ozeane zwischen 1960 und 2018 um etwa 7% zugenommen hat. Diese Entwicklung könnte die Rolle der Ozeane als CO₂-Senke erheblich beeinträchtigen.
Projektionen für das 21. Jahrhundert
Klimamodelle prognostizieren, dass die Aufnahmefähigkeit der Ozeane für CO₂ im Laufe des 21. Jahrhunderts abnehmen wird2021. In extremen Erwärmungsszenarien könnte die Effizienz der CO₂-Aufnahme bis 2100 ihren Höhepunkt erreichen und bis 2300 auf nur noch die Hälfte sinken.
Diese Projektionen basieren auf der Entstehung einer oberflächlichen Schicht mit geringer Alkalinität, die die CO₂-Aufnahme behindert. Extreme Klimaveränderungen verstärken Niederschläge und verlangsamen Meeresströmungen, was zu einer warmen Süßwasserschicht an der Oberfläche führt, die sich nicht gut mit den alkalischeren Wasserschichten darunter vermischt.
Neue Entwicklungen und Forschungsansätze
Marine Kohlendioxidentfernung (mCDR)
Angesichts der Grenzen der natürlichen CO₂-Aufnahme entwickeln Wissenschaftler neue Technologien zur marinen Kohlendioxidentfernung (mCDR). Diese ozeanbasierten Techniken sollen CO₂ aus der Atmosphäre entfernen und langfristig im Ozean speichern.
NOAA hat im Januar 2025 einen ersten umfassenden Plan für die Beobachtung von Ozeankohlenstoff veröffentlicht. Dieser Plan zielt darauf ab, die Koordination und Optimierung der Ozeankohlenstoff-Beobachtungsaktivitäten zu verbessern und wichtige wissenschaftliche Fragen der nächsten 10 Jahre zu identifizieren.
Mikrobielle Entdeckungen
Neue Forschungen haben wichtige Erkenntnisse über die Rolle von Mikroorganismen im Ozeankohlenstoffkreislauf geliefert. Wissenschaftler haben eine Gruppe von Tiefseemikroben namens “langsame Kopiotrophe” identifiziert, die langsam wachsen, aber effizient schwer abbaubare organische Kohlenstoffverbindungen zersetzen können.
Diese Entdeckung bietet neue Einblicke in die Mechanismen der Kohlenstoffspeicherung und zeigt, dass selbst kleine Veränderungen in den mikrobiellen Gemeinschaften große Auswirkungen auf die Kohlenstoffspeicherung haben können.
Fazit und Ausblick
Der Ozean spielt eine unverzichtbare Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf und fungiert als wichtiger Puffermechanismus gegen die Auswirkungen menschlicher CO₂-Emissionen614. Mit seiner enormen Speicherkapazität von 38.000 Gigatonnen Kohlenstoff und der Fähigkeit, jährlich 25-30% der anthropogenen Emissionen zu absorbieren, dämpft er erheblich die Geschwindigkeit des Klimawandels.
Jedoch stehen wir vor kritischen Herausforderungen. Die Aufnahmefähigkeit der Ozeane ist nicht unbegrenzt, und die damit verbundene Ozeanversauerung stellt ein wachsendes ökologisches Problem dar5615. Die beispiellose Geschwindigkeit der Versauerung und die Erwärmung der Ozeane gefährden marine Ökosysteme und könnten die Effizienz der natürlichen Kohlenstoffpumpen verringern.
Die aktuellen Forschungen und Entwicklungen in der marinen Kohlendioxidentfernung bieten Hoffnung für zusätzliche Lösungsansätze. Gleichzeitig unterstreichen neue wissenschaftliche Erkenntnisse über mikrobielle Prozesse und regionale Unterschiede die Komplexität des Ozeankohlenstoffsystems.
Für die Zukunft wird es entscheidend sein, sowohl die natürlichen Kapazitäten der Ozeane zu verstehen und zu schützen als auch innovative Technologien zu entwickeln, die diese natürlichen Prozesse ergänzen können. Nur durch eine Kombination aus drastischen Emissionsreduktionen und dem Schutz der Meeresökosysteme können wir die lebenswichtige Rolle der Ozeane als Klimaregulatoren langfristig erhalten.
Autor: Francesco del Orbe
Grafik: Heinrich Böll Stiftung / petraboeckmann.de / CC-BY 4.0
