Alkalinität – die unterschätzte Köchin in der „Klimaküche Ozean“

Zum Hintergrund: Der Kohlendioxid (CO₂)-Gehalt der Atmosphäre steht im Gleichgewicht mit dem CO₂-Gehalt des Wassers (Abbildung 2). Nimmt der Kohlendioxidgehalt in der Luft zu, entsteht ein Konzentrationsgefälle zwischen Luft und Meer und das Ozeanwasser nimmt größere Mengen von CO₂ auf. Dadurch wird weiteres CO₂ aus der Luft im Wasser gelöst bis das Konzentrationsgefälle ausgeglichen und das Gleichgewicht wiederhergestellt ist. Das Kohlendioxid löst sich aber nicht nur im Wasser, sondern reagiert auch chemisch mit dem Wasser. Durch diese Reaktion entsteht Kohlensäure und der pH-Wert des Meerwassers sinkt. Das Ozeanwasser wird durch die Aufnahme von CO₂ also etwas saurer. Und obwohl der pH-Wert generell im basischen Bereich bleibt (Abbildung 2) ist diese sogenannte „Ozeanversauerung“ ein großes Problem, besonders für Meereslebewesen, die eine Kalkschale haben. Empfindliche Muscheln zum Beispiel müssen dann zusätzlich Energie aufwenden, um ihre Kalkschalen aufzubauen und die Schalenbildung ihrer Larven wird gestört. Das macht sie anfälliger für Fressfeinde (s. auch Weltklimarat betont Bedeutung der Ozeane).

Verschiedene Meeresgebiete enthalten unterschiedliche Mengen an Karbonaten und es gibt verschiedene Wege, wie diese Hauptspieler der Alkalinität ins Wasser der Ozeane gelangen. Diese Unterschiede zu untersuchen, ist Voraussetzung, um die Regulierungsfunktion der Ozeane auch unter Bedingungen des Klimawandels zu verstehen und unter verschiedenen Szenarien vorhersagen zu können.

Alkalinität entsteht grundsätzlich auf zwei Wegen: Einerseits durch ganz langfristige Vorgänge bei der Verwitterung von Gesteinen und andererseits durch kurzfristige biologische Prozesse in den sauerstoffarmen (anaeroben) Sedimenten der Küstenmeere.

Bei der Verwitterung von Gesteinen an Land werden Stoffe freigesetzt, die über die Flüsse in die Küstengewässer und die Ozeane eingetragen werden (Abbildung 3). So gelangen z.B. Calcium, Karbonate (im Wasser als Hydrogenkarbonat- und Karbonationen) und andere Salze ins Meer. Die Konzentration hängt unter anderem von der Zusammensetzung der Gesteine in einer Region ab, und davon, wie viel Niederschlag dort fällt, mit dem die Karbonate vom Land ins Meer gespült werden.

Hydrogenkarbonat- und Karbonationen entstehen aber nicht nur durch die Verwitterung von Gesteinen, sondern auch im Wechselspiel der sogenannten biogeochemischen Prozesse direkt im Meer. Photosynthese und Atmung beeinflussen die Komponenten des Karbonatsystems, wie im Wasser gelöstes CO₂, pH und anorganische Kohlenstoffverbindungen. Eine besonders interessante Rolle spielt hier die anaerobe Atmung, die durch bestimmte Bakterien in sauerstoffarmen Bereichen, zum Beispiel in den Sedimenten von flachen Küstengewässern und im Wattenmeer, stattfindet. Diese Bakterien nutzen für ihren Stoffwechsel nicht Sauerstoff, sondern Nitrat zur Energiegewinnung. Bei diesem Prozess, der als Denitrifikation bezeichnet wird, setzen die Mikroorganismen organische Stoffe um und als Stoffwechselprodukt werden schließlich gelöste Karbonationen frei. Für die tidebeeinflussten Wattenmeergebiete der Deutschen Bucht wurde dieser Zusammenhang von hohen Alkalinitätswerten und Denitrifikation gezeigt (Thomas et al., 2009). Das bedeutet: Je mehr Nitrat im Wasser oder im Sediment anaerob umgesetzt wird, desto mehr Karbonate geben die Mikroorganismen ab. Und damit steht letztlich auch mehr Karbonat zur Verfügung, die Alkalinität und damit die Aufnahmekapazität der Ozeane für CO₂ ist höher.

In den letzten Jahren wurden Methoden entwickelt, um Alkalinität im Meerwasser automatisiert und damit kontinuierlich vor Ort zu bestimmen. Mit einem am HZG entwickelten Messinstrument („Hydro-FIA TA“) kann die Alkalinität im oberflächennahen Wasser direkt vor Ort von Schiffen aus im Durchflussverfahren gemessen werden. Für die Untersuchungen wird das neue Messinstrument mit einer sogenannten FerryBox (Petersen, 2014; ESKP-Artikel „Meeresforschung mit dem Fährschiff“) kombiniert. Die FerryBox misst gleichzeitig zahlreiche Zustandsgrößen wie Temperatur, Salzgehalt, Sauerstoff, Chlorophyll, pH, CO₂-Partialdruck und gelöstes organisches Material.

Um Einsichten in den saisonalen Verlauf (Jahreszyklus) der Alkalinität zu gewinnen und ihre möglichen Quellen zu identifizieren, wurde die Gesamtalkalinität in einer Langzeitstudie über zehn Monate kontinuierlich alle zehn Minuten von bestimmten Schiffen aus gemessen, die in der Nordsee unterwegs waren (Abbildung 5). Die Wissenschaftler fanden deutliche regionale und saisonale Schwankungen, die durch lokale Veränderungen in biologischen Prozessen und der Gezeitendynamik erklärt werden können. Während die Schwankungen weitgehend unabhängig von Einträgen durch die Flüsse Elbe und Rhein sind (sie erklären nur neun Prozent), spielt das Wattenmeer und die dortige Primärproduktion als Quelle von Alkalinität für die angrenzenden Küstengewässer eine große Rolle. Die Gezeiten sorgen für regelmäßigen Wasseraustausch zwischen Wattenmeer und angrenzender Nordsee.

Für den Zusammenhang von Alkalinität und Klimawandel spielen zwei Aspekte eine besonders wichtige Rolle: Zum einen geht es um die Frage, ob und inwieweit die Fähigkeit, im Meer Kohlendioxid binden zu können, direkt durch den Klimawandel beeinflusst und eventuell gestört wird. Ein anderer Aspekt sind die weitreichenden Maßnahmen, die diskutiert werden, um CO₂ aus der Atmosphäre zu entnehmen. Die Frage ist hier letztlich, ob dieses „Climate Engineering“ an anderer Stelle indirekte, unerwünschte Folgen nach sich zieht. Da Küstensysteme wichtige regulatorische Player sind, ist es besonders wichtig, diese Zusammenhänge und die verschiedenen Einflüsse auf die Alkalinität gut zu verstehen. 

Die Stoffflüsse, welche die Alkalinität bestimmen, werden daher untersucht und die Auswirkung auf die CO_2- und pH-Pufferkapazität abgeschätzt. Wichtig ist, zu wissen, wie empfindlich die beteiligten Prozesse auf Klima- und andere menschengemachte Veränderungen reagieren. Diesen Fragen wird im DAAD-Projekt „The Ocean's Alkalinity“ nachgegangen.

Der Klimawandel greift in den Entstehungsweg „Verwitterung“ ein, indem er die Verwitterungsraten von Gesteinen an Land erhöht. Einerseits beschleunigt die Temperaturerhöhung die Verwitterungsrate direkt, andererseits werden durch den Rückzug der Gletscher weitere Flächen freigelegt und der Erosion und Verwitterung ausgesetzt (Abbildung 6). Dadurch ist möglicherweise mit einem Anstieg des Transports von Erosions- und Verwitterungsprodukten, und damit von Karbonaten, vom Land in die Ozeane zu rechnen.

Komplizierter ist die Wirkung auf den sogenannten „metabolischen Entstehungsweg“ der Alkalinität. Damit ist der derjenige Anteil gemeint, der durch den Stoffwechsel von Lebewesen bedingt ist (Abbildung 7). Eine Temperaturerhöhung wirkt in vielfältiger Weise auf den Stoffwechsel der Lebewesen ein. Photosynthese und Atmung wiederum beeinflussen die Komponenten des Karbonatsystems, wie das im Wasser gelöste CO₂, den pH-Wert und anorganische Kohlenstoffverbindungen, und die daraus resultierende Alkalinität. Diese Wechselwirkungen stehen wiederum in Verbindung zur verfügbaren Menge an Nährstoffen und organischen Kohlenstoffverbindungen, die quasi die Nahrungsgrundlage bilden. Es wird daher zurzeit untersucht, wie die anaeroben Prozesse auf einen verstärkten Eintrag dieser Stoffe in die Ökosysteme reagieren. Festzuhalten ist also: Die die Alkalinität bestimmenden Prozesse sind also empfindlich gegenüber klimatischen und menschengemachten Veränderungen.

Um die Konzentration des atmosphärischen Kohlendioxids drastisch zu verringern, wie im Klimaschutz-Übereinkommen von Paris vereinbart, werden verschiedene Maßnahmen diskutiert. Eine wichtige Rolle spielt in allen Szenarien die Nutzung von Bioenergie, das heißt der Anbau von Energiepflanzen in großem Maßstab (Climate Engineering, Abbildung 8). Dieser Energiepflanzenanbau wird große Mengen an Dünger benötigen. Dies wiederum würde zu einem verstärkten Nitrateintrag in die Küstenmeere führen und entsprechende Konsequenzen für die Umwelt nach sich ziehen. Denn durch den aufgezeigten Zusammenhang mit der Alkalinität wird die Fähigkeit zur Aufnahme von Kohlendioxid gesteigert.

Nitrateinträge überdüngen – mit den bekannten Folgen der Eutrophierung: Massenwachstum von Algen, starke Sauerstoffzehrung beim Abbau der entstehenden organischen Substanz, sauerstoffarme Zonen, Verstärkung von anaeroben Stoffwechselvorgängen und schließlich Absterben von Tieren, die auf Sauerstoff angewiesen sind, wie zum Beispiel Fischen und Muscheln. In manchen überdüngten Meeresgebieten gibt es am Meeresgrund schon heute solche sauerstofffreien, für viele Lebewesen lebensfeindlichen Zonen. Der intensive Anbau von Energiepflanzen an Land kann diesen Effekt verstärken (vgl. Wahl, 2020)

Zusätzliches Nitrat kann also keine Lösungsstrategie für den Klimawandel sein. Es gilt immer, Vor- und Nachteile verschiedener Maßnahmen zu diskutieren und abzuwägen. Überdüngung und Klimawandel sind an vielen Küsten weltweit ernste Problem. Die Folgen müssen weiter genau beobachtet und untersucht werden, auch im Zusammenhang miteinander und mit anderen Faktoren menschlichen Wirkens.