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Magazin für Umwelt- und Tierschutz
3 Vorgänge im Meer
3.1 Einflüsse auf die Menge des Kohlenstoffs im Meer
3.2 Meerestiere bauen Schalen aus Kalziumkarbonat
3.2.1 Die Gleichgewichtsreaktion (Reaktion B)
3.2.2 Richtung, in der die Reaktion abläuft
3.2.3 Aufbau von Kalkschalen
3.3 Was beeinflusst den Aufbau der Kalkschalen?
3.3.1 Basisch oder sauer: Der ph-Wert
3.3.2 Aus Kohlendioxid wird Kohlensäure
3.3.3 Kohlensäure läßt den ph-Wert steigen
3.3.4 Und was bedeutet das für den Schalenbaustoff Kalziumkarbonat?
3.3.5 Können sich Korallen anpassen?
3.3.6 Pufferfunktion
3.4 Der Weg über die Nahrungskette
3.5 Vom Meer ins Innere der Erde
3.6 Mehr Lärm durch saures Meer
Einige Quellen
Aktualisierungen
Auch die Meereslebewesen des Meeres bestimmen die Kohlendioxidkonzentration. Dabei bestimmt ein Fließgleichgewicht die Anteile der beiden Elemente im Wasser. Es ist das Ergebnis aus Produktion und Verbrauch.
In der Photosynthese spalten die Pflanzen das Kalziumbikarbonat in Kalzium- und Hydrogenkarbonat-Ionen. Die Photosynthese entzieht dem Hydrogenkarbonat CO2. Aus dem CO2, Wasser und der Sonnenstrahlung stellen die Pflanzen dann Kohlenhydrate (C6H12O6) her. Dabei setzen sie OH- Ionen frei, die den ph-Wert erhöhen und Kalziumkarbonat ausfällen lassen (biogene Entkalkung).
Ca2+ + 2HCO3- ↔ Ca(HCO3)2
6HCO3- + 12H2O → C6H1206 + 6O2 + 6H2O + 6OH-
Die Grafik gibt eine Übersicht der Vorgänge im Meer.

Zwei oder mehr Atome können sich miteinander verbinden und wieder lösen. So können sich sich neu kombinieren. Das kann natürliche oder künstliche Ursachen haben. Solche Verbindungs- und Lösungsvorgänge nennt der Chemiker eine chemische Reaktion. Die Zahl der Atome vor und nach der Reaktion ist gleich. Sie haben sich lediglich zu neuen Gruppen (Molekülen) zusammengeschlossen.
Reaktionen kann man in chemischen Formeln beschreiben. Man kann die Formeln genau so betrachten wie ihre Gegenstücke in der Mathematik. Der Ausdruck der auf der linken Seite einer Gleichung steht, muss den gleichen Wert haben, wie der auf der rechten. Beispiele sind 10 + 10 = 20 oder 3 + 1 = 5 - 1. In der Mathematik sind beide Ausdrücke durch ein Gleichheitszeichen (=) getrennt. In der Chemie ist es auch wichtig, in welcher Richtung eine Reaktion ablaufen kann. Daher verwendet man hier einen Pfeil oder einen Doppelpfeil.
Im Zentrum des marinen Kohlenstoffhaushaltes steht eine chemische Reaktion mit dieser Formel. Reagiert Kohlensäure (H2CO3) mit Kalziumkarbonat (CaCO3), entstehen zwei Moleküle Hydrogenkarbonat (2HCO3-) und ein Kalziumatom (Ca2+). Auch diese Reaktion kann in beiden Richtungen ablaufen.
H2CO3 + CaCO3 ↔ Ca2+ + 2HCO3–
Das Hydrogenkarbonatatom hat mehr Elektronen in seiner Atomhülle als erforderlich und ist daher elektrisch negativ geladen. Solche Atome nennt man Ionen. Das Kalziumatom besitzt zu wenig Elektronen und ist daher elektrisch positiv geladen.
H2O + CO2 + CaCO3 ↔ Ca2+ + 2HCO3–
Kohlensäure reagiert mit wasserunlöslichem Kalziumkarbonat zu wasserlöslichen Hydrogenkarbonat und Kalziumionen Dabei überwiegt das gelöste Kohlendioxid. Die Reaktion kann in beide Richtungen ablaufen. Entweder wandeln sich die Moleküle auf der linken Seite in die auf der rechten um oder umgekehrt. Die Bedingungen, die im Meer vorherrschen, bestimmen die Richtung:
1. Kohlensäure und Kalziumkarbonat wandeln sich in ein Kalziumion und zwei Hydrogenkarbonat-Ionen (H2CO3 + CaCO3 → Ca2+ + 2HCO3 ), wenn:
Als Folge steigt der Anteil wasserlöslichen Hydrogenkarbonats im Ozean. Durch komplizierte Reaktionen steigt auch der Anteil von Bor-10 im Wasser. Das ist wichtig für die Klimaforschung.
2. Ein Kalziumion und zwei Hydrogenkarbonat-Ionen wandeln sich in Kohlensäure und Kalziumkarbonat. (Ca2+ + 2HCO3 → H2CO3 + CaCO3), wenn:
Als Folge steigt der Anteil wasserunlöslichen Kalziumkarbonats im Ozean. Das ist der Baustoff für die Schalen von Meeresbewohnern. Durch komplizierte Reaktionen steigt der Anteil von Bor-11 im Wasser.
Der wichtigste Punkt im Kohlenstoffkreislauf des Meeres ist also die Reaktion B. Kohlensäure reagiert mit wasserunlöslichem Kalziumkarbonat zu wasserlöslichen Hydrogenkarbonat und Kalziumionen Dabei überwiegt das gelöste Kohlendioxid.
Dort geschieht folgendes:
Durch die Reaktion B können die Lebewesen Kalziumkarbonat (CaCO3) zu gewinnen und damit ihre Schalen und Außenskelette aufbauen. Zu diesen Tieren gehören Kalkalgen, Muscheln, bodenbewohnende oder als Plankton lebende Organismen und Korallen.Muscheln stellen daraus ihre Schalen und Perlen her. Korallen nutzen den Kalk als Baumaterial für ihre Riffe. Bei Wirbeltieren bestehen die Knochen aus diesem Material. In der Geologie spricht man von Karbonatgestein (Kalkstein, Marmor).
Wichtig ist für die Schalentiere die Frage: Ist der Kohlenstoff als lösliches Hydrogenkarbonat oder als unlösliches Kalziumkarbonat gebunden? Wie er vorliegt, bestimmt die Kohlendioxidkonzentration im Wasser. Daraus folgt der Kohlensäuregehalt und der sogenannte ph-Wert. Wie das zusammenhängt, sollen die folgenden Abschnitte zeigen.
Andere Reaktionen. Die Reaktion B findet auch ohne Zutun der Meeresbewohner statt. Kalziumkarbonat kann aus Meerwasser oder beim Wachsen von Tropfsteinen (Stalaktiten und Stalagmiten) ausfällen. Auch das Material steht den Tieren zur Verfügung.
Definition von Säuren und Basen. Nach der Definition nach Johannes Brönstedt und Thomas Lowry von 1923 sind Säuren Stoffe, die Protonen abgeben und Basen solche, die Protonen aufnehmen. Eine Säure kann ein Proton abgeben und zur Base werden, eine Base wiederum ein Proton aufnehmen und zur Säure werden. OH– ist die korrespondierende Base zu H2O, H2O die korrespondierende Säure zu OH–. Ein Partner kann sich in den anderen umwandeln: H2O ↔ OH– + H+ Dabei wird das Proton (H+) aufgenommen oder abgegeben.
ph-Wert. Um nun den ph-Wert (potentia Hydrogenii) zu bestimmen, ermittelt man die Menge der Wasserstoffionen (Protonen, H+) in der Flüssigkeit, gemessen in mol/Liter. Enthält sie zum Beispiel 10-3 mol/l, hat sie den ph-Wert 3 und ist sauer (eine Säure), enthält sie 10-13 mol/l, hat sie den ph-Wert 13 und ist basisch (eine Lauge). Man verwendet also den Logarithmus des Meßwertes.
Es geht also um die Anzahl der Wasserstoffionen. Wie aber kann Kohlendioxid ihn beeinflussen?
Kohlendioxid wird zu Kohlensäure. Das im Meer gelöste CO2 beeinflußt die Chemie des Meerwassers. Es verbindet sich mit dem Wasser (H2O) des Meeres zu Kohlensäure (H2CO3-).
H2O + CO2 ↔ H2CO3
Der Doppelpfeil zeigt, dass diese Reaktion in beiden Richtungen ablaufen kann. Aus Kohlensäure kann also auch wieder Wasser und Kohlendioxid werden. Dies ist die gleiche Reaktion (A), wie beim Regen, der durch kohlendioxidhaltige Luft fällt. Sie läuft in einer Kette von Gleichgewichtsreaktionen ab. Nur ein Teil des CO2 verhält sich so. Nach Aussagen von Internetangeboten zu Aquarien reagieren nur 0,1 bis 0,2 Prozent des Gases. Die Konzentration an Kohlensäure steigt und sinkt also mit dem Kohlendioxidgehalt des Wassers.
Die Photosynthese der Cyanobakterien, des Phytoplanktons und der Pflanzen hat weitere Folgen:
Wie der Name sagt, ist das Endergebnis Kohlensäure eine Säure. Und je säurehaltiger das Wasser ist, desto weiter sinkt der ph-Wert. Der ph-Wert der Ozeane ist laut AIMS bereits um einen Wert von 0,1 gesunken. Bis Ende des Jahrhunderts werde er um den Wert 0,4 bis 0,5 niedriger sein.
Steigen Kohlendioxid- und Kohlensäuregehalt des Wassers, sinkt der ph-Wert und umgekehrt.
Zwischen Kalk und Kohlensäure stellt sich ein Gleichgewicht ein.Eine veränderte Chemie des Meereswassers verändert grundlegend das geochemische Gleichgewicht, unter dem die Organismen Schalen bilden. Kalziumkarbonat bleibt nur erhalten, wenn auch eine bestimmte Menge Kohlendioxid gelöst ist. Diese Menge nennt man Gleichgewichts-CO2.
Die Gleichgewichtsbedingung drückt die Beziehung zwischen Kohlendioxidgehalt, ph-Wert und Hydrogenkarbonatgehalt aus. Die Reaktionspartner zeigen eine charakteristische Verteilung, die vom ph-Wert abhängig ist.
| Wasser | ph-Wert | |
|---|---|---|
| sauer | geringer als 6 | alles CO2 ist gelöst, Karbonate sind kaum vorhanden |
| neutral | 7 bis 8 | alles CO2 ist als Hydrogenkarbonat gebunden. |
| alkalisch | über 9 | Gelöstes CO2 ist kaum vorhanden und stattdessen als Karbonat gebunden. |
„Säurehaltigeres Wasser macht es aber für Korallen und andere kalkbildende Organismen des Meeres schwieriger, ihre Skelette und damit ihre physische Struktur aufzubauen“, erklärt Dr. Lough vom AIMS. Dazu die Umweltschutzorganisation World Wide Fund For Nature (WWF): Wenn sich der Kohlendioxidausstoß verdoppelt, könnte der Kalkgehalt der Korallen um 40 Prozent sinken. Eine internationale Studie unter Beteiligung des Bremerhavener Alfred-Wegener-Instituts kam zum Schluß, dass Kalk aufbauende Lebewesen schon in 50 Jahren Probleme haben werden.
Ist der ph-Wert hoch, stellt die Reaktion B aus zwei Hydrogenkarbonatmolekülen und einem Kalziumion eine Kalziumkarbonat- und eine Kohlensäuremolekül her. Das ist das, was geschah, als die Flüsse die Rohstoffe für den Schalenbaustoff ins Meer spülten.
Ist der ph-Wert niedrig, läuft Reaktion B in umgekehrter Richtung ab. Schalenbaustoff und Kohlensäure werden wieder in zwei Hydrogenkarbonatmoleküle und ein Kalziumion zerlegt. Den Meeresbewohnern steht weniger Rohstoff zum Schalenbau zur Verfügung.
Forschung aktuell berichtete am 14.12.2007 von einer in der Zeitschrift Science veröffentlichten Studie, an der 17 Wissenschaftler aus sieben Ländern mitwirkten. Sie bestätigt die Auswirkungen des Kohlendioxids auf das Kalkskelett der Korallen. Der Chemiker und Ozeanograf Ken Caldeira von Carnegie-Institut der Universität von Stanford (USA) hat daran mitgewirkt. Er sagt, Korallen können sich zwar an die höheren Temperaturen anpassen. Doch dass sie sich an einen veränderten ph-Wert anpassen, wurde noch nicht beobachtet. Caldeira erklärt, nach den Erkenntnissen der Studie gäbe es bereits Mitte des Jahrhunderts keinen Ort mehr im Ozean, an dem Korallen überleben können.
Das Karbonatsystem des Wassers ist als Gemisch aus schwacher Säure und Salzen ein typischer Puffer. Solche Puffer fangen geringe Mengen von Säuren oder Basen ab, die ins Wasser fließen. Der ph-Wert ändert sich dabei nicht. Das Hydrogenkarbonat bindet die H+ Ionen einer Säure. Diese Eigenschaft heißt Säure-Bindungsvermögen (SBV). Dabei entsteht Kohlensäure, die größtenteils in Wasser und Kohlendioxid zerfällt. Der Rest dissoziiert so schwach, dass sich die H+ Konzentration leicht erhöht. Die OH- Ionen einer Base bindet dagegen das CO2 und es bildet sich Hydrogenkarbonat. Dieser Verlust wirkt sich nur geringfügig auf die Konzentration der Kohlensäure aus und der ph-Wert steigt nur schwach an. Hydrogenkarbonat-Ionen binden überschüssige Hydroxonium- und Hydroxid-Ionen (OH-) und wirken dabei als Puffer. H30+ Ionen reagieren mit Hydrogen- und Karbonationen und verschieben das Gleichgewicht in Richtung Kohlendioxid. Hartes Wasser ist ein besserer Puffer als weiches, denn es enthält mehr Hydrogenkarbonat.
Das pflanzliche Plankton baut über die Photosynthese das Kohlendioxid bzw. den Kohlenstoff in seine Zellen ein. Über die Nahrungskette wird es an Krebse, Fische und Wale weitergereicht. Sterben sie, sinkt der Kohlenstoff mit ihren Körpern in die Tiefe. Beim Absinken und am Boden zersetzen anderen Meeresbewohner und Bakterien ihre Körper. Die Bakterien setzen das CO2 wieder frei. Es löst sich erneut im Wasser und kann von dort aus wieder am Kreislauf teilnehmen.
Das Kalziumkarbonat ist schwerer als Wasser und sinkt auf den Meeresgrund. Aber auch gestorbene Schalentiere und Plankton sinken in die Tiefe hinab. Ist der Ozean zu tief, lösen sie sich vorher auf. Der Anteil toter Pflanzen und Tiere, die den Meeresgrund erreichen, ist erstaunlich gering. Nur 0,1 Prozent von ihnen kommen unten an. Dort lagern sie sich als Sediment ab. 0,2 Gt CO2 werden auf diese Art jährlich gebunden. Großer Druck, Mikroorganismen und hohe Temperaturen lassen Kohenwasserstoffmoleküle wie das Methan des Erdgases oder auch Erdöl entstehen. In der Form kann der Kohlenstoff für Jahrmillionen dem Kreislauf entzogen sein.
Was dann geschieht, hat mit der so genannten Plattentektonik zu tun. Die Erdkruste besteht aus vielen Bruchstücken, den ozeanischen und kontinentalen Platten. Kollidieren zwei von ihnen miteinander, kann zweierlei passieren:
Aber auch Menschen fördern ihn wieder zutage und setzen ihn als Kohlendioxid frei.
Lärm ist schon heute ein Problem in den Ozeanen. Wale singen, die Brandung schlägt an die Ufer, Schiffsschrauben pflügen durchs Wasser und Maschinen für Brücken- und Windradbau dröhnen. Doch in Zukunft wird es noch lauter, stellten Tatiana Ilyina von der University of Hawaii in Honolulu und ihr Team fest. Normalerweise schlucken die Viskosität der Flüssigkeit und Mineralien wie Magnesiumsulfat, Borat oder Karbonat den Schall. Doch ihre Konzentration ist abhängig vom pH-Wert. Wenn er sinkt und damit die Versauerung zunimmt, nimmt die Mineralkonzentration ab und der Lärmpegel steigt. Das wirkt sich vor allem auf die tiefen Töne aus, denn die Mineralstoffe absorbieren besonders im Bereich um 1000 Hertz.
Seit Beginn der Industriellen Revolution ist der pH-Wert der Meere um 0,1 gesunken. Das hat für einen um zehn Prozent erhöhten Lärm gesorgt. Bis 2300 soll er nach Angaben von Wissenschaftlern um 0,6 sinken und die Absorptionsfähigkeit im Bereich von 100 bis 10.000 Hertz um 60 Prozent. Der Lärmpegel würde also um 60 Prozent zunehmen. Schiffe emittieren den größten Teil des Schalls von 5 bis 500 Hertz. Der Schiffsverkehr verdoppelte sich von 1970 bis 2010.
Kaltes Meerwasser nimmt Kohlendioxid auf, warmes gibt es ab. Deshalb sind besonders arktische Gewässer oder Meeresgebiete mit Tiefenwasserbildung betroffen. Das gilt auch für den kühlen Nordatlantik, wo es ohnehin viel lärmenden Schiffsverkehr und Industrie gibt. In warmen Gewässern sind durch ihre höhere Salzkonzentration die Auswirkungen geringer.
Mehr Lärm, das bedeutet Gehör- und Gewebeschäden an Walen und Delfinen. Da sie sich mit tiefen Tönen verständigen, bricht zudem ihre Kommunikation zunehmend zusammen. Deshalb meiden Buckelwale und Belugas Ölbohrinseln und Schiffsrouten. An anderen Stellen stranden ganze Walschulen, deren Schallortung beeinträchtigt ist. (Ilyina, 2009)
Ilyina, 2009: Ilyina, T. et al.: Future ocean increasingly transparent to low-frequency sound owing to carbon dioxide emissions. In: Nature Geoscience 10.1038/ngeo719, 2009, in: Sauer macht laut, Spektrumdirekt, 21.12.2009
Khatiwala, 2009: Samar Khatiwala, F. Primeau, T. Hall, reconstruction of the history of anthropogenic CO2 concentrations in the ocean, Artikel, Nature, Ausgabe 462, Seite 346-349, 19.11.2009
Körtzinger, 2009: Prof. Dr. Arne Körtzinger, Kohlendioxidaufnahme im Ozean, Pressemitteilung, IFM-GEOMAR, 3.12.2009
Mrasek, 2009: Volker Mrasek, Warnung für CO2-Emittenten, Sendereihe Forschung Aktuell, Deutschlandfunk, 19.11.2009, 16:35 Uhr
Autor: Jörg Wieprzeck
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21.08.2009: Artikel angelegt
20.11.2009: Eine Studie des Teams um Samar Khatiwala zeigt, wie viel Kohlendioxid die Ozeane 2008 aufnahmen.
Beryllium im Kohlenstoffkreislauf: Die scheinbar schneller verwitternden Gebirge
Der biochemische Kohlenstoffkreislauf
Der geochemische Kohlenstoffkreislauf
Der Kohlenstoffkreislauf der Meere 1 - Von der Luft ins Meer
Der Kohlenstoffkreislauf der Meere 2 - Die Vorgänge im Meer
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