- Der pH-Wert der Meeresoberfläche ist seit vorindustriellen Zeiten um 0,1 Einheiten gesunken – ein Anstieg der Säure um 26 % – verursacht durch die Aufnahme von anthropogenem CO₂.
- Die Aragonit-Sättigung (Ωarag) ist die Schlüsselmetrik für die Gesundheit von Korallenriffen; sie ist in tropischen Oberflächengewässern von ~3,5 auf ~2,8 gesunken und wird voraussichtlich unter 2,0 fallen, wenn die Emissionen weiter hoch bleiben.
- Der IPCC AR6 prognostiziert einen weiteren Rückgang des pH-Werts um 0,2–0,4 Einheiten bis 2100, was die Bedingungen für den Riffaufbau in den meisten Tropen ungünstig machen würde.
Jedes Jahr nehmen die Weltmeere etwa 25–30 % der menschlichen Kohlendioxidemissionen auf – rund 10 Milliarden Tonnen CO₂ jährlich. Diese Dienstleistung mildert die atmosphärische Erwärmung, hat aber einen chemischen Preis. Während sich CO₂ in Meerwasser auflöst, bildet es Kohlensäure (H₂CO₃), die dissoziiert und Wasserstoffionen freisetzt, die den pH-Wert des Meerwassers senken [1]. Seit vorindustrieller Zeit ist der durchschnittliche pH-Wert der Meeresoberfläche von etwa 8,2 auf 8,1 gesunken – eine Verschiebung, die gering erscheint, bis du dich daran erinnerst, dass der pH-Wert logarithmisch ist: Dies stellt einen Anstieg der Wasserstoffionenkonzentration um 26 % dar [2]. Die Ozeane werden nicht im absoluten Sinne sauer, aber sie werden messbar weniger alkalisch, mit Folgen für jeden Organismus, der eine Schale, ein Skelett oder eine Platte aus Kalziumkarbonat bildet. Für Taucher sind die Implikationen in die Riffe eingeätzt, die sie betauchen. Aragonit, die Form von Kalziumkarbonat, die von riffbildenden Korallen verwendet wird, löst sich in vielen tropischen Regionen schneller auf, als es ersetzt werden kann [1]. Hoegh-Guldberg et al. [3] warnten bereits 2007, dass bei atmosphärischen CO₂-Konzentrationen über 450–500 ppm – Konzentrationen, die voraussichtlich innerhalb von Jahrzehnten überschritten werden – die Rifferosion den Zuwachs in den meisten tropischen Riffsystemen der Welt übertreffen wird. Der Sechste Sachstandsbericht des IPCC bestätigte diese Entwicklungen [5] und hob die Ozeanversauerung neben der thermischen Bleiche als Mitverursacher der bevorstehenden Riffkrise hervor. Dieser Artikel untersucht die Chemie, die gefährdeten Kalkbildner und was Taucher beobachten und tun können.
Die Chemie unter der Oberfläche
CO₂, Kohlensäure und der pH-Rückgang
Wenn atmosphärisches CO₂ sich in Meerwasser auflöst, reagiert es mit Wassermolekülen zu Kohlensäure (H₂CO₃). Kohlensäure dissoziiert schnell zu Bicarbonat (HCO₃⁻) und Wasserstoffionen (H⁺) und dann weiter zu Carbonat (CO₃²⁻) und zusätzlichen H⁺. Der Nettoeffekt erhöhter atmosphärischer CO₂-Konzentrationen ist zweifach: Die Wasserstoffionenkonzentration steigt (pH-Wert sinkt) und die Carbonationenkonzentration sinkt. Feely et al. [1] kartierten diesen Prozess global unter Verwendung von Ozean-Untersuchungsdaten des World Ocean Circulation Experiment und stellten fest, dass der Aragonit-Sättigungshorizont – die Tiefe, unterhalb derer Meerwasser Aragonit korrodiert – sowohl im Atlantik als auch im Pazifik seit vorindustriellen Zeiten messbar flacher geworden ist.
Aragonit-Sättigung: Die Schlüsselmetrik für Taucher und Riffe
Aragonit-Sättigungszustand (Ωarag) ist als das Verhältnis des Ionenprodukts [Ca²⁺][CO₃²⁻] im Meerwasser zum Löslichkeitsprodukt von Aragonit definiert. Wenn Ωarag > 1, ist Meerwasser übersättigt und Korallen können Skelette bauen. Wenn Ωarag < 1, löst sich Aragonit spontan auf. Vorindustrielle tropische Oberflächengewässer hatten Ωarag-Werte von etwa 3,5; aktuelle Werte liegen in tropischen Riffregionen im Durchschnitt bei etwa 2,8 und sinken bei aktuellen Emissionsverläufen um etwa 0,1–0,2 Einheiten pro Jahrzehnt [2]. Ricke et al. [4] modellierten zukünftige Aragonit-Sättigungszustände unter Verwendung von Erdmodellprojektionen und fanden heraus, dass unter RCP8.5 die Mehrheit der Korallenriffstandorte vor Mitte des Jahrhunderts einen Ωarag < 2 erleben wird – eine Schwelle, bei der die Verkalkungsraten vieler Korallenarten drastisch abnehmen.
Kalkbildner im Kreuzfeuer
Riffbildende Korallen
Hermatypische (zooxanthellate) Korallen sind die Architekten tropischer Riffe und gehören zu den pH-empfindlichsten aller marinen Kalkbildner. Labor- und Mesokosmosstudien haben durchweg gezeigt, dass die Verkalkungsraten von Korallen je nach Art und thermischer Vorgeschichte um 10–40 % pro 0,1-Einheit pH-Abnahme sinken. Hoegh-Guldberg et al. [3] synthesisierten mehrere Beweislinien, um zu dem Schluss zu kommen, dass bei atmosphärischen CO₂-Konzentrationen über 500 ppm die Rifferosionsraten den Zuwachs in den meisten Tropen übersteigen würden, wodurch Riffe grundsätzlich von Netto-Produzenten von Kalziumkarbonat zu Netto-Verlierern würden. Für Taucher manifestiert sich dies in Riffen mit reduzierter topografischer Komplexität, weniger überhängenden Strukturen und geringerer Korallenbedeckung – eine Degradation eben jener architektonischen Merkmale, die das Tauchen an Riffen visuell außergewöhnlich machen.
Echinodermen, Weichtiere und Flügelschnecken
Die Ozeanversauerung betrifft weit mehr als Korallen. Seeigel (wichtige Riffweider, die das Algenwachstum kontrollieren) zeigen Skelettverformungen und eine reduzierte Aufrichtungsreaktion bei pH-Werten, die innerhalb weniger Jahrzehnte prognostiziert werden. Flügelschnecken – freischwimmende Meeresschnecken, oft als Seeschmetterlinge bezeichnet, die dichte Schwärme bilden, die von Lachsen, Heringen, Walen und Seevögeln gefressen werden – zeigen eine Schalenauflösung bei pH-Werten, die bereits saisonal in Teilen des Südpolarmeers und in Auftriebsgebieten vor der Pazifikküste der USA beobachtet wurden [2]. Orr et al. [2] prognostizierten, dass die Oberflächengewässer des Südpolarmeers bis 2050 unter einem „Business-as-usual“-Emissionsszenario für Aragonit untersättigt werden könnten, was die Flügelschneckenpopulationen direkt bedroht, die polare und subpolare Nahrungsnetze stützen. Für Taucher in gemäßigten und Kaltwassergebieten prognostiziert dies umstrukturierte Nahrungsnetze: weniger Zwischenebenen-Arten, die pelagische Großfauna anziehen.
Kaltwasser- und Tiefseekorallen
Kaltwasserkorallen bilden spektakuläre dreidimensionale Riffstrukturen in Tiefen von 200 bis 2.000 m und bieten einen wichtigen Lebensraum für eine unverhältnismäßig große Vielfalt an Tiefseearten. Da kaltes Wasser mehr CO₂ speichert, versauern Kaltwasserkorallenhabitate schneller als ihre tropischen Gegenstücke. Orr et al. [2] zeigten, dass Gewässer, die Aragonit korrodieren, bereits in den Tiefenbereichen vieler Lophelia pertusa-Riffe im Nordatlantik vorhanden sind und dass diese untersättigten Gewässer bis Mitte des Jahrhunderts in die Tiefenzonen vordringen werden, in denen Kaltwasserkorallengestelle derzeit gedeihen. Sweetman et al. [6] berechneten, dass bis zu 70 % der tiefen Kaltwasserkorallenhabitate weltweit bis 2100 unter Szenarien mit hohen Emissionen korrosiven Bedingungen ausgesetzt sein könnten.
Wird das atmosphärische CO₂ bei 500 ppm stabilisiert, befinden sich Korallenriffe in einer prekären Lage; bei 600 ppm sind die Bedingungen für die meisten riffbildenden Korallen tödlich.— Hoegh-Guldberg et al., Science, 2007 [3]
IPCC AR6: Die Projektionen, die Taucher nicht ignorieren können
Der Sechste Sachstandsbericht des IPCC, Arbeitsgruppe I (2021), fasste Projektionen von 18 CMIP6-Erdsystemmodellen zusammen [5]. Unter dem mittleren SSP2-4.5-Szenario wird ein Rückgang des pH-Werts der Meeresoberfläche um etwa 0,2 Einheiten bis 2100 prognostiziert, wodurch Werte erreicht werden, die zuletzt im Pliozän vor etwa 3 Millionen Jahren gesehen wurden. Unter dem Hochleistungspfad SSP5-8.5 werden pH-Rückgänge von 0,3–0,4 Einheiten prognostiziert – Ozeanbedingungen ohne Analogie in der Geschichte der modernen riffbildenden Korallenentwicklung. Kwiatkowski et al. [7] zeigten unter Verwendung von CMIP6-Modellen, dass der tropische Oberflächen-pH-Wert unter SSP5-8.5 unter 7,95 sinken wird, ein Niveau, bei dem die meisten tropischen Riffsysteme die Nettoverkalkung einstellen. Entscheidend ist, dass diese Projektionen die synergistische Wechselwirkung mit der Ozeanerwärmung nicht berücksichtigen: Thermische Bleiche und Versauerung wirken gleichzeitig auf dieselben Organismen, und ihre kombinierte Wirkung ist schädlicher als jede einzelne Stressfaktoren [3].
Biologische Gewinner und Verlierer der Versauerung
- Verlierer – Aragonit-Bildner: Acropora, Porites, Orbicella-Korallen; Flügelschnecken; Seeigel; Muschellarven; junge Fische mit Otolithen- (Ohrstein-) Störung.
- Verlierer – Calcit-Bildner (moderat betroffen): Korallalgen, krustierende Bryozoen – immer noch betroffen, aber widerstandsfähiger als Aragonit-Bildner.
- Offensichtliche Gewinner – Nicht-Kalkbildner: Einige fleischige Makroalgen und Cyanobakterien können expandieren, wenn die Korallenbedeckung abnimmt, was Phasenverschiebungen zu algen-dominierten Riffen beschleunigt.
- Kontextabhängig: Einige Fischarten zeigen Verhaltensstörungen (reduzierte Raubtiervermeidung, olfaktorische Veränderungen) bei erhöhten CO₂-Konzentrationen, die für das Ende des Jahrhunderts prognostiziert werden.
Was Taucher beobachten: Der langsame Riffkollaps
Die Ozeanversauerung erzeugt nicht das dramatische nächtliche Spektakel der Massenbleiche. Ihr Zeichen ist subtiler und kumulativ: reduzierte strukturelle Komplexität, da das Karbonatgerüst schneller gelöst wird, als es wieder aufgebaut werden kann; Trümmerfelder, wo einst massive Korallenbomben standen; Rekrutierungslücken, wo Korallenlarven sich nicht ansiedeln oder nach der Ansiedlung eine Auflösung erleiden, bevor sie groß genug werden, um zum Gerüst beizutragen. Taucher mit jahrzehntelanger Erfahrung an denselben Riffen berichten diese Veränderungen oft hautnah – das allmähliche Absinken des Riffkamms, der Verlust der überhängenden Strukturen, die einst Haie und Zackenbarsche schützten, das Vordringen von Rasenalgen in kahle Substratbereiche. Hughes et al. [8] dokumentierten einen pan-tropischen Rückgang der Korallenbedeckung um etwa 50 % in den letzten 50 Jahren, wobei Versauerung und thermische Bleiche als Mitverursacher wirkten.
Überwachung der Versauerung: Werkzeuge für die Tauchgemeinschaft
Das Global Ocean Acidification Observing Network (GOA-ON) unterhält ein globales Netzwerk von pH- und pCO₂-Sensoren. Das Ocean Acidification Program der NOAA veröffentlicht jährlich öffentlich zugängliche Daten. Mehrere Citizen-Science-Programme – darunter CoralWatch und Reef Life Survey – ermöglichen es Tauchern, Bleich- und Korallenbedeckungsdaten beizusteuern, die die Fernüberwachung ergänzen. Während Taucher den pH-Wert während eines Tauchgangs nicht direkt messen können, umfassen die Überwachungsprotokolle der Coral Triangle Initiative und das National Coral Reef Monitoring Program der NOAA Karbonatchemie-Messungen an Sentinel-Stationen in wichtigen Tauchgebieten.
Quellen
- [1] Feely, R.A., Sabine, C.L., Lee, K. et al. (2004). Impact of anthropogenic CO₂ on the CaCO₃ system in the oceans. Science. doi:10.1126/science.1097329
- [2] Orr, J.C., Fabry, V.J., Aumont, O. et al. (2005). Anthropogenic ocean acidification over the twenty-first century and its impact on calcifying organisms. Nature. doi:10.1038/nature04095
- [3] Hoegh-Guldberg, O., Mumby, P.J., Hooten, A.J. et al. (2007). Coral reefs under rapid climate change and ocean acidification. Science. doi:10.1126/science.1152509
- [4] Ricke, K.L., Orr, J.C., Schneider, K., Caldeira, K. (2013). Risks to coral reefs from ocean carbonate chemistry changes in recent Earth system model projections. Environmental Research Letters. doi:10.1088/1748-9326/8/3/034003
- [5] IPCC (2021). Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the IPCC. Cambridge University Press.
- [6] Sweetman, A.K., Thurber, A.R., Smith, C.R. et al. (2017). Major impacts of climate change on deep-sea benthic ecosystems. Elementa: Science of the Anthropocene. doi:10.1525/elementa.203
- [7] Kwiatkowski, L., Torres, O., Bopp, L. et al. (2020). Twenty-first century ocean warming, acidification, deoxygenation, and upper-ocean nutrient and primary production decline from CMIP6 model projections. Biogeosciences. doi:10.5194/bg-17-3439-2020
- [8] Hughes, T.P., Kerry, J.T., Álvarez-Noriega, M. et al. (2017). Global warming and recurrent mass bleaching of corals. Nature. doi:10.1038/nature21707