De term “verzuring van de oceanen” is niet helemaal juist; de oceanen worden in feite minder alkalisch. De pH van het zeewater aan het oppervlak is in een paar honderd jaar gedaald van 8,2 naar 8,1, (een pH van 7 is neutraal), na miljoenen jaren constant te zijn gebleven. Een daling van 0,1 pH-eenheid klinkt misschien niet veel, maar op de logaritmische schaal van pH komt dit neer op een stijging van de zuurgraad met 30 procent. De pH van het zeewater zal naar verwachting nog eens 0,3 tot 0,4 eenheden dalen als de kooldioxide-niveaus 800 ppm bereiken – een van de scenario’s die het Intergovernmental Panel on Climate Change verwacht voor 2100 – waardoor de niveaus van waterstofionen, H+, met 100 tot 150 procent zullen stijgen (Orr et al., 2005). Het kan “tienduizenden jaren” duren voordat de chemie van de oceanen weer is teruggekeerd op het pre-industriële niveau, schat de Royal Society of Britain.
Eenmaal opgelost in zeewater reageert CO2 met water, H2O, en vormt koolzuur, H2CO3: CO2 + H2O ↔ H2CO3. Koolzuur lost snel op en vormt H+ ionen (een zuur) en bicarbonaat, HCO3- (een base). Zeewater is van nature verzadigd met een andere base, carbonaation (CO3-2) dat werkt als een maagzuurremmer om de H+ te neutraliseren en meer bicarbonaat te vormen. De netto reactie ziet er als volgt uit: CO2 + H2O + CO3-2→ 2HCO3-
Naarmate het carbonaation uitgeput raakt, raakt het zeewater onderverzadigd met betrekking tot twee calciumcarbonaatmineralen die van vitaal belang zijn voor de bouw van schelpen, aragoniet en calciet. Wetenschappelijke modellen suggereren dat de oceanen onderverzadigd raken met betrekking tot aragoniet aan de polen, waar de koude en dichte wateren het gemakkelijkst atmosferische kooldioxide absorberen. Verwacht wordt dat de Zuidelijke Oceaan tegen 2050 onderverzadigd zal zijn met aragoniet, en tegen 2100 zou het probleem zich kunnen uitbreiden tot de subarctische Stille Oceaan (Orr et al., 2005).
Aragonietverzadiging neemt af op hogere breedtegraden. Credit: Kleypas et al., 2006.
Een piepkleine soort zoöplankton, de pteropode, die “zeevlinders” worden genoemd vanwege de gelatineachtige vleugels waarmee ze rondzwemmen, is mogelijk in gevaar. In een experiment waarbij een pteropode werd ondergedompeld in zeewater met een laag aragonietgehalte, werd een deel van de schelp van het organisme in slechts twee dagen uitgehold (Orr et al., 2005).
Over honderden jaren en langer wordt het carbonaation in de oceaan aangevuld door de chemische verwering van kalksteengesteente en dode dieren, zoals pteropoden, die calciumcarbonaat gebruiken om hun schelpen te bouwen. De vorming en oplossing van calciumcarbonaat hangt af van de verzadigingstoestand (Ω) van het water, of het ionproduct van de calcium- en carbonaatconcentraties. Het oplosbaarheidsproduct in de vergelijking, Ω = Ca2+ + CO3-2/K’sp, hangt af van de temperatuur, het zoutgehalte, de druk en het specifieke mineraal. Schelpvorming vindt gewoonlijk plaats wanneer Ω groter is dan één, terwijl oplossing plaatsvindt wanneer Ω kleiner is dan één.
Na verloop van tijd lost calciumcarbonaat in voldoende grote hoeveelheden op om de pH van de oceanen terug te brengen in zijn natuurlijke staat, wat de reden kan zijn waarom de pH in het verleden niet zo dramatisch daalde als de hoge kooldioxideniveaus in het verleden zouden kunnen doen vermoeden.
Er zijn aanwijzingen dat het niveau van carbonaationen zou kunnen toenemen als de oceanen opwarmen, maar modellen suggereren dat dit slechts 10 procent van het verlies aan carbonaationen door oceaanverzuring zou compenseren (Orr et al., 2005).