Die JOIDES Resolution sieht aus wie eine bizarre Mischung aus einer Ölplattform und einem Frachtschiff. Tatsächlich handelt es sich um ein Forschungsschiff, mit dem Meeresforscher Sedimente vom Meeresboden ausgraben. Im Jahr 2003 förderten die Wissenschaftler an Bord der JOIDES Resolution auf einer Reise in den südöstlichen Atlantik eine besonders auffällige Ausbeute zutage.
Sie hatten sich in Sedimente gebohrt, die sich im Laufe von Millionen von Jahren am Meeresboden gebildet hatten. Das älteste Sediment in der Bohrung war weiß. Es hatte sich aus den Kalziumkarbonatschalen von Einzellern gebildet – das gleiche Material, aus dem auch die Weißen Klippen von Dover bestehen. Doch als die Wissenschaftler das Sediment untersuchten, das sich vor 55 Millionen Jahren gebildet hatte, änderte sich die Farbe in einem geologischen Wimpernschlag.
„In der Mitte dieses weißen Sediments befindet sich dieser große Pfropfen aus rotem Ton“, sagt Andy Ridgwell, ein Geowissenschaftler an der Universität Bristol.
Mit anderen Worten: Die riesigen Wolken von Muschelschalen in den tiefen Ozeanen waren praktisch verschwunden. Viele Wissenschaftler sind sich heute einig, dass diese Veränderung durch einen drastischen Abfall des pH-Wertes im Meer verursacht wurde. Das Meerwasser wurde so korrosiv, dass es die Muscheln und andere Arten mit Kalziumkarbonat in ihrem Körper zerfraß. Es dauerte Hunderttausende von Jahren, bis sich die Ozeane von dieser Krise erholt hatten und der Meeresboden sich wieder weiß färbte.
Der Ton, den die Besatzung der JOIDES Resolution ausgebaggert hat, könnte eine unheilvolle Warnung für die Zukunft sein. Indem wir Kohlendioxid in die Luft blasen, versauern die Ozeane erneut.
Die Speicherung von CO2 in den Ozeanen hat einen hohen Preis: Sie verändert die Chemie des Meerwassers.
Heute veröffentlichen Ridgwell und Daniela Schmidt, ebenfalls von der Universität Bristol, eine Studie in der Fachzeitschrift Natural Geoscience, in der sie vergleichen, was vor 55 Millionen Jahren in den Ozeanen geschah, und was die Ozeane heute erleben. Ihre Untersuchungen bestätigen, was andere Forscher schon lange vermutet haben: Die heutige Versauerung der Ozeane ist größer und schneller als alles, was Geologen in den fossilen Aufzeichnungen der letzten 65 Millionen Jahre finden konnten. Die Geschwindigkeit und Stärke der Versauerung – Ridgwell schätzt, dass die derzeitige Versauerung der Ozeane zehnmal schneller vonstatten geht als das Massenaussterben vor 55 Millionen Jahren – könnte für viele Meeresarten, insbesondere solche, die in der Tiefsee leben, den Untergang bedeuten.
„Dies ist ein fast beispielloses geologisches Ereignis“, sagt Ridgwell.
Wenn wir Menschen fossile Brennstoffe verbrennen, pumpen wir Kohlendioxid in die Atmosphäre, wo das Gas die Wärme speichert. Ein Großteil dieses Kohlendioxids bleibt jedoch nicht in der Luft. Stattdessen wird es in die Ozeane gesaugt. Ohne die Ozeane wäre es nach Ansicht von Klimawissenschaftlern auf der Erde viel wärmer als heute. Trotz der massiven CO2-Aufnahme durch die Ozeane war das vergangene Jahrzehnt das wärmste seit Beginn der modernen Aufzeichnungen. Die Speicherung von Kohlendioxid in den Ozeanen kann jedoch einen hohen Preis haben: Sie verändert die Chemie des Meerwassers.
An der Meeresoberfläche hat Meerwasser normalerweise einen pH-Wert von etwa 8 bis 8,3 pH-Einheiten. Zum Vergleich: Der pH-Wert von reinem Wasser liegt bei 7, der von Magensäure bei etwa 2. Der pH-Wert einer Flüssigkeit wird dadurch bestimmt, wie viele positiv geladene Wasserstoffatome sich in ihr befinden. Je mehr Wasserstoff-Ionen, desto niedriger der pH-Wert. Wenn Kohlendioxid in den Ozean gelangt, senkt es den pH-Wert, indem es mit Wasser reagiert.
Das Kohlendioxid, das wir seit der industriellen Revolution in die Atmosphäre eingebracht haben, hat den pH-Wert des Meeres um 0,1 gesenkt. Das mag winzig erscheinen, ist es aber nicht. Die pH-Skala ist logarithmisch, d.h. in einer Flüssigkeit mit einem pH-Wert von 5 gibt es 10-mal mehr Wasserstoffionen als in einer mit einem pH-Wert von 6 und 100-mal mehr als in einer mit einem pH-Wert von 7. Ein Rückgang um nur 0,1 pH-Einheiten bedeutet also, dass die Wasserstoffionenkonzentration im Ozean in den letzten zwei Jahrhunderten um etwa 30 Prozent gestiegen ist.
Um herauszufinden, wie sich die Versauerung der Ozeane auf das Leben im Meer auswirken wird, haben Wissenschaftler Laborexperimente durchgeführt, bei denen sie Organismen bei unterschiedlichen pH-Werten aufzogen. Die Ergebnisse sind besorgniserregend – vor allem für Arten, die Skelette aus Kalziumkarbonat aufbauen, wie Korallen und amöbenartige Organismen, so genannte Foraminiferen. Der zusätzliche Wasserstoff in Meerwasser mit niedrigem pH-Wert reagiert mit Kalziumkarbonat und verwandelt es in andere Verbindungen, die die Tiere nicht zum Aufbau ihrer Schalen verwenden können.
Diese Ergebnisse sind besorgniserregend, nicht nur für die einzelnen Arten, die die Wissenschaftler untersuchen, sondern auch für die Ökosysteme, in denen sie leben. Einige dieser gefährdeten Arten sind für ganze Ökosysteme im Meer von entscheidender Bedeutung. Kleine muschelbildende Organismen sind Nahrung für wirbellose Tiere wie Mollusken und kleine Fische, die wiederum Nahrung für größere Raubtiere darstellen. Korallenriffe bilden einen Unterwasser-Regenwald, der ein Viertel der Artenvielfalt des Ozeans beherbergt.
Allerdings können Laborexperimente, die nur wenige Tage oder Wochen dauern, den Wissenschaftlern keine Auskunft darüber geben, wie sich die Versauerung der Ozeane auf den gesamten Planeten auswirken wird. „Es ist nicht klar, was diese Daten in der realen Welt bedeuten“, sagt Ridgwell.
Eine Möglichkeit, mehr Informationen zu erhalten, besteht darin, die Geschichte der Ozeane selbst zu betrachten, was Ridgwell und Schmidt in ihrer neuen Studie getan haben. Auf den ersten Blick könnte man meinen, dass wir uns keine Sorgen machen müssen. Vor hundert Millionen Jahren gab es mehr als fünfmal so viel Kohlendioxid in der Atmosphäre, und der pH-Wert der Ozeane war um 0,8 Einheiten niedriger. Dennoch gab es reichlich Kalziumkarbonat für Foraminiferen und andere Arten. In dieser Zeit bildeten muschelbildende Meeresorganismen die Kalksteinformationen, aus denen schließlich die Weißen Klippen von Dover wurden.
Es gibt jedoch einen entscheidenden Unterschied zwischen der Erde vor 100 Millionen Jahren und heute. Damals veränderte sich die Kohlendioxidkonzentration über Millionen von Jahren sehr langsam. Diese langsamen Veränderungen lösten andere langsame Veränderungen in der Erdchemie aus. Als sich der Planet aufgrund des höheren Kohlendioxidgehalts erwärmte, trugen die vermehrten Regenfälle beispielsweise mehr Mineralien aus den Bergen in den Ozean, wo sie die Chemie des Meerwassers verändern konnten. Selbst bei niedrigem pH-Wert enthält der Ozean genügend gelöstes Kalziumkarbonat, damit Korallen und andere Arten überleben können.
Heute jedoch überfluten wir die Atmosphäre mit Kohlendioxid in einem Ausmaß, wie es in der Geschichte unseres Planeten noch nie vorgekommen ist. Die Verwitterungsrückkopplungen des Planeten werden nicht in der Lage sein, den plötzlichen Abfall des pH-Werts über Hunderttausende von Jahren auszugleichen.
Wissenschaftler haben die Fossilienaufzeichnungen nach historischen Perioden durchforstet, die Hinweise darauf geben könnten, wie der Planet auf den derzeitigen Kohlenstoffstoß reagieren wird. Sie haben herausgefunden, dass die Erde vor 55 Millionen Jahren einen ähnlichen Wandel durchgemacht hat. Lee Kump von der Penn State University und seine Kollegen schätzten, dass im Laufe von etwa 10.000 Jahren etwa 6,8 Billionen Tonnen Kohlenstoff in die Erdatmosphäre gelangten.
Niemand kann mit Sicherheit sagen, was all diesen Kohlenstoff freigesetzt hat, aber er scheint eine drastische Auswirkung auf das Klima gehabt zu haben. Die Temperaturen stiegen zwischen 5 und 9 Grad Celsius. Viele Tiefseearten starben aus, möglicherweise weil der pH-Wert der Tiefsee zu niedrig wurde, um zu überleben.
Diese uralte Katastrophe (bekannt als das Paläozän-Eozän-Thermalmaximum oder PETM) war jedoch keine perfekte Vorgeschichte dessen, was heute auf der Erde geschieht. Die Temperatur war wärmer, bevor die Kohlenstoffbombe hochging, und der pH-Wert der Ozeane war niedriger. Auch die Anordnung der Kontinente war anders. Die Winde wehten daher in anderen Mustern und trieben die Ozeane in andere Richtungen.
Alle diese Faktoren haben einen großen Einfluss auf die Auswirkungen der Ozeanversauerung. Wie sich ein niedriger pH-Wert auf skelettbildende Organismen auswirkt, hängt zum Beispiel vom Druck und der Temperatur des Ozeans ab. Unterhalb einer bestimmten Tiefe im Ozean wird das Wasser so kalt und der Druck so hoch, dass kein Kalziumkarbonat mehr für schalenbildende Organismen vorhanden ist. Dieser Schwellenwert wird als Sättigungshorizont bezeichnet.
Unsere kohlenstoffbetriebene Zivilisation beeinflusst das Leben überall auf der Erde – sogar tief unter Wasser.
Um einen aussagekräftigen Vergleich zwischen dem PETM und heute anzustellen, erstellten Ridgwell und Schmidt groß angelegte Simulationen des Ozeans zu beiden Zeitpunkten. Sie erstellten eine virtuelle Version der Erde vor 55 Millionen Jahren und ließen die Simulation so lange laufen, bis sie einen stabilen Zustand erreichte. Der pH-Wert ihres simulierten Ozeans lag im Bereich der Schätzungen für den pH-Wert des tatsächlichen Ozeans vor 55 Millionen Jahren. Anschließend erstellten sie eine Version der modernen Erde mit der heutigen Anordnung der Kontinente, der Durchschnittstemperatur und anderen Variablen. Sie ließen die moderne Welt einen stabilen Zustand erreichen und überprüften dann den pH-Wert des Ozeans. Auch hier stimmte er mit dem realen pH-Wert überein, der heute in den Ozeanen zu finden ist.
Ridgwell und Schmidt haben dann beide simulierten Ozeane mit massiven Injektionen von Kohlendioxid erschüttert. Sie fügten ihrer PETM-Welt über 10.000 Jahre 6,8 Billionen Tonnen Kohlenstoff hinzu. Unter Verwendung konservativer Prognosen für künftige Kohlenstoffemissionen fügten sie ihrer modernen Welt in nur wenigen Jahrhunderten 2,1 Billionen Tonnen Kohlenstoff hinzu. Ridgwell und Schmidt nutzten das Modell dann, um abzuschätzen, wie leicht sich Karbonat in verschiedenen Tiefen des Ozeans auflösen würde.
Die Ergebnisse waren auffallend unterschiedlich. Ridgwell und Schmidt stellten fest, dass die Versauerung der Ozeane heute etwa zehnmal schneller voranschreitet als vor 55 Millionen Jahren. Und während der Sättigungshorizont vor 55 Millionen Jahren auf 1.500 Meter anstieg, wird er dem Modell zufolge bis zum Jahr 2150 auf durchschnittlich 550 Meter ansteigen.
Das PETM war stark genug, um ein weitverbreitetes Aussterben in den Tiefen der Ozeane auszulösen. Die heutigen schnelleren und größeren Veränderungen des Ozeans könnten durchaus eine neue Welle des Aussterbens nach sich ziehen. Paläontologen haben keine Anzeichen für ein großes Aussterben von Korallen oder anderen karbonathaltigen Arten in den Oberflächengewässern um das PETM herum gefunden. Da die heutige Versauerung der Ozeane aber so viel stärker ist, könnte sie auch das Leben im flachen Wasser betreffen. „Wir können keine sicheren Aussagen über die Auswirkungen auf die Ökosysteme machen, aber es gibt viel Grund zur Besorgnis“, sagt Ridgwell.
Ellen Thomas, Paläo-Ozeanografin an der Yale University, sagt, dass die neue Studie „für unsere Vorstellungen von der Ozeanversauerung von großer Bedeutung ist.“ Sie weist jedoch darauf hin, dass das Leben im Ozean nicht nur durch einen sinkenden pH-Wert beeinträchtigt wurde. „Ich bin nicht davon überzeugt, dass dies die ganze Antwort ist“, sagt sie. Die Temperatur des Ozeans stieg und der Sauerstoffgehalt sank. Alle diese Veränderungen zusammen hatten komplexe Auswirkungen auf die Biologie des Ozeans vor 55 Millionen Jahren. Die Wissenschaftler müssen nun herausfinden, welche Art von kombinierten Auswirkungen sie in Zukunft auf den Ozean haben werden.
Unsere kohlenstoffbetriebene Zivilisation wirkt sich laut der Arbeit von Wissenschaftlern wie Ridgwell auf das Leben überall auf der Erde aus – sogar auf das Leben, das Tausende von Metern unter Wasser lebt. „Die Reichweite unseres Handelns kann wirklich ziemlich global sein“, sagt Ridgwell. Es ist durchaus möglich, dass sich die Ozeansedimente, die sich in den nächsten Jahrhunderten bilden, vom Weiß des Kalziumkarbonats wieder in roten Ton verwandeln, wenn die Ozeanversauerung die Ökosysteme der Tiefsee auslöscht.
„Das wird den Menschen in Hunderten von Millionen Jahren etwas geben, an dem sie unsere Zivilisation erkennen können“, sagt Ridgwell.