Ozeanversauerung

Die Ozeanversauerung ist die fortschreitende Abnahme des pH-Werts der Ozeane . Zwischen 1950 und 2020 sank der durchschnittliche pH-Wert der Meeresoberfläche von etwa 8,15 auf 8,05. ^{[ 2 ]} Kohlendioxidemissionen aus menschlichen Aktivitäten sind die Hauptursache der Ozeanversauerung. Der atmosphärische Kohlendioxidgehalt (CO₂ ₎ übersteigt 422 ppm (Stand: 2024). ^{[ 3 ]} CO₂ aus der Atmosphäre wird von den Ozeanen aufgenommen. Bei dieser chemischen Reaktion entsteht Kohlensäure ( H₂CO₃ ), die in ein Bicarbonat -Ion ( _{HCO₃⁻ )} dissoziiert _.−3) und einem Wasserstoffion ( H ⁺ ). Das Vorhandensein freier Wasserstoffionen ( H ⁺ ) senkt den pH-Wert des Ozeans und erhöht den Säuregehalt (dies bedeutet jedoch nicht, dass das Meerwasser bereits sauer ist; es ist weiterhin alkalisch mit einem pH-Wert über 8). Kalkbildende Meeresorganismen wie Weichtiere und Korallen sind besonders gefährdet, da sie Kalziumkarbonat zum Aufbau von Schalen und Skeletten benötigen. ^{[ 4 ]}

Eine pH-Wert-Änderung um 0,1 entspricht einem Anstieg der Wasserstoffionenkonzentration in den Weltmeeren um 26 % (die pH-Skala ist logarithmisch, daher entspricht eine Änderung um eine pH-Einheit einer Verzehnfachung der Wasserstoffionenkonzentration). Der pH-Wert der Meeresoberfläche und der Carbonatsättigungsgrad variieren je nach Meerestiefe und Region. Kältere Gewässer in höheren Breiten können mehr CO₂ aufnehmen _. Dies kann zu einem Anstieg des Säuregehalts und damit zu einer Senkung des pH-Werts und des Carbonatsättigungsgrades in diesen Gebieten führen. Verschiedene andere Faktoren beeinflussen den CO₂-Austausch zwischen Atmosphäre und Ozean _und somit die lokale Ozeanversauerung. Dazu gehören Meeresströmungen und Auftriebszonen , die Nähe zu großen kontinentalen Flüssen, die Meereisbedeckung sowie der atmosphärische Austausch mit Stickstoff und Schwefel aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und der Landwirtschaft . ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

Ein niedrigerer pH-Wert der Ozeane hat eine Reihe potenziell schädlicher Auswirkungen auf Meeresorganismen . Wissenschaftler haben beispielsweise eine verringerte Kalzifizierung, eine abgeschwächte Immunantwort und einen reduzierten Energiebedarf für grundlegende Funktionen wie die Fortpflanzung beobachtet. ^{[ 8 ]} Die Ozeanversauerung kann marine Ökosysteme beeinträchtigen , die vielen Menschen Nahrung und Lebensgrundlagen bieten. Etwa eine Milliarde Menschen sind ganz oder teilweise von der Fischerei, dem Tourismus und den Küstenschutzleistungen der Korallenriffe abhängig . Die fortschreitende Versauerung der Ozeane kann daher die mit den Ozeanen verbundenen Nahrungsketten gefährden. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Eine der wenigen Lösungen, die die Ursache der Ozeanversauerung bekämpfen, ist die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen. Dies ist eines der Hauptziele der Klimaschutzmaßnahmen . Die Entfernung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre würde auch dazu beitragen, die Ozeanversauerung umzukehren. Darüber hinaus gibt es einige spezifische ozeanbasierte Minderungsmethoden , beispielsweise die Erhöhung der Alkalinität des Ozeans und die beschleunigte Verwitterung . Diese Strategien werden derzeit erforscht, weisen aber im Allgemeinen einen niedrigen technologischen Reifegrad und viele Risiken auf. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

Ozeanversauerung hat in der Erdgeschichte schon einmal stattgefunden. ^{[ 14 ]} Der daraus resultierende ökologische Kollaps in den Ozeanen hatte langfristige Auswirkungen auf den globalen Kohlenstoffkreislauf und das Klima .

Im Jahr 2021 lag der atmosphärische Kohlendioxidgehalt (CO₂ ₎ mit rund 415 ppm etwa 50 % höher als vorindustriell. ^{[ 16 ]} Laut der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) ist der atmosphärische CO₂-Gehalt im Jahr 2023 _von etwa 280 ppm in der vorindustriellen Zeit auf über 410 ppm heute angestiegen, hauptsächlich aufgrund menschlicher Aktivitäten wie der Verbrennung fossiler Brennstoffe und der Abholzung von Wäldern. ^{[ 17 ]} Die derzeit erhöhten Werte und die rasante Zunahme sind in den letzten 55 Millionen Jahren der Erdgeschichte beispiellos. Die Quellen dieses CO₂-Überschusses _sind eindeutig anthropogen: Dazu gehören anthropogene Emissionen aus fossilen Brennstoffen, der Industrie und der Landnutzungsänderung. Eine Quelle hierfür sind fossile Brennstoffe, die zur Energiegewinnung verbrannt werden. Bei der Verbrennung wird CO₂ _als Nebenprodukt freigesetzt und trägt maßgeblich zum Anstieg des CO₂-Gehalts _in der Erdatmosphäre bei. ^{[ 18 ]} Der Ozean fungiert als Kohlenstoffsenke für anthropogenes CO₂ _und nimmt etwa ein Viertel der gesamten anthropogenen CO₂-Emissionen auf _. [ ^{19 ] Das} _{zusätzliche CO₂} im Ozean führt jedoch zu einer grundlegenden Verschiebung des Säure-Basen-Gleichgewichts des Meerwassers hin zu saureren, niedrigeren pH-Werten und geringeren Sättigungsgraden für Karbonatminerale, die in den Schalen und Skeletten vieler Meeresorganismen vorkommen. ^{[ 19 ]}

Die seit 1850 entstandene Meeressenke hält bis zu175 ± 35  Gigatonnen Kohlenstoff, wobei mehr als zwei Drittel dieser Menge (Seit 1960 wurden weltweit 120  Gt C vom Ozean aufgenommen. Im Laufe der Zeit nahm die Kohlenstoffsenke im Ozean parallel zum exponentiellen Anstieg der anthropogenen Emissionen zu. Von 1850 bis 2022 absorbierte der Ozean 26 % der gesamten anthropogenen Emissionen. ^{[ 16 ]} Die Emissionen im Zeitraum 1850–2021 beliefen sich auf670 ± 65 Gigatonnen Kohlenstoff und verteilten sich auf die Atmosphäre (41 %), den Ozean (26 %) und das Land (31 %). ^{[ 16 ]}

Der Kohlenstoffkreislauf beschreibt die Flüsse von Kohlendioxid (CO₂ ₎ zwischen Ozeanen, terrestrischer Biosphäre , Lithosphäre [ ^{20 ]} und Atmosphäre . Er umfasst sowohl organische Verbindungen wie Cellulose als auch anorganische Kohlenstoffverbindungen wie Kohlendioxid , Carbonat- und Bicarbonat-Ionen , ^die zusammen als gelöster anorganischer Kohlenstoff (DIC) bezeichnet werden. Diese anorganischen Verbindungen spielen eine besonders wichtige Rolle bei der Ozeanversauerung, da sie viele Formen des in den Ozeanen der Erde gelösten CO₂ enthalten _. ^{[ 21 ]}

Beim Lösen von CO₂ _reagiert dieses mit Wasser und bildet ein Gleichgewicht ionischer und nichtionischer chemischer Spezies: gelöstes freies Kohlendioxid (CO₂ ₍ aq)), Kohlensäure ( H₂CO₃ ) und Bicarbonat ( _HCO₃⁻ ) _.−3) und Carbonat ( CO2−3Das Verhältnis dieser Spezies hängt von Faktoren wie Meerwassertemperatur , Druck und Salzgehalt ab (siehe Bjerrum-Diagramm ). Diese verschiedenen Formen gelösten anorganischen Kohlenstoffs werden durch die sogenannte Löslichkeitspumpe des Ozeans von der Meeresoberfläche in das Meeresinnere transportiert . Der Widerstand eines Meeresgebiets gegen die Aufnahme von atmosphärischem CO₂ wird _als Revelle -Faktor bezeichnet .

Die Chemie der Ozeane verändert sich aufgrund der Aufnahme von anthropogenem Kohlendioxid (CO₂ ₎ . ^{[ 5 ] [ 22 ] : 395} Ozean-pH-Wert, Carbonationenkonzentrationen ( [CO₂])2−3Die Sättigung des Kalziumkarbonat-Minerals ( Ω ) ist infolge der Aufnahme von etwa 30 % der anthropogenen Kohlendioxidemissionen in den letzten 270 Jahren (seit etwa 1750) zurückgegangen. Dieser Prozess, gemeinhin als „Ozeanversauerung“ bezeichnet, erschwert es marinen Kalkbildnern, eine Schale oder ein Skelett zu bilden, wodurch Korallenriffe und die gesamten marinen Ökosysteme gefährdet werden. ^{[ 5 ]}

Die Ozeanversauerung wird als „böser Zwilling der globalen Erwärmung “ und „das andere CO₂- _Problem “ bezeichnet. ^{[ 23 ] [ 24 ]} Steigende Meerestemperaturen und Sauerstoffverlust wirken zusammen mit der Ozeanversauerung und bilden das „tödliche Trio“ der Klimawandel-Belastungen für die Meeresumwelt. ^{[ 25 ] Die Auswirkungen werden für Korallenriffe und andere Schalentiere im Meer [ 26 ] [ 27 ]} sowie für Populationen, die auf deren Ökosystemleistungen angewiesen sind, am schwerwiegendsten sein .

Durch das Auflösen von CO ₂ im Meerwasser steigt die Konzentration der Wasserstoffionen ( H ⁺ ) im Ozean, und dadurch sinkt der pH-Wert des Ozeans wie folgt: ^{[ 28 ]}

CO _{2 (aq)} + H ₂ O ⇌ H ₂ CO ₃ ⇌ HCO−3+ H ⁺ ⇌ CO2−3+ 2 H ⁺ _.

In flachen Küsten- und Schelfgebieten beeinflussen verschiedene Faktoren den CO₂-Austausch zwischen Luft und Ozean _und die daraus resultierende pH-Wert-Änderung. ^{[ 29 ] [ 30 ]} Dazu gehören biologische Prozesse wie Photosynthese und Atmung ^{[ 31 ]} sowie das Aufquellen von Wasser. ^{[ 32 ]} Auch der Stoffwechsel von Ökosystemen in Süßwasserquellen, die Küstengewässer erreichen, kann zu großen, aber lokalen pH-Wert-Änderungen führen. ^{[ 29 ]}

Auch Süßwasserkörper scheinen sich zu versauern, obwohl dies ein komplexeres und weniger offensichtliches Phänomen ist. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

Die Aufnahme von CO₂ _{aus der Atmosphäre beeinflusst die} Alkalinität des Ozeans nicht . ^{[ 35 ] : 2252} Dies ist in diesem Zusammenhang wichtig, da Alkalinität die Fähigkeit des Wassers beschreibt, Versauerung zu widerstehen . ^{[ 36 ]} Die Erhöhung der Ozeanalkalinität wurde als eine Möglichkeit vorgeschlagen, dem Ozean Alkalinität zuzuführen und somit pH-Wert-Änderungen abzufedern.

Veränderungen der Ozeanchemie können weitreichende direkte und indirekte Auswirkungen auf Organismen und ihre Lebensräume haben. Eine der wichtigsten Folgen der zunehmenden Ozeanversauerung betrifft die Bildung von Schalen aus Calciumcarbonat ( CaCO₃ ). ^[ ₄ ^] Dieser Prozess wird als Kalzifizierung bezeichnet und ist für die Biologie und das Überleben einer Vielzahl von Meeresorganismen von Bedeutung. Bei der Kalzifizierung fallen ^gelöste Ionen zu festen CaCO₃ -Strukturen aus, die für viele Meeresorganismen wie Coccolithophoriden , Foraminiferen , Krebstiere , Weichtiere usw. von Bedeutung sind. Nach ihrer Bildung sind diese _CaCO₃ - Strukturen anfällig für Auflösung , sofern das umgebende Meerwasser keine sättigenden Konzentrationen an Carbonationen ( CO₃²⁻) aufweist _.2−3).

Nur ein sehr geringer Teil des zusätzlich in den Ozean eingebrachten Kohlendioxids bleibt als gelöstes Kohlendioxid erhalten. Der größte Teil dissoziiert in zusätzliches Bicarbonat und freie Wasserstoffionen. Der Anstieg des Wasserstoffs ist größer als der Anstieg des Bicarbonats ^{[ 37 ]} , wodurch ein Ungleichgewicht in der Reaktion entsteht:

HCO−3⇌ CO2−3+ H ⁺

Um das chemische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, verbinden sich einige der bereits im Ozean vorhandenen Carbonationen mit einigen Wasserstoffionen zu weiterem Bicarbonat. Dadurch verringert sich die Konzentration der Carbonationen im Ozean, wodurch ein wichtiger Baustein für Meeresorganismen zum Aufbau von Schalen, der sogenannten Kalzifizierung, entzogen wird.

Ca ²⁺ + CO2−3⇌ CaCO ₃

Im Bjerrum-Diagramm wird der Anstieg der Konzentrationen von gelöstem Kohlendioxid und Bicarbonat sowie die Abnahme von Carbonat dargestellt .

Eine Störung der Nahrungskette ist ebenfalls eine mögliche Folge, da viele Meeresorganismen auf kalziumkarbonatbasierte Organismen am Anfang der Nahrungskette als Nahrungsquelle und Lebensraum angewiesen sind. Dies kann potenziell schädliche Auswirkungen auf das gesamte Nahrungsnetz haben und möglicherweise zu einem Rückgang der Fischbestände führen, was wiederum die Lebensgrundlagen der Menschen beeinträchtigen würde. ^{[ 38 ]}

Der Sättigungsgrad (bekannt als Ω) von Meerwasser für ein Mineral ist ein Maß für das thermodynamische Potenzial des Minerals, sich zu bilden oder aufzulösen, und wird für Calciumcarbonat durch die folgende Gleichung beschrieben:

${\displaystyle {\Omega }={\frac {\left[{\ce {Ca^2+}}\right]\left[{\ce {CO3^2-}}\right]}{K_{sp}}}}$

Hierbei ist Ω das Produkt der Konzentrationen (oder Aktivitäten ) der reagierenden Ionen, die das Mineral ( Ca) bilden.+2und CO2−3), dividiert durch das scheinbare Löslichkeitsprodukt im Gleichgewicht (K _{_sp} ), d. h. wenn die Fällungs- und Auflösungsraten gleich sind. ^{[ 40 ]} Im Meerwasser bildet sich die Auflösungsgrenze aufgrund von Temperatur, Druck und Tiefe und wird als Sättigungshorizont bezeichnet. ^{[ 4 ]} Oberhalb dieses Sättigungshorizonts ist Ω größer als 1, und CaCO_₃ löst sich nicht leicht. Die meisten kalkbildenden Organismen leben in solchen Gewässern. ^{[ 4 ]} Unterhalb dieser Tiefe ist Ω kleiner als 1, und CaCO_₃ löst sich. Die Karbonatkompensationstiefe ist die Meerestiefe, in der die Karbonatauflösung das Karbonatangebot am Meeresboden ausgleicht; Sedimente unterhalb dieser Tiefe sind daher frei von Kalziumkarbonat. ^{[ 41 ]} Steigende CO_₂-Konzentrationen und der daraus resultierende niedrigere pH-Wert des Meerwassers verringern die CO ₂-Konzentration.2−3und der Sättigungsgrad von CaCO ₃ , wodurch die CaCO _3- Auflösung erhöht wird.

Calciumcarbonat kommt am häufigsten in zwei polymorphen Formen (kristallinen Formen) vor: Aragonit und Calcit . Aragonit ist deutlich besser löslich als Calcit, daher liegen der Aragonit-Sättigungshorizont und die Aragonit-Kompensationstiefe stets näher an der Oberfläche als der Calcit-Sättigungshorizont. ^{[ 4 ]} Dies bedeutet auch, dass Organismen, die Aragonit produzieren, anfälliger für Veränderungen des Säuregehalts der Ozeane sein können als solche, die Calcit produzieren. ^{[ 42 ]} Die Ozeanversauerung und die daraus resultierende Abnahme der Carbonatsättigung führen dazu, dass sich die Sättigungshorizonte beider Formen näher an die Oberfläche verschieben. ^{[ 4 ]} Diese Abnahme der Sättigung ist einer der Hauptfaktoren für die verminderte Kalzifizierung mariner Organismen, da die anorganische Ausfällung von _CaCO₃ direkt proportional zu seinem Sättigungsgrad ist und kalzifizierende Organismen in Gewässern mit geringerer Sättigung Stress zeigen. ^{[ 43 ]}

Bereits jetzt steigen große Mengen an aragonituntersättigtem Wasser nahe dem pazifischen Kontinentalschelf Nordamerikas, von Vancouver bis Nordkalifornien , auf . ^{[ 44 ]} Diese Kontinentalschelfe spielen eine wichtige Rolle in marinen Ökosystemen, da die meisten Meeresorganismen dort leben oder laichen . Auch in anderen Schelfgebieten könnten ähnliche Effekte auftreten. ^{[ 44 ]}

In Tiefen von Tausenden von Metern im Ozean beginnen sich Kalziumkarbonatschalen aufzulösen, da steigender Druck und sinkende Temperatur das chemische Gleichgewicht verschieben, das die Kalziumkarbonatfällung steuert. [ ^{45 ] Die} Tiefe, in der dies geschieht, wird als Karbonatkompensationstiefe bezeichnet . Die Ozeanversauerung wird diese Auflösung verstärken und die Karbonatkompensationstiefe innerhalb von Jahrzehnten bis Jahrhunderten verringern. ^{[ 45 ]} Zuerst sind Abwärtsströmungszonen betroffen. ^{[ 46 ]}

Im Nordpazifik und Nordatlantik nehmen die Sättigungswerte ebenfalls ab (die Sättigungstiefe verringert sich). ^{[ 22 ] : 396} Die Ozeanversauerung schreitet im offenen Ozean voran, da CO₂ _infolge der Durchmischung in größere Tiefen gelangt. Dies führt im offenen Ozean dazu, dass die Karbonatkompensationstiefen flacher werden, was bedeutet, dass unterhalb dieser Tiefen die Auflösung von Kalziumkarbonat stattfindet. Im Nordpazifik verringert sich diese Karbonatsättigungstiefe mit einer Rate von1–2  m / Jahr . ^{[ 22 ] : 396}

Es wird erwartet, dass die Ozeanversauerung in Zukunft über mehrere Jahrhunderte hinweg zu einer deutlichen Verringerung der Ablagerung von Karbonatsedimenten und sogar zur Auflösung bereits vorhandener Karbonatsedimente führen wird. ^{[ 47 ]}

Schätzungen zufolge sank der durchschnittliche pH-Wert der Meeresoberfläche zwischen 1950 und 2020 von etwa 8,15 auf 8,05. ^{[ 2 ]} Dies entspricht einem Anstieg der Wasserstoffionenkonzentration in den Weltmeeren um rund 26 % (die pH-Skala ist logarithmisch, daher entspricht eine Änderung um eine pH-Einheit einer Verzehnfachung der Wasserstoffionenkonzentration). ^{[ 50 ]} Allein im 15-Jahres-Zeitraum von 1995 bis 2010 nahm beispielsweise der Säuregehalt in den oberen 100 Metern des Pazifiks von Hawaii bis Alaska um 6 Prozent zu. ^{[ 51 ]}

Der sechste Sachstandsbericht des IPCC aus dem Jahr 2021 stellte fest: „Die heutigen pH-Werte an der Meeresoberfläche sind seit mindestens 26.000 Jahren beispiellos, und auch die derzeitigen pH-Wert-Änderungsraten sind seit mindestens diesem Zeitraum beispiellos.“ ^{[ 52 ] : 76} Der pH-Wert des Meeresinneren ist in den letzten 20–30 Jahren weltweit gesunken. ^{[ 52 ] : 76} Der Bericht stellte außerdem fest, dass „der pH-Wert im Oberflächenwasser des offenen Ozeans seit Ende der 1980er Jahre um etwa 0,017 bis 0,027 pH-Einheiten pro Jahrzehnt gesunken ist.“ ^{[ 53 ] : 716}

Die Abnahmerate variiert je nach Region. Dies ist auf komplexe Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Antriebsmechanismen zurückzuführen: ^{[ 53 ] : 716} „Im tropischen Pazifik wiesen die zentralen und östlichen Auftriebszonen einen schnelleren pH-Wert-Abfall von -0,022 bis -0,026 pH-Einheiten pro Jahrzehnt auf.“ Dies wird auf „ein verstärktes Aufquellen CO₂ _- reicher Tiefenwasser zusätzlich zur anthropogenen CO₂ _- Aufnahme“ zurückgeführt. ^{[ 53 ] : 716} In einigen Regionen verlief die Versauerung langsamer: In warmen Becken im westlichen tropischen Pazifik wurde ein pH-Wert-Abfall von -0,010 bis -0,013 pH-Einheiten pro Jahrzehnt beobachtet. ^{[ 53 ] : 716}

Die Geschwindigkeit der Ozeanversauerung kann durch die Erwärmungsrate des Oberflächenwassers beeinflusst werden, da warmes Wasser weniger _CO₂ aufnimmt . ^{[ 54 ]} _{Daher könnte eine stärkere Erwärmung des Meerwassers die CO₂} -Aufnahme begrenzen und bei einem gegebenen _CO₂ -Anstieg zu einer geringeren pH-Wert-Änderung führen . ^{[ 54 ]} Die unterschiedlichen Temperaturänderungen in verschiedenen Becken sind einer der Hauptgründe für die unterschiedlichen Versauerungsraten an verschiedenen Standorten.

Die gegenwärtigen Raten der Ozeanversauerung wurden mit dem Treibhauseffekt an der Paläozän-Eozän- Grenze (vor etwa 56 Millionen Jahren) verglichen, als die Oberflächentemperaturen der Ozeane um … anstiegen.5–6  °C . In diesem Fall waren Oberflächenökosysteme vielfältigen Auswirkungen ausgesetzt, während es bei den am Meeresboden lebenden Organismen zu einem massiven Artensterben kam. ^{[ 55 ]} Derzeit ist die Kohlenstoffzufuhr zum Atmosphäre-Ozean-System etwa zehnmal so hoch wie an der Paläozän-Eozän-Grenze. ^{[ 56 ]}

Umfangreiche Beobachtungssysteme zur Überwachung der CO2-Chemie und der Versauerung des Meerwassers sind mittlerweile sowohl im globalen offenen Ozean als auch in einigen Küstensystemen eingerichtet oder befinden sich im _Aufbau . ^{[ 19 ]}

Ozeanversauerung trat bereits in der Erdgeschichte auf. ^{[ 14 ]} Sie ereignete sich während des Massenaussterbens im Capitanium [ ^{65 ] [ 66 ] [ 67 ], beim} Massenaussterben am Ende des Perm [ ^{68 ] [ 69 ] [ 70 ] ,} beim Massenaussterben am Ende der Trias [ ^{71 ] [ 72 ] [ 73 ]} und beim Massenaussterben an der Kreide-Paläogen- ^Grenze . ^{[ 74 ]}

Drei der fünf größten Massenaussterben der geologischen Vergangenheit gingen mit einem raschen Anstieg des atmosphärischen Kohlendioxids einher, vermutlich bedingt durch Vulkanismus und/oder die thermische Dissoziation mariner Gashydrate . ^{[ 75 ]} Erhöhte CO₂- Konzentrationen beeinträchtigten die Biodiversität. ^{[ 76 ]} Eine verringerte _{CaCO₃ -} Sättigung aufgrund der Aufnahme von vulkanogenem CO₂ durch das Meerwasser _wird als möglicher Mechanismus für das Massenaussterben im Meer am Ende der Trias diskutiert . ^{[ 71 ]} Die biotische Krise am Ende der Trias ist nach wie vor das am besten belegte Beispiel eines marinen Massenaussterbens infolge der Ozeanversauerung, da (a) Kohlenstoffisotopenanalysen auf eine erhöhte vulkanische Aktivität hindeuten, die die Karbonatsedimentation verringerte und dadurch die Karbonatkompensationstiefe sowie den Karbonatsättigungsgrad reduzierte. Ein marines Aussterben fiel zeitlich präzise mit diesem Ereignis im stratigraphischen Archiv zusammen. ^{[ 73 ] [ 72 ] [ 77 ]} und (b) Organismen mit dicken Aragonitskeletten besonders stark betroffen waren, ^{[ 73 ] [ 78 ] [ 79 ]} was experimentellen Studien entspricht. ^{[ 80 ]} Die Ozeanversauerung wird auch als eine Ursache für das Massenaussterben am Ende des Perm ^{[ 69 ] [ 68 ]} und die Krise am Ende der Kreidezeit ^{[ 74 ]} diskutiert. Insgesamt waren wahrscheinlich mehrere Klimastressoren, darunter die Ozeanversauerung, die Ursache für geologische Aussterbeereignisse. ^{[ 75 ]}

Das bekannteste Beispiel für Ozeanversauerung ist das Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum (PETM), das vor etwa 56 Millionen Jahren stattfand. Damals gelangten massive Mengen Kohlenstoff in Ozean und Atmosphäre, was zur Auflösung von Karbonatsedimenten in vielen Ozeanbecken führte. ^{[ 76 ]} Relativ neue geochemische Methoden zur pH-Wert-Bestimmung in der Vergangenheit deuten darauf hin, dass der pH-Wert während des PETM um 0,3 Einheiten sank. ^{[ 81 ] [ 82 ]} Eine Studie, die den Sättigungsgrad mariner Karbonate untersucht, zeigt, dass dieser sich während des PETM möglicherweise nicht wesentlich veränderte. Dies legt nahe, dass die Kohlenstofffreisetzungsrate in unserem besten geologischen Vergleich deutlich geringer war als die anthropogenen Kohlenstoffemissionen. Um jedoch abzuschätzen, inwieweit diese pH-Wert-Änderung kalkbildende Organismen beeinflusst hat, sind aussagekräftigere Methoden zur Bestimmung des Sättigungsgrades erforderlich.

Wichtig ist, dass die Geschwindigkeit der Ozeanversauerung deutlich höher ist als in der geologischen Vergangenheit. Diese beschleunigte Veränderung verhindert eine allmähliche Anpassung der Organismen und unterbindet die Wirkung von Rückkopplungsmechanismen des Klimazyklus, die die Ozeanversauerung normalerweise abmildern könnten. Die Ozeanversauerung steuert auf niedrigere pH-Werte zu als jemals zuvor in den letzten 300 Millionen Jahren. ^{[ 83 ] [ 74 ]} Auch die Geschwindigkeit der Ozeanversauerung (d. h. die Änderungsrate des pH-Werts) wird für denselben Zeitraum als beispiellos eingeschätzt. ^{[ 84 ] [ 14 ]} Diese erwarteten Veränderungen gelten als beispiellos in der geologischen Geschichte. ^{[ 85 ] [ 86 ] [ 87 ]} In Kombination mit anderen biogeochemischen Veränderungen im Ozean könnte dieser pH-Wert-Abfall die Funktionsfähigkeit mariner Ökosysteme beeinträchtigen und die Bereitstellung zahlreicher Güter und Dienstleistungen des Ozeans stören, und zwar bereits ab dem Jahr 2100. ^{[ 88 ]}

Das Ausmaß weiterer Veränderungen der Ozeanchemie, einschließlich des pH-Werts, hängt von den Klimaschutzmaßnahmen der Staaten und ihrer Regierungen ab. ^{[ 52 ]} Verschiedene Szenarien prognostizierter globaler sozioökonomischer Veränderungen werden mithilfe der Shared Socioeconomic Pathways (SSP)-Szenarien modelliert.

Bei einem Szenario mit sehr hohen Emissionen (SSP5-8.5) schätzen Modellprognosen, dass der pH-Wert des Oberflächenwassers bis zum Ende dieses Jahrhunderts im Vergleich zum Ende des 19. Jahrhunderts um bis zu 0,44 Einheiten sinken könnte. ^{[ 89 ] : 608} Dies entspräche einem pH-Wert von nur noch etwa 7,7 und einer weiteren Erhöhung der H+-Konzentrationen um das Zwei- bis Vierfache gegenüber dem bisherigen Anstieg.

Die ökologischen Folgen der durch die Ozeanversauerung bedingten Veränderungen der Kalzifizierung sind komplex, doch es erscheint wahrscheinlich, dass viele kalzifizierende Arten negativ von der Ozeanversauerung betroffen sein werden. ^{[ 19 ] [ 22 ] : 413} Die zunehmende Ozeanversauerung erschwert es schalenbildenden Organismen, Carbonationen aufzunehmen, die für die Bildung ihrer harten Außenskelette unerlässlich sind. ^{[ 90 ]} Zu den kalzifizierenden Organismen im Ozean gehören Vertreter der gesamten Nahrungskette , von Autotrophen bis zu Heterotrophen , darunter beispielsweise Coccolithophoriden , Korallen , Foraminiferen , Stachelhäuter , Krebstiere und Weichtiere . ^{[ 88 ] [ 91 ]}

Insgesamt werden alle marinen Ökosysteme der Erde Veränderungen der Ozeanversauerung und verschiedenen anderen biogeochemischen Veränderungen ausgesetzt sein. ^{[ 92 ]} Die Ozeanversauerung kann einige Organismen zwingen, Ressourcen von produktiven Endpunkten umzuverteilen, um die Kalzifizierung aufrechtzuerhalten. ^{[ 93 ]} Beispielsweise ist bekannt, dass die Auster Magallana gigas aufgrund von energetischen Kompromissen infolge von pH-Wert-Ungleichgewichten neben veränderten Kalzifizierungsraten auch Stoffwechselveränderungen erfährt . ^{[ 94 ]}

Unter normalen Bedingungen sind Kalzit und Aragonit in Oberflächengewässern stabil, da die Carbonationen im Vergleich zum Meerwasser übersättigt sind . Mit sinkendem pH-Wert des Ozeans nimmt jedoch auch die Konzentration der Carbonationen ab. Dadurch wird Kalziumkarbonat untersättigt, und Strukturen aus Kalziumkarbonat werden anfällig für Kalzifizierungsstress und Auflösung. ^{[ 95 ]} Studien zeigen insbesondere, dass Korallen ^{[ 96 ] [ 97 ]} , Coccolithophoriden ^{[ 91 ] [ 29 ] [ 98 ]} , Kalkalgen ^{[ 99 ]} , Foraminiferen ^{[ 100 ]} , Muscheln und Flügelschnecken ^{[ 101 ]} bei erhöhter CO₂-Konzentration eine verringerte Kalzifizierung oder eine verstärkte Auflösung aufweisen _. Selbst mit aktiven Meeresschutzmaßnahmen ist es möglicherweise unmöglich, viele frühere Muschelpopulationen wiederherzustellen. ^{[ 102 ]}

Einige Studien haben unterschiedliche Reaktionen auf die Ozeanversauerung festgestellt: Bei erhöhtem atmosphärischem pCO₂ ^{nehmen sowohl die Kalzifizierung als auch die Photosynthese von Coccolithophoriden zu [ 103 ], während bei erhöhtem CO₂-Gehalt Primärproduktion und Kalzifizierung gleichermaßen zurückgehen [} 104 ^{] .} Auch _die Richtung der Reaktion ^{variiert zwischen} _den Arten ^{[ 105 ] .}

Auch der Seestern Pisaster ochraceus zeigt ein verstärktes Wachstum in Gewässern mit erhöhtem Säuregehalt. ^{[ 106 ]}

Die durch die Ozeanversauerung bedingte verminderte Kalzifizierung kann die biologisch bedingte Kohlenstoffspeicherung aus der Atmosphäre im Ozeaninneren und im Meeresboden beeinträchtigen und so die sogenannte biologische Pumpe schwächen . ^{[ 74 ]} Die Versauerung des Meerwassers könnte zudem die Größe des antarktischen Phytoplanktons verringern und dessen Kohlenstoffspeicherfähigkeit beeinträchtigen. ^{[ 107 ]} Solche Veränderungen werden zunehmend mithilfe physiologischer Modelle, darunter dem Adverse Outcome Pathway (AOP) -Modell, untersucht und zusammengeführt. ^{[ 94 ]}

Coccolithophoriden sind einzellige , eukaryotische Phytoplanktonarten ( Algen ). Das Verständnis von Kalzifizierungsveränderungen bei Coccolithophoriden ist besonders wichtig, da ein Rückgang dieser Organismen sekundäre Auswirkungen auf das Klima haben kann: Durch die Verringerung der Albedo der Erde aufgrund ihrer Auswirkungen auf die ozeanische Wolkenbedeckung könnte dies zur globalen Erwärmung beitragen. ^{[ 108 ]} Eine Studie aus dem Jahr 2008 untersuchte einen Sedimentkern aus dem Nordatlantik und stellte fest, dass die Artenzusammensetzung der Coccolithophoriden in den vergangenen 224 Jahren (1780 bis 2004) unverändert geblieben war. Die durchschnittliche Coccolithenmasse hatte sich jedoch im gleichen Zeitraum um 40 % erhöht. ^{[ 103 ]}

Die Bestände von Warmwasserkorallen sind deutlich rückläufig; in den letzten 30–50 Jahren gingen 50 % zurück. Gründe hierfür sind vielfältige Bedrohungen wie die Erwärmung und Versauerung der Ozeane, Verschmutzung und physische Schäden durch Aktivitäten wie Fischerei. Es wird erwartet, dass sich diese Belastungen noch verstärken. ^{[ 109 ] [ 22 ] : 416}

Die Flüssigkeit in den inneren Kompartimenten (dem Coelenteron), in denen Korallen ihr Exoskelett bilden , ist für das Kalzifizierungswachstum von entscheidender Bedeutung. Bei einem Aragonit-Sättigungsgrad im umgebenden Meerwasser auf dem Niveau der Umgebung wachsen die Aragonitkristalle in den inneren Kompartimenten der Korallen schnell, wodurch auch ihr Exoskelett rasch wächst. Ist der Aragonit-Sättigungsgrad im umgebenden Meerwasser niedriger als das Niveau der Umgebung, müssen die Korallen mehr Energie aufwenden, um das richtige Gleichgewicht in den inneren Kompartimenten aufrechtzuerhalten. Dadurch verlangsamt sich das Kristallwachstum und somit auch das Wachstum des Exoskeletts. Abhängig vom Aragonit-Sättigungsgrad im umgebenden Wasser können die Korallen ihr Wachstum sogar einstellen, da das Pumpen von Aragonit in die inneren Kompartimente energetisch ungünstig ist. ^{[ 110 ]} Bei der aktuellen Entwicklung der Kohlenstoffemissionen werden bis 2050–60 etwa 70 % der Kaltwasserkorallen des Nordatlantiks in korrosiven Gewässern leben. ^{[ 111 ]}

Versauerte Gewässer beeinträchtigen vor allem die Fähigkeit der Korallen, dichte Exoskelette zu bilden, weniger jedoch deren lineare Ausdehnung. Die Dichte einiger Korallenarten könnte bis zum Ende dieses Jahrhunderts um über 20 % zurückgehen. ^{[ 112 ]}

Ein In-situ -Experiment auf einem 400 m² großen Abschnitt des Great Barrier Reefs , bei dem der CO₂-Gehalt des Meerwassers (Anhebung des pH-Werts) auf nahezu den vorindustriellen Wert gesenkt wurde, _zeigte einen Anstieg der Nettokalzifizierung um 7 %. ^{[ 113 ]} Ein ähnliches Experiment, bei dem der CO₂-Gehalt des Meerwassers in situ (Senkung des pH-Werts) auf ein Niveau angehoben wurde, _das kurz nach 2050 erwartet wird, ergab einen Rückgang der Nettokalzifizierung um 34 %. ^{[ 114 ]}

Eine Feldstudie an Korallenriffen in Queensland und Westaustralien aus den Jahren 2007 bis 2012 ergab jedoch, dass Korallen aufgrund interner Homöostase- Regulation resistenter gegenüber pH-Wert-Änderungen in der Umwelt sind als bisher angenommen. Dies macht thermische Veränderungen ( marine Hitzewellen ), die zur Korallenbleiche führen , und nicht die Versauerung zum Hauptfaktor für die Anfälligkeit von Korallenriffen durch den Klimawandel. ^{[ 115 ]}

An manchen Stellen tritt Kohlendioxid aus dem Meeresboden aus und verändert lokal den pH-Wert und andere chemische Eigenschaften des Meerwassers. Untersuchungen dieser Kohlendioxidquellen haben vielfältige Reaktionen verschiedener Organismen dokumentiert. ^{[ 116 ]} Korallenriffgemeinschaften in der Nähe von Kohlendioxidquellen sind von besonderem Interesse, da einige Korallenarten empfindlich auf Versauerung reagieren. In Papua-Neuguinea geht der durch Kohlendioxidquellen verursachte pH-Wert-Abfall mit einem Rückgang der Korallenartenvielfalt einher. ^{[ 117 ]} In Palau hingegen ist der Kohlendioxidaustritt nicht mit einer verringerten Korallenartenvielfalt verbunden, obwohl die Bioerosion von Korallenskeletten an Standorten mit niedrigem pH-Wert deutlich höher ist.

Flügelschnecken und Schlangensterne bilden die Basis der arktischen Nahrungsnetze und werden beide stark durch die Versauerung geschädigt. Die Schalen der Flügelschnecken lösen sich mit zunehmender Versauerung auf, und die Schlangensterne verlieren Muskelmasse beim Nachwachsen ihrer Extremitäten . ^{[ 118 ]} Flügelschnecken benötigen Aragonit für die Schalenbildung, das aus Carbonationen sowie gelöstem Calcium und Strontium gebildet wird. Flügelschnecken sind stark betroffen, da die zunehmende Versauerung die Menge an mit Carbonat übersättigtem Wasser stetig verringert hat. ^{[ 119 ]} Der Abbau organischer Substanz in arktischen Gewässern hat die Ozeanversauerung verstärkt; einige arktische Gewässer sind bereits in Bezug auf Aragonit untersättigt. ^{[ 120 ] [ 121 ] [ 122 ]}

Die Eier des Schlangensterns sterben innerhalb weniger Tage ab, wenn sie den zu erwartenden Bedingungen der arktischen Versauerung ausgesetzt sind. ^{[ 123 ]} Ähnlich verhält es sich mit Larven eines gemäßigten Schlangensterns , einem Verwandten des Gemeinen Seesterns : Bei Experimenten mit einem um 0,2 bis 0,4 reduzierten pH-Wert überlebten weniger als 0,1 Prozent länger als acht Tage. ^{[ 88 ]}

Abgesehen von der Verlangsamung und/oder Umkehrung der Kalzifizierung können Organismen weitere negative Auswirkungen erleiden, entweder indirekt durch Beeinträchtigungen der Nahrungsressourcen oder direkt durch reproduktive oder physiologische Effekte. ^{[ 4 ]} Beispielsweise kann der erhöhte CO₂-Gehalt im Ozean zu einer CO₂-induzierten Versauerung der Körperflüssigkeiten, der sogenannten Hyperkapnie, führen _{. [} 125 ] Es ^{wurde beobachtet ,} dass ein erhöhter Säuregehalt die Stoffwechselrate von Riesenkalmaren verringert ^{[ 126 ]} und die Immunantwort von Miesmuscheln schwächt. ^{[ 127 ]} Die Eier des Atlantischen Langflossenkalmars benötigten in angesäuertem Wasser länger zum Schlüpfen, und der Statolith der Kalmare war bei Tieren, die in Meerwasser mit niedrigerem pH-Wert gehalten wurden, kleiner und missgebildet. ^{[ 128 ]} Diese Studien sind jedoch noch nicht abgeschlossen, und es besteht noch kein vollständiges Verständnis dieser Prozesse in marinen Organismen oder Ökosystemen . ^{[ 129 ]}

Ein weiterer potenzieller Weg für Auswirkungen auf das Ökosystem führt über die Bioakustik . Diese kann auftreten, da die Ozeanversauerung die akustischen Eigenschaften des Meerwassers verändern kann, wodurch sich Schall weiter ausbreitet und der Meereslärm zunimmt. ^{[ 130 ]} Dies beeinträchtigt alle Tiere, die Schall zur Echoortung oder Kommunikation nutzen . ^{[ 131 ]}

Eine weitere mögliche Folge wäre eine Zunahme schädlicher Algenblüten , die zur Anreicherung von Toxinen ( Domoinsäure , Brevetoxin , Saxitoxin ) in kleinen Organismen wie Sardellen und Schalentieren beitragen und dadurch wiederum das Auftreten von amnestischer , neurotoxischer und paralytischer Schalentiervergiftung begünstigen könnten . ^{[ 132 ]} Obwohl Algenblüten schädlich sein können, profitieren andere nützliche photosynthetische Organismen möglicherweise von erhöhten Kohlendioxidkonzentrationen. Besonders Seegraswiesen profitieren davon. ^{[ 106 ]} Untersuchungen haben gezeigt, dass mit zunehmender photosynthetischer Aktivität von Seegraswiesen auch die Kalzifizierungsrate kalkbildender Algen anstieg, wahrscheinlich weil die lokale photosynthetische Aktivität Kohlendioxid absorbierte und den lokalen pH-Wert erhöhte. ^{[ 106 ]}

Die Ozeanversauerung kann auch Meeresfischlarven beeinträchtigen . Sie schädigt deren Geruchssinn, der für ihre frühe Entwicklung entscheidend ist. Orangefarbene Clownfischlarven leben hauptsächlich auf Riffen im Ozean, die von Vegetationsinseln umgeben sind. ^{[ 115 ]} Es ist bekannt, dass Larven ihren Geruchssinn nutzen, um zwischen Riffen mit und ohne Vegetationsinseln zu unterscheiden. ^{[ 115 ]} Clownfischlarven müssen diese beiden Lebensräume unterscheiden können, um ein geeignetes Gebiet für ihr Wachstum zu finden. Ein weiterer Zweck des Geruchssinns von Meeresfischen ist die Unterscheidung zwischen ihren Eltern und anderen erwachsenen Fischen, um Inzucht zu vermeiden.

In einer experimentellen Aquarienanlage wurden Clownfische in unbehandeltem Meerwasser mit einem pH-Wert von 8,15 ± 0,07 gehalten, was dem pH-Wert unserer heutigen Ozeane entspricht. ^{[ 115 ]} Um die Auswirkungen unterschiedlicher pH-Werte zu untersuchen, wurde das Meerwasser auf zwei weitere pH-Werte eingestellt, die mit Klimamodellen zur Vorhersage zukünftiger atmosphärischer CO₂-Konzentrationen übereinstimmen _. [ ^{115 ] Für} das Jahr 2100 prognostiziert das Modell mögliche CO₂- _{Konzentrationen} von 1000 ppm, was einem pH-Wert von 7,8 ± 0,05 entspricht.

Dieses Experiment zeigte, dass die Reaktion von Larven auf Umweltreize bei einem pH-Wert von 7,8 ± 0,05 deutlich von ihrer Reaktion auf Reize bei einem pH-Wert entsprechend dem aktuellen Meeresspiegel abweicht. ^{[ 115 ]} Bei einem pH-Wert von 7,6 ± 0,05 reagierten die Larven auf keinerlei Reize. Eine 2022 veröffentlichte Metaanalyse ergab jedoch, dass die Effektstärken publizierter Studien zu den Auswirkungen der Ozeanversauerung auf das Fischverhalten im letzten Jahrzehnt um eine Größenordnung abgenommen haben und in den letzten fünf Jahren vernachlässigbar waren. ^{[ 133 ]}

Aalembryonen, eine „vom Aussterben bedrohte“ Art ^{[ 134 ]} , die dennoch eine wichtige Rolle in der Aquakultur spielt, sind ebenfalls von der Ozeanversauerung betroffen, insbesondere der Europäische Aal . Obwohl sie den Großteil ihres Lebens im Süßwasser, meist in Flüssen, Bächen oder Flussmündungen, verbringen, wandern sie zum Laichen in die Sargassosee und sterben dort auch . Hier erfahren die Europäischen Aale die Auswirkungen der Versauerung in einem ihrer entscheidenden Lebensstadien.

Fischembryonen und -larven reagieren in der Regel empfindlicher auf pH-Wert-Änderungen als adulte Tiere, da ihre Organe zur pH-Wert-Regulation noch nicht vollständig entwickelt sind. ^{[ 135 ]} Aus diesem Grund sind Embryonen des Europäischen Aals in der Sargassosee besonders anfällig für pH-Wert-Schwankungen. Eine Studie aus dem Jahr 2021 untersuchte die spezifischen Auswirkungen der Ozeanversauerung auf Embryonen des Europäischen Aals in der Sargassosee. Die Studie ergab, dass die Exposition gegenüber den prognostizierten pCO₂-Werten im Ozean bis zum Ende des Jahrhunderts die _normale Entwicklung dieser Art in freier Wildbahn während sensibler früher Lebensstadien mit begrenzten physiologischen Reaktionsmöglichkeiten beeinträchtigen kann, während eine extreme Versauerung das Überleben und die Entwicklung der Embryonen unter Aufzuchtbedingungen negativ beeinflussen würde. ^{[ 136 ]}

Zahlreiche Studien belegen, dass die Kombination aus Ozeanversauerung und erhöhter Meerestemperatur einen verstärkten Effekt auf das Meeresleben und die Meeresumwelt hat. Dieser Effekt übertrifft die schädlichen Auswirkungen der einzelnen Faktoren bei Weitem. ^{[ 139 ]} Darüber hinaus verschärft die Erwärmung der Ozeane, zusammen mit der erhöhten Produktivität des Phytoplanktons aufgrund höherer CO₂-Konzentrationen, _die Sauerstoffarmut im Meer . Die Sauerstoffarmut des Meerwassers stellt einen zusätzlichen Stressfaktor für Meeresorganismen dar, der die Schichtung des Ozeans verstärkt und dadurch langfristig Nährstoffe begrenzt und biologische Gradienten verringert. ^{[ 140 ] [ 141 ]}

Metaanalysen haben Richtung und Ausmaß der schädlichen Auswirkungen kombinierter Ozeanversauerung, Erwärmung und Sauerstoffarmut auf die Ozeane quantifiziert. ^{[ 142 ] [ 143 ]} Diese Metaanalysen wurden durch Mesokosmenstudien , die die Wechselwirkung dieser Stressfaktoren simulierten, weiter überprüft und zeigten katastrophale Auswirkungen auf das marine Nahrungsnetz: Thermischer Stress hebt jeglichen Produktivitätsanstieg von Primärproduzenten zu Herbivoren aufgrund erhöhter CO₂- _{Konzentrationen} mehr als auf . ^{[ 144 ] [ 145 ]}

Die zunehmende Versauerung der Ozeane verlangsamt die Kalzifizierung im Salzwasser, was zu kleineren und langsamer wachsenden Korallenriffen führt , die etwa 25 % der marinen Lebewesen beherbergen. ^{[ 146 ] [ 147 ]} Die Auswirkungen sind weitreichend und reichen von der Fischerei und Küstenökosystemen bis in die tiefsten Tiefen des Ozeans. ^{[ 19 ]} Die zunehmende Versauerung der Ozeane tötet nicht nur die Korallen, sondern auch die enorme Artenvielfalt der Meeresbewohner, die von den Korallenriffen abhängig sind. ^{[ 148 ]}

Die Bedrohung durch die Versauerung der Ozeane umfasst einen Rückgang der kommerziellen Fischerei und des Küstentourismus . Zahlreiche Meeresgüter und -dienstleistungen werden durch die zukünftige Ozeanversauerung voraussichtlich beeinträchtigt, was je nach Treibhausgasemissionsszenario potenziell die Lebensgrundlagen von etwa 470 bis 870 Millionen der ärmsten Menschen der Welt gefährden könnte . ^{[ 88 ]}

Rund eine Milliarde Menschen sind ganz oder teilweise von den Fischerei-, Tourismus- und Küstenschutzleistungen der Korallenriffe abhängig. Die fortschreitende Versauerung der Ozeane könnte daher zukünftige, mit den Ozeanen verbundene Nahrungsketten gefährden. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

In der Arktis sind die kommerziellen Fischereien bedroht, da die Versauerung kalkbildende Organismen schädigt, die die Basis der arktischen Nahrungsnetze bilden (Flügelfußkrebse und Schlangensterne, siehe oben). Die Versauerung gefährdet die arktischen Nahrungsnetze von der Basis an. Arktische Nahrungsnetze gelten als einfach, d. h. die Nahrungskette von kleinen Organismen zu größeren Raubtieren weist nur wenige Stufen auf. Flügelfußkrebse beispielsweise sind „eine wichtige Beute für eine Reihe höherer Raubtiere – größeres Plankton, Fische, Seevögel und Wale“ ^{[ 149 ]} . Sowohl Flügelfußkrebse als auch Schlangensterne stellen eine bedeutende Nahrungsquelle dar, und ihr Verschwinden aus dem einfachen Nahrungsnetz würde eine ernsthafte Bedrohung für das gesamte Ökosystem darstellen. Die Auswirkungen auf die kalkbildenden Organismen an der Basis der Nahrungsnetze könnten die Fischerei potenziell zerstören.

Die Muschelzucht ist ein wichtiger Wirtschaftszweig im Vereinigten Königreich. ^{[ 150 ]} Im Jahr 2013 trug die Muschelzucht wertmäßig 37 % zu den gesamten Anlandungen bei. ^{[ 150 ]} England und Schottland sind die größten Muschelproduzenten im Vereinigten Königreich. ^{[ 150 ]} Jährlich fangen Fischer schätzungsweise 66.000 bzw. 61.000 Tonnen Muscheln. ^{[ 150 ]} Der Wert der wild gefangenen Muscheln beläuft sich auf 203 Millionen Pfund pro Jahr. ^{[ 150 ]} Die Ozeanversauerung führt jedoch zu einem Rückgang des Wachstums vieler Muschelarten. ^{[ 150 ]} Dies verursacht erhebliche wirtschaftliche Verluste im Vereinigten Königreich. ^{[ 150 ]}

Es wird prognostiziert, dass es bis zum Jahr 2100 in Großbritannien zu einem gesamtwirtschaftlichen Rückgang der Muschelproduktion kommen wird. ^{[ 150 ]} Der direkte potenzielle Verlust liegt zwischen 14 und 28 Prozent der Fischereiproduktion. ^{[ 150 ]} Dies entspricht einem Gesamtverlust von etwa 23 bis 88 Millionen Pfund. ^{[ 150 ]} Die finanziellen Verluste variieren regional aufgrund unterschiedlicher Fangmuster wild gefangener Muscheln und der Nutzung von Arten mit unterschiedlicher Empfindlichkeit gegenüber der Ozeanversauerung. ^{[ 150 ]} Die Muschelbestände in Großbritannien erfordern regionale, nationale oder internationale Lösungen, um die Auswirkungen der Ozeanversauerung auf die Muschelarten zu reduzieren und die Wirtschaft zu stabilisieren. ^{[ 150 ]}

Der Wert der in den USA im Jahr 2007 gefangenen Fische belief sich auf 3,8 Milliarden US-Dollar, wovon 73 % auf kalkbildende Arten und deren direkte Fressfeinde zurückzuführen waren. ^{[ 151 ]} Auch andere Organismen werden durch die Versauerung direkt geschädigt. So führt beispielsweise das verringerte Wachstum kalkbildender Meerestiere wie des Amerikanischen Hummers , der Venusmuschel und der Jakobsmuschel zu einer geringeren Verfügbarkeit von Schalentierfleisch für Verkauf und Verzehr. ^{[ 152 ]} Auch die Fischerei auf die Rote Königskrabbe ist stark bedroht, da Krabben ebenfalls kalkbildend sind. Junge Rote Königskrabben starben nach 95 Tagen bei erhöhter Versauerung vollständig ab. ^{[ 153 ]} Im Jahr 2006 machte die Rote Königskrabbe 23 % der gesamten empfohlenen Fangmenge aus, und ein starker Rückgang der Population würde die Krabbenfischerei gefährden. ^{[ 154 ]}

Die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen (d. h. Klimaschutzmaßnahmen ) ist die einzige Lösung, die die Ursache der Ozeanversauerung bekämpft. Einige Klimaschutzmaßnahmen konzentrieren sich beispielsweise auf die CO₂-Entfernung aus der Atmosphäre (z. B. durch direkte CO₂-Abscheidung aus der Luft , Bioenergie mit CO₂-Abscheidung und -Speicherung ). Diese Maßnahmen würden die Versauerung ebenfalls verlangsamen.

Ansätze zur Entfernung von Kohlendioxid aus dem Ozean umfassen die Nährstoffdüngung des Ozeans , künstliches Auftriebs- und/oder Abtriebswasser, Algenzucht , Ökosystemwiederherstellung, Erhöhung der Ozeanalkalinität, beschleunigte Verwitterung und elektrochemische Prozesse. ^{[ 155 ] : 12–36} Alle diese Methoden nutzen den Ozean, um CO₂ aus der Atmosphäre zu entfernen _und im Meer zu speichern. Diese Methoden können zur Minderung der Treibhausgasemissionen beitragen, haben aber Nebenwirkungen auf das Meeresleben. Das Forschungsfeld aller Methoden zur CO₂-Entfernung aus dem Ozean hat sich seit 2019 stark weiterentwickelt. ^{[ 87 ]}

Insgesamt besitzen „ozeanbasierte Methoden ein kombiniertes Potenzial zur Entfernung von 1–100 Gigatonnen CO₂ _pro Jahr“ ^{[ 156 ] : TS-94.} Ihre Kosten liegen in der Größenordnung von40–500 US-Dollar pro Tonne CO₂ _. Beispielsweisekönnte eine verstärkte Verwitterung …2–4  Gigatonnen CO₂ pro Jahr. Diese Technologie ist mit Kosten verbunden _.50–200 US-Dollar proTonne CO₂ _. ^{[ 156 ] : TS-94}

Einige Verfahren zur Kohlenstoffentfernung erhöhen die Alkalinität des Ozeans und puffern so unmittelbar pH-Wert-Änderungen ab, was den Organismen in den betroffenen Gebieten zugutekommen kann. Zu dieser Kategorie gehören die Erhöhung der Ozeanalkalinität und elektrochemische Verfahren. ^{[ 87 ]} Aufgrund von Diffusion ist diese Alkalinitätszunahme in entfernten Gewässern jedoch letztendlich sehr gering. Daher spricht man von lokaler Minderung der Ozeanversauerung . Beide Technologien haben das Potenzial, großflächig eingesetzt zu werden und Kohlendioxid effizient zu entfernen. ^{[ 87 ] : Tabelle 9.1.} Sie sind jedoch teuer, bergen viele Risiken und Nebenwirkungen und weisen derzeit einen niedrigen Technologiereifegrad auf . ^{[ 155 ] : 12–36}

Die Erhöhung der ozeanischen Alkalinität (OAE) ist eine vorgeschlagene Methode zur CO₂-Entfernung (CDR), bei der alkalische Mineralien oder deren Dissoziationsprodukte an der Meeresoberfläche abgelagert werden. ^{[ 35 ] : 2241} _{Dadurch würde die Gesamtalkalinität an der Oberfläche erhöht und die CO₂} -Aufnahme des Ozeans gesteigert . Dies geschieht durch die Erhöhung der Bicarbonatkonzentration ( HCO₃⁻) .−3Durch beschleunigte Verwitterung ( verstärkte Verwitterung ) von Gesteinen ( Silikat , Kalkstein und Branntkalk ) ^{[ 87 ] : 181.} Dieser Prozess ahmt den Silikat-Karbonat-Kreislauf nach. Das CO₂ _wird entweder zu Bicarbonat und bleibt in dieser Form über 100 Jahre erhalten oder fällt als Calciumcarbonat (CaCO₃) aus _. Wird Calciumcarbonat in der Tiefsee abgelagert, kann es den Kohlenstoff bei der Nutzung von Silikatgesteinen unbegrenzt binden.

Verstärkte Verwitterung ist eine Form der Erhöhung der Alkalinität im Meer. Sie führt zur Zunahme der Alkalinität durch die Verteilung feiner Gesteinspartikel. Dies kann sowohl an Land als auch im Meer geschehen (auch wenn die Folgen letztendlich das Meer betreffen).

Neben der Bindung von CO₂ _puffert die Zugabe von Alkalinität den pH-Wert des Ozeans und verringert so dessen Versauerung. Allerdings ist wenig darüber bekannt, wie Organismen auf zusätzliche Alkalinität reagieren, selbst wenn diese natürlichen Ursprungs ist. ^{[ 87 ]} Beispielsweise könnte die Verwitterung bestimmter Silikatgesteine ​​große Mengen an Spurenmetallen am Verwitterungsort freisetzen.

Die Kosten und der Energieverbrauch für die Anreicherung der Ozeanalkalinität (Abbau, Zerkleinerung, Transport) sind im Vergleich zu anderen CDR-Verfahren hoch. ^{[ 87 ]} Die Kosten werden auf etwa20–50 US-Dollar pro Tonne CO₂ ₍ für die „direkte Zugabe von alkalischen Mineralien in den Ozean“). ^{[ 155 ] : 12–50}

Der im Ozean als Bicarbonat gebundene Kohlenstoff entspricht etwa 30 % der Kohlenstoffemissionen seit der Industriellen Revolution .

Zu den experimentellen Materialien gehören Kalkstein, Brucit , Olivin und alkalische Lösungen. Ein anderer Ansatz besteht darin, während der Entsalzung mithilfe von Elektrizität die Alkalinität zu erhöhen, um das im Wasser gelöste CO₂ _abzuscheiden . ^{[ 157 ]}

Elektrochemische Verfahren, auch Elektrolyse genannt, können Kohlendioxid direkt aus Meerwasser abtrennen. ^{[ 87 ]} Elektrochemische Prozesse tragen auch zur Erhöhung der Alkalinität der Ozeane bei. Einige Methoden konzentrieren sich auf die direkte CO₂ _- Entfernung (in Form von Carbonat und CO₂ _- Gas), während andere die Alkalinität des Meerwassers durch Ausfällung von Metallhydroxidrückständen erhöhen. Diese absorbieren CO₂, _wie im Abschnitt zur Erhöhung der Alkalinität der Ozeane beschrieben. Der bei der direkten CO₂-Abscheidung entstehende Wasserstoff kann anschließend zur Energiegewinnung oder zur Herstellung anderer Laborreagenzien wie Salzsäure weiterverarbeitet werden .

Die Anwendung der Elektrolyse zur CO₂-Abscheidung ist jedoch teuer und der Energieverbrauch im Vergleich zu anderen CDR-Verfahren hoch. ^{[ 87 ]} Zudem wird die Umweltverträglichkeit dieses Verfahrens noch erforscht. Zu den möglichen Komplikationen zählen toxische Chemikalien im Abwasser und ein reduzierter Gehalt an gelöstem anorganischem Kohlenstoff (DIC) im Abwasser; beides kann sich negativ auf die Meereslebewesen auswirken. ^{[ 87 ]}

Mit zunehmendem Bewusstsein für die Ozeanversauerung wurden Strategien zur Intensivierung der Überwachung dieses Phänomens entwickelt. ^{[ 158 ]} Bereits 2015 hatte der Meeresforscher Jean-Pierre Gattuso angemerkt: „Der Ozean wurde bei den bisherigen Klimaverhandlungen kaum berücksichtigt. Unsere Studie liefert überzeugende Argumente für einen grundlegenden Wandel auf der UN-Klimakonferenz (in Paris).“ ^{[ 159 ]}

Internationale Bemühungen, wie beispielsweise das Übereinkommen von Cartagena der Karibik (in Kraft getreten 1986) ^{[ 160 ]} , können die Unterstützung regionaler Regierungen für besonders gefährdete Gebiete im Zusammenhang mit der Ozeanversauerung verbessern. ^{[ 161 ]} Viele Länder, beispielsweise in den Pazifikinseln und -gebieten, haben regionale Strategien oder nationale Meeresstrategien, nationale Aktionspläne, nationale Anpassungspläne und gemeinsame nationale Aktionspläne zum Klimawandel und zur Katastrophenvorsorge entwickelt, um die Erreichung des UN -Nachhaltigkeitsziels 14 zu fördern . Die Ozeanversauerung wird nun auch in diesen Rahmen berücksichtigt. ^{[ 162 ]}

Die UN-Ozeandekade umfasst das Programm „Ozeanversauerungsforschung für nachhaltige Entwicklung“. Es wurde vom Globalen Netzwerk zur Beobachtung der Ozeanversauerung (GOA-ON) und seinen Partnern vorgeschlagen und offiziell als Programm der UN-Dekade der Meeresforschung für nachhaltige Entwicklung anerkannt . ^{[ 163 ] [ 164 ]} Das OARS-Programm baut auf der Arbeit von GOA-ON auf und verfolgt folgende Ziele: die Wissenschaft der Ozeanversauerung weiterzuentwickeln; die Beobachtungen von Veränderungen der Ozeanchemie zu intensivieren; die Auswirkungen auf marine Ökosysteme auf lokaler und globaler Ebene zu identifizieren; und Entscheidungsträgern die notwendigen Informationen zur Minderung der Ozeanversauerung und zur Anpassung an sie bereitzustellen.

Die Bedeutung der Ozeanversauerung spiegelt sich in ihrer Aufnahme in die Liste der sieben globalen Klimaindikatoren wider. ^{[ 165 ]} Diese Indikatoren beschreiben den Klimawandel anhand verschiedener Parameter, ohne ihn allein auf steigende Temperaturen zu reduzieren . Sie umfassen wichtige Informationen zu den relevantesten Bereichen des Klimawandels: Temperatur und Energie, atmosphärische Zusammensetzung, Ozean und Wasser sowie Kryosphäre. Die globalen Klimaindikatoren wurden von Wissenschaftlern und Kommunikationsfachleuten im Rahmen eines vom Globalen Klimabeobachtungssystem (GCOS) geleiteten Prozesses identifiziert. ^{[ 166 ]} Die Indikatoren wurden von der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) anerkannt . Sie bilden die Grundlage für die jährliche WMO-Erklärung zum Zustand des globalen Klimas, die der Vertragsstaatenkonferenz (COP) des Rahmenübereinkommens der Vereinten Nationen über Klimaänderungen (UNFCCC) vorgelegt wird. Darüber hinaus verwendet der Copernicus-Klimawandeldienst (C3S) der Europäischen Kommission die Indikatoren für seinen jährlichen Bericht „Europäischer Klimazustand“.

Im Jahr 2015 verabschiedeten die Vereinten Nationen die Agenda 2030 und 17 Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs), darunter das dem Ozean gewidmete ^Ziel 14 [ ^{167 ]} , das die „Erhaltung und nachhaltige Nutzung der Ozeane, Meere und Meeresressourcen für eine nachhaltige Entwicklung“ fordert. Die Ozeanversauerung wird direkt durch das Ziel 14.3 der SDGs thematisiert. Der vollständige Titel von Ziel 14.3 lautet: „Die Auswirkungen der Ozeanversauerung minimieren und bekämpfen, unter anderem durch verstärkte wissenschaftliche Zusammenarbeit auf allen Ebenen“ ^{[ 168 ]} . Dieses Ziel hat einen Indikator: Indikator 14.3.1 fordert die „durchschnittliche Meeresazidität ( pH-Wert ), gemessen an einer vereinbarten Reihe repräsentativer Probenahmestellen“ ^{[ 169 ] .}

Die Zwischenstaatliche Ozeanographische Kommission (IOC) der UNESCO wurde als zuständige Stelle für den Indikator 14.3.1 des UN-Nachhaltigkeitsziels (SDG 14.3.1) benannt. In dieser Funktion ist die IOC-UNESCO mit der Entwicklung der Methodik für den SDG-14.3.1-Indikator, der jährlichen Datenerhebung zu diesem Indikator und der Berichterstattung über die Fortschritte an die Vereinten Nationen beauftragt. ^{[ 170 ] [ 171 ]}

In den Vereinigten Staaten unterstützt der Federal Ocean Acidification Research and Monitoring Act von 2009 die staatliche Koordinierung, beispielsweise durch das „Ocean Acidification Program“ der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). ^{[ 172 ] [ 173 ]} Im Jahr 2015 lehnte die USEPA eine Bürgerpetition ab, die die EPA aufforderte, CO₂ gemäß dem Toxic Substances Control Act von 1976 zu regulieren, _um die Ozeanversauerung einzudämmen. ^{[ 174 ] [ 175 ]} In ihrer Ablehnung erklärte die EPA, dass die Risiken der Ozeanversauerung durch nationale Maßnahmen, etwa im Rahmen des Presidential Climate Action Plan , „effizienter und effektiver angegangen“ würden und dass verschiedene Wege verfolgt würden, um gemeinsam mit anderen Nationen Emissionen und Entwaldung zu reduzieren sowie saubere Energie und Energieeffizienz zu fördern. ^{[ 176 ]}

Die Erforschung der Ozeanversauerung und die Sensibilisierung für dieses Problem dauern bereits seit mehreren Jahrzehnten an. Die Grundlagenforschung begann mit der Entwicklung der pH-Skala durch den dänischen Chemiker Søren Peder Lauritz Sørensen im Jahr 1909. ^{[ 177 ]} Um 1950 war die enorme Bedeutung der Ozeane für die Absorption von CO₂ aus fossilen Brennstoffen _Fachleuten bekannt, wurde aber von der breiteren wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht ausreichend gewürdigt. ^{[ 178 ]} Im Großteil des 20. Jahrhunderts lag der Fokus auf dem positiven Effekt der ozeanischen CO₂ _- Aufnahme, die den Klimawandel erheblich abgemildert hat. Das Konzept der „zu viel des Guten“ entwickelte sich erst spät und wurde erst durch einige Schlüsselereignisse ausgelöst. Die ozeanische Senke für Wärme und CO₂ _ist nach wie vor ein entscheidender Puffer gegen den Klimawandel. ^{[ 178 ]}

Bereits Anfang der 1970er-Jahre kamen weltweit Fragen nach den langfristigen Auswirkungen der Anreicherung von CO₂ aus fossilen Brennstoffen _{im Meer auf und lösten heftige Debatten aus. Forscher kommentierten die Anreicherung von fossilem CO₂} in Atmosphäre und Meer und wiesen auf die möglichen Folgen für das Meeresleben hin. Mitte der 1990er-Jahre wurde der wahrscheinliche Einfluss des stark ansteigenden CO₂- _Gehalts in Verbindung mit den unvermeidlichen Veränderungen des pH-Werts und der Carbonationen zu einem Anliegen von Wissenschaftlern, die das Schicksal der Korallenriffe untersuchten. ^{[ 178 ]}

Gegen Ende des 20. Jahrhunderts wurden die Wechselwirkungen zwischen der positiven Rolle der Ozeane bei der Absorption von etwa 90 % der gesamten erzeugten Wärme und der gleichzeitigen Ansammlung von etwa 50 % des gesamten aus fossilen Brennstoffen emittierten CO₂ _sowie die Auswirkungen auf das Meeresleben immer deutlicher. Bis 2003, dem Planungsjahr für das „Erste Symposium zum Thema Ozean in einer CO₂-reichen _Welt “, das 2004 in Paris stattfand, wurden zahlreiche neue Forschungsergebnisse zur Ozeanversauerung veröffentlicht. ^{[ 178 ]}

Im Jahr 2009 forderten Mitglieder des InterAcademy Panel die Staats- und Regierungschefs der Welt auf, „anzuerkennen, dass die Reduzierung des CO₂-Anstiegs _in der Atmosphäre die einzig praktikable Lösung zur Eindämmung der Ozeanversauerung ist“. ^{[ 179 ]} In der Erklärung wurde außerdem betont, wie wichtig es sei, „Maßnahmen zur Reduzierung von Belastungsfaktoren wie Überfischung und Verschmutzung für marine Ökosysteme zu verstärken , um deren Widerstandsfähigkeit gegenüber der Ozeanversauerung zu erhöhen“. ^{[ 180 ]}

So ergaben beispielsweise Untersuchungen aus dem Jahr 2010, dass allein im 15-Jahres-Zeitraum von 1995 bis 2010 der Säuregehalt in den oberen 100 Metern des Pazifischen Ozeans von Hawaii bis Alaska um 6 Prozent zugenommen hatte. ^{[ 51 ]}

Laut einer Erklärung von Jane Lubchenco , Leiterin der US-amerikanischen Nationalen Ozean- und Atmosphärenbehörde (NOAA ), vom Juli 2012 „verändern sich die Oberflächengewässer viel schneller, als anfängliche Berechnungen vermuten ließen. Dies ist ein weiterer Grund, sich große Sorgen über die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre und die zusätzlich von uns freigesetzte Menge zu machen.“ ^{[ 181 ]}

Eine Studie aus dem Jahr 2013 ergab, dass der Säuregehalt 10-mal schneller zunimmt als in jeder der evolutionären Krisen der Erdgeschichte. ^{[ 182 ]}

Das „Dritte Symposium über den Ozean in einer CO₂-reichen _Welt “ fand 2012 in Monterey, Kalifornien, statt. In der Zusammenfassung der Konferenz für politische Entscheidungsträger hieß es, dass „die Forschung zur Ozeanversauerung rasant zunimmt“. ^{[ 96 ]}

In einem 2015 in Science veröffentlichten Synthesebericht stellten 22 führende Meereswissenschaftler fest, dass das CO₂ _aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe die Chemie der Ozeane schneller verändert als jemals zuvor seit dem Großen Sterben (dem schwersten bekannten Massenaussterben der Erdgeschichte). ^{[ 159 ]} In ihrem Bericht betonten sie, dass die von den Regierungen vereinbarte maximale Temperaturerhöhung von 2 °C eine zu geringe Emissionsreduktion darstellt, um „dramatische Auswirkungen“ auf die Weltmeere zu verhindern. ^{[ 159 ]}

Eine Studie aus dem Jahr 2020 argumentiert, dass die Ozeanversauerung nicht nur das Meeresleben, sondern auch die menschliche Gesundheit negativ beeinflusst. Nahrungsmittelqualität, Atemwegserkrankungen und die menschliche Gesundheit werden allesamt durch die Ozeanversauerung beeinträchtigt. ^{[ 183 ]}

• Ästuarversauerung  – Sinkende pH-Werte in küstennahen Meeresökosystemen
• Ozeanversauerung im Arktischen Ozean  – Ein Aspekt des Klimawandels
• Ozeanversauerung im Great Barrier Reef  – Bedrohung des Riffs durch Korallenschäden
• Ozeanentsauerstoffmangel  – Verringerung des Sauerstoffgehalts der Ozeane
• Meeresverschmutzung  – Verschmutzung der Ozeane durch von Menschen weggeworfene Substanzen