Vortrag zur CO2-bedingten Ozeanversauerung vom

Ozeanversauerung durch CO2-Emissionen
Evangelische Akademie, Berlin
10. Mai 2013
Jeffrey H. Michel, MSc.
Sommerhuder Straße 23
22769 Hamburg
[email protected]
Die Nutzung fossiler Energieträger übertrifft die
Wachstumsraten aller erneuerbaren Energien.
Die globale Nutzung
aller Energieformen
steigt weiter an.
Die Internationale
Energieagentur (IEA)
erwartete im Jahre
2011 eine Zunahme der
energiebedingten CO2Emissionen von 31,2
Gt auf 37,0 Gt 2035.
In Energieprognosen
des Jahres 2007 stand
die Kohlenutzung erst
an zweiter Stelle.
Die Kohle wird entgegen früheren Erwartungen
zum wichtigsten Energieträger der Welt.
Entgegen allen früheren
Prognosen über die
anhaltende
Vorherrschaft von Erdöl
im globalen Energiemix
wird nun in diesem Jahr
(2013) nach Erkenntnis
von Wood Mckenzie
Energy Service „die
Kohle das Erdöl als
wichtigste Energiequelle
der Welt überholen“.
Stein- und Braunkohlekraftwerke verursachen die
höchsten CO2-Mengen pro kWh.
Eine Tonne Braunkohle =
eine Tonne CO2
Die globalen CO2-Emissionen steigen im
Kohlensektor überproportional an.
Bis 2015 werden die CO2-Emissionen aus der Kohleverbrennung in
den Nicht-OECD-Staaten mit 8,9 Gt auf über das doppelte Niveau
aller OECD-Länder (4.2 Gt) zugenommen haben.
Die Internationale Energieagentur sieht ein
„goldenes Zeitalter der Kohle“ für Europa voraus.
Die in Südafrika,
Kolumbien und Russland
produzierte Kohle wird
nach Asien exportiert.
Die Bedarfslücke in
Europa und Südamerika
wird vornehmlich durch
Kohlelieferungen aus
dem amerikanischen
Appalachen-Gebirge
geschlossen.
Das europäische Erdgas
ist dagegen thermisch
nicht konkurrenzfähig.
Asiatische Kohlekraftwerke sind für die globale
CO2-Trendentwicklung hauptverantwortlich.
Die Gewinnung von Schiefergas ermöglicht eine
erweiterte globale Erdgasinfrastruktur.
BGRStellenausschreibungen
weisen auf einen
erhöhten SchiefergasErkundungsbedarf hin.
Nach Angabe der Bundesanstalt für
Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR)
werden früher erfasste Erdgasreserven
nunmehr vom unkonventionellen Erdgas
um das Siebenfache übertroffen.
Die steigende Angebotslage für Erdgas erhöht die
Abgabe von Kohlenstoff an die Biosphäre.
• Nach Hans-Werner Sinn
ist bei allen globalen
Umweltzielen „die
Nachfrageminderung der
grünen Länder im Fall
eines starren Angebots
nutzlos“.
• Die Förderung von
Schiefergas und
Schieferöl ergänzt das
globale Angebot an
Kohlenstoff.
In China ist eine Steigerung des Erdölverbrauchs
um 7,2% pro Jahr angezeigt.
• Allein aus den ErdölVerbrennungsprodukten
werden 2025 in China
bei 0,4 t CO2 pro Barrel
3,7 Milliarden Tonnen
Kohlendioxid emittiert.
• Ab 2011 übertraf die
Gesamtstreckenlänge
des chinesischen
Autobahnnetzes die der
USA.
Die deutschen CO2-Emissionssenkungen sind auf
die ostdeutschen Bundesländer konzentriert.
Die Kyoto-Zielerfüllung von 21% weniger Treibhausgasen bis 2012 ist
vorwiegend das Ergebnis von stillgelegten und modernisierten
Braunkohlekraftwerken, dem Bevölkerungsrückgang sowie vergleichsweise
großen Flächen für Wind- und Solarparks in den neuen Bundesländern.
Eine CO2-Kompensation durch die Photosynthese
ist bei hohen Konzentrationen weniger wirksam.
Schwingungen von Treibhausgasen im
Infrarotbereich erwärmen die Erdatmosphäre.
Gasmoleküle mit einem
unsymmetrischen Dipolmoment
strahlen unter Infrarotlicht die
Hälfte ihrer Schwingungsenergie
auf die Erdoberfläche zurück.
Der Treibhauseffekt wird durch den Vergleich mit
einem Gewächshaus veranschaulicht.
Atmosphärische CO2-Konzentrationen sind mit
dem globalen Temperaturanstieg gleichläufig.
Über 40 % der CO2-Mengen für eine globale
Erwärmung von 2 ºC sind bereits emittiert worden.
Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung / Oxford University / Eidgenössische
Technische Hochschule Zürich:
Für eine 2-Grad-Klimaerwärmung sollten 2000 – 2050
max. 1.000 Milliarden Tonnen (Gt) CO2 emittiert werden.
„Climate Change: Halving Carbon Dioxide Emissions By 2050 Could Stabilize Global
Warming“, Science News, May 4, 2009, Washington.
Bei der derzeitigen
Trendentwicklung
dürfte zur
Einhaltung der 2ºCObergrenze nach
2030 kein weiteres
CO2 ausgestoßen
werden.
Das 2-Grad-Erwärmungsziel der EU fordert zu
negativen CO2-Emissionen heraus.
Negative Emissionen
werden durch
Wiederaufforstung bzw.
die Abscheidung- und
Speicherung von CO2
(CCS) aus der Verfeuerung
von Biomasse erzielt .
CCS
Treibhausgasemissionen wirken sich noch lange
nach der Verbrennung fossiler Brennstoffe aus.
Werden alle fossilen
Brennstoffreserven bis
2300 aufgebraucht:
• erhöht sich die
DurchschnittsTemperatur auf
der Erde um 7,8 ºC
• erreicht der
Temperaturzuwachs
an den Polkappen
teilweise 20 ºC.
Quelle: Lawrence
Livermore National
Laboratory
Durch die globale Erwärmung gehen Umwelt
stabilisierende Eisdecken verloren.
Die atmosphärischen
CO2-Konzentrationen
steigen um 3 ppm/a.
Beim Negativurteil über den Klimawandel wird der
historischen Vorlauf ausgeblendet.
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Hans-Werner Sinn, Das grüne Paradoxon. Plädoyer für eine
illusionsfreie Klimapolitik, 2009, S. 376: Der Klimawandel stellt den
„größten Marktfehler in der Geschichte der Menschheit“ dar.
Historischer Vorlauf
Jean-Baptiste Fourier, Mémoire sur les températures du globe
terrestre et des espaces planétaires, 1824: Der Glashauseffekt (l'effet
de serre) verlängert die Wachstumsperioden in Europa.
Die Kohle verhindert im 19. Jahrhundert eine sonstige Entwaldung
Europas und wird dadurch zum ökologisch bevorzugten Brennstoff.
Das Petroleum rettet den Pottwal vor der Ausrottung.
Die auf Braunkohle basierte Ammoniak-Synthese nach dem HaberBosch-Verfahren steigert die landwirtschaftliche Produktivität.
Die Kraftstoff-Synthese mit Braunkohle nach dem Fischer-TropschVerfahren verlängert das für 2000 erwartete Ende des Ölzeitalters.
Die atmosphärischen CO2-Konzentrationen
werden durch die Meeresaufnahme gemäßigt.
Wegen der Absorption
von etwa der Hälfte
aller CO2-Emissionen
durch die Ozeane und
durch die Vegetation
sind die steigenden
atmosphärischen CO2Konzentrationen
weniger stark
ausgeprägt, als die bei
der Verbrennung von
fossilen Energieträgern
ausgestoßenen
Kohlenstoffmengen.
Der pH-Wert ist das Maß für das Potential
chemischer Aktivität.
Der pH-Wert ist der negative dekadische
Logarithmus (Zehnerlogarithmus) der
Wasserstoffionen-Aktivität
pH = - log10 (aH+)
Je geringer der pH-Wert, desto mehr
Wasserstoffionen gibt es zur Bildung
chemischer Verbindungen.
Der Meeres-pH-Wert sinkt spiegelbildlich mit den
absorbierten CO2-Emissionsmengen.
Die Geschwindigkeit
der pH-Abnahme
schreitet mit der
100fachen
Geschwindigkeit
natürlicher
geophysikalischer
Veränderungen voran.
Die heutigen pH-Werte liegen auf dem niedrigsten
Niveau seit über 4 Milliarden Jahren.
Die pH-bedingten Versauerungsursachen sind
weitestgehend ohne Ausgleichsmechanismen.
Karbonat (CaCO3) ist
der Ausgangstoff für
kalkhaltige Skelette.
Eine Versauerung
löst die KarbonatBindung und
verringert in der
Folge die
Überlebensraten von
Korallen, Muscheln
und Fischlarven bei
zunehmender
Meerestiefe.
Der bisherige pH-Rückgang stellt erst
den Anfang des Versauerungstrends dar.
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Der vorindustrielle pH-Wert (Konzentration der H+-Ionen) in den
Ozeanen betrug in etwa 8,16 (Umweltbundesamt: Klimawandel und
marine Ökosysteme, Juni 2009, S. 24).
Der durchschnittliche pH-Wert ist inzwischen um 0,11 Einheiten
gefallen.
Wegen des logarithmisch aufgeteilten pH-Werteverlaufs ist somit die
H+-Ionenkonzentration in den Weltmeeren um ca. 30% gestiegen
(100,11 = 1,288).
Bei der derzeit angezeigten CO2-Emissionstrendentwicklung könnten
die pH-Werte des Meereswassers bis zum Jahr 2100 um 0,17 bis
0,46 Einheiten und über drei Jahrhunderte um 1,4 Einheiten fallen.
Alle pH-Veränderungen erreichen erst im Laufe von Jahrhunderten
die unteren Meeresschichten und sind entsprechend dauerhaft.
Die Versauerung der Ozeane ist ein kumulativer
und tendenziell unumkehrbarer Vorgang.
Eine auf 560 ppm
erhöhte CO2Konzentration
entspricht:
• einer Erwärmung
der Erdatmosphäre
um mehr als 2 ºC
• einer pH-Abnahme
von 0,2 und damit
• 58% mehr H+-Ionen
Die Anwesenheit von Kohlendioxid hemmt die
Wachstumsbildung von neuen Carbonat-Ionen.
CO2 + H2O = H2CO3 (Kohlensäure)
Gleichgewichtsrelation:
mehr CO2 Ö mehr CaCO3 geht verloren
Die sättingungsbedingte Kalkbildung im Meer ist
pH-, temperatur- und tiefenabhängig.
Kalkbildung unter der Meeresoberfläche
Kalzit: Sättigungshorizont 1,5 - 5 km
Aragonit: Sättigungshorizont 0,5 - 2,5 km Ö Korallen der
südlichen Ozeane, Meeresschnecken
Erwärmung des Meerwassers: Sättigungshorizont nach unten
Versauerung des Meerwassers: Sättigungshorizont nach oben
Temperatur
CO2Emissionen
pH & Tiefe
Die pH-Abnahme ist in weitere wechselseitige
Wirkungsmechanismen eingebunden.
Die Versauerung (pH-Abnahme,
Entalkalinisierung) des örtlich
bestimmbaren Meereswassers wird
durch mehrfach sich überlagernde
Faktoren beeiflusst:
• CO2-Eintrag aus der Luft
• Meerespflanzenwachstum
• Temperaturerhöhungen
• thermische Schwankungsbreite
Klimawirkungen
• Lagen-, Schichtungs- und
Strömungsveränderungen
Eine pH-Abnahme (reduzierter Alkalisierungsgrad)
führt zum unumkehrbaren Artenschwund.
Der Abbau von Meeresnahrungsketten breitet sich von den
oberflächennahen Bereichen des Ozeans im Verlauf von
Jahrzehnten zunehmend auf die tieferen Schichten aus.
Die Larvenbildung von Meereslebenswesen wird
bei sinkenden pH-Werten erschwert.
Der Einfluss niedriger pH-Werte
auf die Kalkbildungsmechanismen
von Seeigellarven kann zunächst
durch einen entgegen gesetzten
Ionenaustausch kompensiert
werden. Der dafür erforderliche
zusätzliche Energieaufwand führt
jedoch zu Wachstumsstörungen
und in der Folge zur verringerten
Überlebensfähigkeit.
Erhöhte CO2-Konzentrationen hemmen
die Bildung von Kalkskeletten.
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Der Unterteil der Polypen scheidet Kalziumionen aus, die
gemeinsam mit Karbonationen zu kristallinem Kalk werden und damit
Skelettstrukturen bilden.
Die Polypen einer Koralle sind über eine Gewebeschicht miteinander
verbunden, um das Meerwasser von der Flüssigkeit zu trennen, in
der das Kalkskelett gebildet wird.
Am Zentrum für marine Tropenökologie konnte nachgewiesen
werden, dass das CO2 die Gewebeschicht durchdringt, um somit die
Kalkbildung zu hemmen.
Trotz ständiger Regulierung ihres Stofftransportes fehlt Polypen die
Fähigkeit, gegen die Diffusion von erhöhtem Kohlendioxid aus dem
Meer anzugehen.
Quelle: IFM-Geomar
Die Symbiose von Korallen mit einzelligen Algen
wird durch den Klimawandel gestört.
Korallen leben zum Nährstoffaustausch
mit einzelligen Algen – Zooxanthellen –
in Symbiose.
Erhöhte Seeoberflächentemperaturen
(SST) verringern die Symbionten (die
kleineren der daran beteiligten Arten).
Die daraus resultierende Aufhellung der
Korallenstrukturen – als "Bleichen“
bezeichnet – fängt in der Regel bei einer
Temperaturerhöhung um 1 º C nach der
Dauer von über vier Wochen.
Das Ableben fängt vor der pH-bedingten
Auflösung der Karbonatskelette an.
Nur eine kurzfristige Reduzierung von CO2Emissionen kann die Meeresvielfalt sichern.
Korallen weisen eine Regenerationsfähigkeit auf, wenn die
pH-Absenkung nur vorübergehend ist.
Korallenbauten stürzen zunehmend durch die
Wirkung von Mikrobohrern ein.
Nach Erkenntnis des ARC Centre of
Excellence for Coral Reef Studies in
Townsville/Australien drängen einzelne
Arten von Algen, Blaualgen und Pilzen in
die Skelette von Korallen ein.
Die Verbreitung dieser „Mikrobohrer“ wird
durch die Erwärmung und Versauerung
des Meereswassers begünstigt.
Ohne Abmilderung der derzeitigen CO2Trendentwicklung ist eine Verdopplung
des Erosionsablaufs angezeigt.
Der Verlust von Korallen als Lebensraum
wird durch das Bleichen besiegelt.
Biologische Abläufe treten - chemisch bedingt – in
den Ozeanen regional unterschiedlich auf.
Henri Le Chatelier (1850 – 1936): Prinzip des kleinsten Zwangs
Jede Reaktion erreicht ihr Gleichgewicht mit dem geringsten
physikalischen Aufwand.
An der Insel Iwo-Torishima vor der südlichen
Küste Japans:
• kommt das pH-Niveau einer atmosphärischen
CO2-Konzentration von 550 ppm gleich
• gehen Steinkorallen zugunsten von Leder- und
anderen Weichkorallen zurück
• können deshalb in Zukunft weitere Korallenriffe
nicht mehr gebildet werden
Der Ausgang der Permokarbon-Epoche lässt den
bevorstehenden Artenschwund abschätzen.
Am Ende der Permokarbon-Eoche (vor 250 – 350
Millionen Jahren, bis zu 1.500 ppm) waren
ausgestorben:
• 85% aller Korallen und kalkhaltigen Armfüßer
• 54% aller Schalenweichtierarten
• 5 % aller Fische und sonstigen Arten mit
anderweitigem Knochenmaterial
Andrew H. Knoll et al.: „Paleophysiology and EndPermium Mass Extinction“ (Earth and Planetary Science
Letters, S. 295 – 311, 2007)
Die Konzentration von Carbonat-Ionen ist
im Atlantik stark zurückgegangen.
Die Korallenriffe sind vorwiegend in den
tropischen Gebieten vertreten.
In einer weltweiten
Dimension ginge durch
den Verlust der
Korallenriffe das
Habitat von ca. 25%
aller Meereslebewesen,
darunter 4.000
Fischspezies, verloren.
Die Wassertemperatur
vor Indonesien hat sich
2010 bereits um 4 ºC
auf 34 ºC erwärmt.
Künstliche Maßnahmen werden zum
Ersatz von Korallenriffen ergriffen.
Während vergeblich
gegen die Gewinnung
von fossilen Brennstoffen
protestiert wird, bieten
künstliche Riffe eine
Beseitigungsmöglichkeit
für zivilisatorischen Müll.
Die eingetretenen pH-Veränderungen
sind temperaturbedingt unterschiedlich.
Der Lebensraum für irdische Organismen
wird thermisch eingeschränkt.
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Intakte aquatische Lebensräume
werden zunehmend nur in tiefen
Meeresschichten beobachtet.
Die aus der Erwärmung der
Erdatmosphäre aufgenommene
Energie wird in den oberen 700
Metern der Ozeane gespeichert.
Diese thermische Pufferung hat
seit 2000 die Auswirkungen der
Erderwärmung abgemildert.
Geben die Ozeane in Zukunft
erhöhte Mengen gespeicherter
Wärme an die Erdatmosphäre
wieder ab, wird der Klimawandel
zusätzlich verstärkt.
Im Durchmischungsbereich finden starke
organische Schwankungen statt.
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Die Vermehrungsraten einzelner Arten hängen von Sonnenlicht,
CO2-Konzentrationen und dem damit einhergehenden
Nahrungsangebot ab.
Zooplankton ist im Frühjahr verstärkt vorhanden, im Sommer
hingegen die Biomasse des Phytoplanktons (Chlorophyllerzeuger)
Schwankungen des aquatischen pH-Werts werden durch veränderte
Wassertemperaturen und Meeresströmungen beeinflusst und sind
vom CO2-Verbrauch der Photosynthese an der Meeresoberfläche
bzw. vom organischen Sauerstoffverbrauch in den Tiefenschichten
abhängig.
Im offenen Meer werden ±0.3 pH-Einheiten eingehalten, hingegen im
Gewässer z. B. der amerikanischen Ostküste liegen die pH-Werte
um bis zu +1,0 und -0,6 außerhalb dieses Equilibriumbereichs
(Hinga, 2002).
Zukünftige Temperaturschwankungen
betreffen vor allem die Polarregionen.
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Temperaturprognose 2250
aus dem Jahr 2005 und damit
ohne Berücksichtigung von
unkonventionellen fossilen
Energieträgern
Werden alle verfügbaren fossilen
Brennstoffe verbraucht, steigt die
Temperatur der Erdoberfläche bis
2300 auf durchschnittlich 8 ºC
oberhalb des vorindustriellen
Niveaus.
In den Polarregionen treten
Temperaturspitzen von über 20 ºC
auf.
Der Artenschwund wird in der
Antarktis durch den Mangel an
klimatischen Ausweichregionen
besonders stark ausgeprägt sein.
Der rapide Wandel der Meereschemie
führt zur biologischen Verarmung.
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Die anhaltende Versauerung der Ozeane ist „unumkehrbar über
Zeiträume von mindestens Zehntausenden von Jahren.“ (UN
Convention on Biological Diversity)
Die „Oberflächenwasser des hochproduktiven Arktischen Ozeans
wird in Bezug auf wesentliche Karbonatminerale bis zum Jahr 2032,
und des Südlichen Ozeans bis 2050 untergesättigt.“
Mit einem atmosphärischen CO2-Konzentration von über 450 bis 500
ppm (April 2013: 397 ppm, > +2 ppm/a) können die Kalkskelette von
Korallen nicht mehr gebildet werden. Meeresbiologen gehen bis
2100 von einem CO2-Gehalt von bis zu 1071 ppm aus.
Viele Länder mit den größten CO2-Emissionen können auch durch
die Verarmung der Meeresnahrungsketten besonders betroffen sein.
Die Erde ist daher „längst auf dem Weg zum nächsten großen
Artensterben.“ (Ove Hoegh-Guldberg, Global Change Institute)
Der Zustand der Korallenriffe nördlich
von Australien wird ständig überwacht.
Die größten CO2-Verursacher werden von der
Ozeanversauerung oft am stärksten betroffen.
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Großbritannien und Frankreich
belegen den 8. und 16. Platz
aller CO2-Emittenten, aber den
3. und 2. Platz unter den von der
Ozeanversauerung betroffenen
Ländern.
Maritime Nationen vor allem in
Asien werden sinkenden pHWerten besonders ausgesetzt.
Island ist durch Versauerung des
Nordatlantiks an 14. Stelle.
Die Beherbergung von Fischen
durch Korallen geht von heute
40% bis 2050 auf 10 - 20%
zurück.
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