Ongeveer 93% van de extra warmte is opgenomen in de bovenste 700 meter van de oceanen. Die bovenlaag is dan ook meetbaar warmer geworden. Een verdere 3% van de extra warmte is verbruikt als smeltwarmte van sneeuw en ijs, zowel op land als op zee. Ook de bodem op land heeft extra warmte opgenomen: nog eens 3%. Slechts 1% van de extra warmte is de oorzaak van de opwarming van de lucht. Gemiddeld over de hele aardbol is sinds het jaar 1900 de lucht met 0,8 °C opgewarmd.
De opwarming van de lucht is relatief het grootste in de richting van de polen. Het Noordpoolgebied is het snelst opwarmende gebied van het noordelijk halfrond. Sinds 1950 is de temperatuur daar met 2 tot 3 °C gestegen. De wintertemperatuur is zelfs met 4 °C gestegen sinds 1950. Dat betekent dat het oppervlak van het Arctisch zeeijs sterk is afgenomen. Op het zuidelijk halfrond is de snelste stijging van temperatuur gemeten in het gebied aan de westzijde van het Antarctische schiereiland. Daar smelten sneeuw en ijs geleidelijk weg en worden de gletsjers kleiner.
Niet alleen de extra warmte verdwijnt in het water, ook 40% van de extra CO2 uit fossiele brandstoffen is in de oceanen opgenomen. En dat is een meevaller! Als dit ook in de lucht was gebleven waren atmosfeer en oceaan nog sneller opgewarmd. Tegelijk is het ook een tegenvaller, want de extra CO2 die is opgelost in zeewater veroorzaakt verschuivingen van de chemie van het zeewater. Dit heeft ook gevolgen voor de biologie van alle levende organismen in de oceanen. Dit is ‘het andere CO2-probleem’. Om dit probleem te begrijpen is wel enige basiskennis vereist.
Waarom is de zee zout?
Er zit veel zout in zeewater: 35 gram per liter. Dit opgeloste zout bestaat uit positief geladen ionen zoals natrium (Na+) en calcium (Ca2+) en negatief geladen ionen zoals chloride (Cl-), bicarbonaat (HCO3-) en carbonaat (CO32-). De opgeloste zouten in zeewater zijn in oorsprong afkomstig van het land. Door de chemische verwering van gesteentes lossen de zouten op in de regen en spoelen de ionen via de rivieren in de zee. Het zeewater verdampt op enig moment en wordt weer regen, om opnieuw een beetje zout mee te nemen naar de oceaan. Het zout blijft steeds achter in de zee.
De oceanen bevatten nu ongeveer 40.000 Pg koolstof in de vorm van opgelost anorganisch koolstof (Dissolved Inorganic Carbon, DIC). Dit komt voor in drie chemische vormen: HCO3- (90%), CO32- (5 tot 10%) en opgelost CO2 (0,5 tot 1%). De totale hoeveelheid opgelost DIC is ongeveer 2,4 millimol per liter zeewater.
Warme puitaal redt het niet
De temperatuurstijging van de oceaan hoeft niet groot te zijn om drastische gevolgen te hebben. Temperatuur heeft namelijk ook gevolgen voor het zuurstofgehalte, wat dieren de das om kan doen. Dit is duidelijk geworden door onderzoek aan de puitaal, een vissensoort van de noordelijke Atlantische Oceaan, de Noordzee en de Oostzee.
Vissen zijn voor hun ademhaling afhankelijk van zuurstof in het water die wordt opgenomen via de kieuwen. Omdat in water maar weinig zuurstof is opgelost, moeten de kieuwen hard werken om het lichaam van voldoende zuurstof te voorzien. Voor veel vissen is het zuurstofgehalte van het water een belangrijke beperkende factor. In warm water lost minder zuurstof op dan in koud water. Daarom zal een temperatuurstijging van pH 7,7 het zeewater hard aankomen bij vissoorten die aan de rand van hun opnamecapaciteit functioneren. Zo’n soort is de puitaal. Uit fysiologisch onderzoek van het Alfred Wegenerinstituut voor Polair en Marien Onderzoek in Bremerhaven blijkt dat bij stijging van de temperatuur soorten lokaal kunnen uitsterven of moeten vertrekken naar kouder water.
Wikimedia Commons
Evenwichten
De drie vormen van opgeloste koolstof verkeren in een chemisch evenwicht van HCO3-, CO32-, CO2 en H+. Via H+ is dit evenwicht dan ook bepalend voor de zuurgraad van de oceaan. In het jaar 1780 had het natuurlijke oppervlaktewater van de oceanen een zuurgraad van ongeveer 8,3: de zee was dus basisch.
Tijdens de fotosynthese wordt opgelost koolstof opgenomen in algencellen, en met behulp van zonlicht omgezet in biomassa en zuurstof. Daardoor neemt de pH toe. Wanneer die algen vervolgens door bacteriën en dieren als energiebron – de zogenoemde respiratie – worden verbruikt daalt de pH juist weer. In de diepzee is veel respiratie van dode algen en andere biomassa die naar beneden is gevallen. Als gevolg daarvan is de hoeveelheid opgelost koolstof in de diepzee zeer hoog en de CO32- juist zeer laag.
Oceaanverkalking
Een blik in de wasmachine of in de waterleiding leert dat kalk in water spontaan kan neerslaan. In zeewater gebeurt dat echter niet; daar wordt alle kalkvorming door levende organismen geregeld. Dat wordt biocalcificatie genoemd. Verschillende organismen in de zeeën en oceanen leggen kalk vast. Dat zijn bijvoorbeeld schelpdieren die een schelp om hun lijf bouwen, koraaldiertjes die een rif bouwen maar ook algen zoals Emiliania huxleyi, die een kalkskelet hebben. Die biocalcificatie kan langs twee verschillende routes lopen. Calciumionen kunnen met bicarbonaat kalk, CO2 en water vormen, of direct met carbonaat reageren tot kalk (CaCO3). De bovenlaag van de oceanen is flink oververzadigd met carbonaat, dus is het makkelijk voor organismen om daar kalk te vormen. In de diepzee is de concentratie van carbonaat door respiratie juist zeer laag. Op de diepte waaronder het zeewater onderverzadigd is met carbonaat lossen kalkschelpen en andere vormen van biologische kalk op: het tegenovergestelde van biocalcificatie.
Biocalcificatie gebeurt dus altijd door een levend organisme. Het gaat ook altijd samen met fotosynthese of respiratie. De calcificerende alg Emiliania huxleyi doet tegelijkertijd aan fotosynthese en calcificatie. Bovendien zijn er belangrijke gevallen van symbiose. Koralen bijvoorbeeld, zijn calcificeerders die in symbiose leven met speciale algen: de zoöxanthellen. De koralen zelf doen aan biocalcificatie, terwijl de zoöxanthellen aan fotosynthese doen.
Kijken in de glazen bol van een vulkaan
In het vulkanisch actieve gebied rond Milne Bay in Papoea Nieuw-Guinea stromen grote hoeveelheden vulkanisch CO2 uit de zeebodem. Die bronnen bieden een uitgelezen kans om te voorspellen wat er zal gebeuren wanneer de hoeveelheid CO2 uit de atmosfeer naar de oceaan zal toenemen.
Ver van Milne Bay is een hoge biodiversiteit te vinden, met onder andere grote koraalriffen. Dichter bij de bron neemt de diversiteit af terwijl groene algen, die profiteren van extra voeding in de vorm van CO2, juist toenemen. Door het afnemen van koraalriffen als leefomgeving, nemen ook de inwonende diersoorten zoals vissen en ongewervelde dieren af.
Dicht bij de CO2-bron daalt de zuurgraad tot 7,7 of minder en is ontwikkeling van koraalriffen niet meer mogelijk. Die pH van 7,7 is de waarde die ook wordt voorspeld rond het jaar 2100, bij een scenario met hoge uitstoot van CO2. Met andere woorden: tegen het eind van de eenentwintigste eeuw zouden koraalriffen wel eens verdwenen kunnen zijn.
Invasie van CO2 in zee
In het jaar 2012 was de uitstoot van koolstof uit al onze schoorstenen en uitlaten (volgens de cijfers van het global carbon project) ongeveer 9,7 Pg koolstof per jaar. Dat was dus nota bene meer dan honderd keer de hoeveelheid koolstof die in de lijven van zeven miljard mensen op aarde is opgeslagen (0,07 Pg). Van deze uitstoot dringt ongeveer 40%, ofwel iets minder dan 4 Pg per jaar, binnen in de oceanen. Het merendeel van de extra CO2 reageert vervolgens met water en vormt bicarbonaat en een proton. Volgens de regels van de chemie neemt de verzadiging van het zeewater met kalk bij afname van carbonaat af. Het wordt dan ook moeilijker voor bijvoorbeeld schelpdieren om kalk vast te leggen in hun schelp. Bovendien wordt het water zuurder. Was de pH vóór de Industriële Revolutie 8,2 bij benadering, vandaag de dag is die al gedaald tot 8,08. Rond het jaar 2100 zal de pH naar verwachting verder zijn gedaald tot 8,05 of zelfs tot 7,75 wanneer je uitgaat van een scenario met veel CO2-emissie.
Een stijging van de in zeewater opgeloste koolstof, zowel in de vorm van CO2 als bicarbonaat, zal betekenen dat de fotosynthese door algen in de zee zal toenemen. Voor het vastleggen van kalk door bijvoorbeeld algen, schelpdieren of koraaldiertjes bestaan twee tegengestelde verwachtingen. Enerzijds zou door de stijging van bicarbonaat de biocalcificatie wellicht sneller en beter kunnen gaan, dus meer kalkvorming. Anderzijds zou door de afname van carbonaat de biocalcificatie wellicht langzamer en slechter verlopen, dus minder kalkvorming.