Iedereen weet het zo langzamerhand: omdat we met z’n allen de aardse voorraad fossiele brandstoffen opstoken, brengen we veel méér koolstofdioxide (CO2) in de lucht dan ecologisch gezien wenselijk is. In de discussie over CO2 hoor je vooral veel over de mogelijke gevolgen voor het klimaat op aarde. Maar er is veel méér aan de hand.
Een tot nu toe onderbelicht effect is dat van het verzuren van de zee. Met elementaire chemie valt te voorspellen dat méér CO2 in de lucht betekent dat er méér CO2 door de oceanen wordt opgenomen. Het effect is dan dat het zeewater zuurder wordt en dit betekent dat schelpdieren zouden kunnen oplossen. In haar laatste, in februari gepresenteerde alarmerende rapport maakt het Intergovernmental Panel on Climate Change (de commissie die voor de Verenigde Naties de klimaateffecten inventariseert) voor het eerst expliciet melding van het mogelijke probleem van de verzuurde zee.
Schelpen van schelpdieren bestaan grotendeels uit kalk, dat de chemische formule CaCO3(s) heeft. Onder invloed van zuur, dat gekenmerkt wordt door het afstaan van protonen (H+) kan kalk inderdaad in water oplossen volgens de formule:
CaCO3(s) + H+(aq) <—> Ca2+(aq) + HCO3-(aq)
Ook klopt het dat het oplossen van CO2 in water zorgt dat het zuurder wordt. Daarom smaakt Spa Rood, waarin opgelost CO2 voor de bubbels zorgt, een beetje zurig. De formule voor het oplossen van CO2 in water is:
CO2(s) + H2O <—> H2CO3
Het hangt een beetje af van dingen zoals hoe een schelpdier kalk aanmaakt, maar chemisch gezien is het plausibel: een (veel) zuurdere oceaan kan ervoor zorgen dat de schelpen van schelpdieren oplossen.
Het is natuurlijk de vraag of simpele elementaire chemie wel een voorspellende waarde heeft voor wat er in de natuur zal plaatsvinden. De koppeling tussen CO2 concentraties in de lucht en de zuurgraad van zeewater is immers onderdeel van de aardse koolstofcyclus, die veel complexer is dan de twee chemische formules in het intermezzo hierboven. Ook de reactie van de natuur op veranderingen is veel ingewikkelder dan wat uit een aantal simpele reacties valt af te leiden.
Experimenten
Juist daarom zijn de wetenschappers die de kwestie van de zeeverzuring en het oplossen van schelpen onderzochten niet uitsluitend van chemische formules uitgegaan. Ze hebben de afgelopen jaren met succes geprobeerd in experimenten de atmosfeer en de zee na te bootsen. Daarbij zagen ze inderdaad dat een verhoging van de CO2 concentraties in de nagebootste atmosfeer er toe leidt dat de nagebootste zee zuurder wordt. De schelpdieren die ze in hun experimenten als testdieren gebruikten, kregen het – conform de verwachting – moeilijker hun schelpen op peil te houden.
Deze resultaten zijn al een stuk geloofwaardiger dan een voorspelling op basis van twee formules. Een extra aanwijzing dat er wel degelijk gevaar bestaat voor schelpdieren komt van wetenschappers die in 2005 een artikel schreven in het gezaghebbende blad Nature. Ze hadden zeer uitgebreide computerberekeningen uitgevoerd met betrekking tot de zuurgraad van de oceanen in relatie tot de atmosferische CO2 concentraties. Ook hun conclusie is – net als bij de eerder beschreven experimenten – dat de oceanen inderdaad zuurder zullen worden en dat de schelpdieren in zwaar weer terecht komen.
</br />Het ligt niet voor de hand dat de oceaan echt ‘zuur’ zal worden in de dagelijkse betekenis van dat woord. De huidige zuurgraad van de oceaan ligt rond de 8,2 en het water is daarmee licht basisch. Zuiver water is neutraal en heeft een pH van 7. Pas bij nog lagere waarden spreek je van een werkelijk zuur milieu, omdat dan de ‘zure’ H+ ionen in een grotere concentratie aanwezig zijn dan de ‘basische’ OH- ionen.
Dat neemt niet weg dat een kleine verlaging van de pH ook in een basisch milieu zoals de oceanen al grote effecten kan hebben. Omdat de pH schaal logaritmisch is staat een verlaging van de pH met 0,3 al voor een verdubbeling van de hoeveelheid zure componenten.
Het verleden als sleutel voor de toekomst
Het lastige van experimenten en berekeningen is dat ze altijd een forse versimpeling van de werkelijkheid vereisen. Zelfs met de grootste laboratoria en de meest krachtige computermodellen valt de aarde nooit helemaal natuurgetrouw na te bootsen. Het liefst zou je gewoon een kijkje in de toekomst willen nemen om te zien of er inderdaad sprake is van verhoogde CO2 concentraties die tot verzuring van de oceanen leiden, en vervolgens tot het oplossen van de schelpen van schelpdieren. Sommige natuurkundigen denken dat tijdreizen in principe mogelijk zou moeten zijn, maar voorlopig hebben we nog lang geen tijdmachine om in de toekomst te kunnen kijken.
Toch is het idee van tijdreizen niet zo gek – maar dan in omgekeerde richting. We kunnen immers wel naar het verleden kijken. Aardwetenschappelijke vondsten en overblijfselen bieden zicht op situaties die zich in het verleden van de aarde hebben voorgedaan. Zo kunnen we op zoek gaan naar wat er precies gebeurde in periodes waarin het klimaat en de CO2 concentraties in de atmosfeer anders waren dan nu.
Gesteentelagen afgezet in verschillende perioden in en rond het Paleoceen-Eoceen temperatuur maximum, gefotografeerd bij Wadi Nukhl, Sinai. foto: Universiteit Bremen
Maar waar te gaan kijken? Een periode die we als vergelijkingmateriaal kunnen gebruiken staat als het Paleoceen – Eoceen temperatuur maximum bekend. Dat was ongeveer 55,5 miljoen jaar geleden en de periode duurde zo’n 200.000 jaar. Ergens in die periode vond een abrupte en sterke stijging van de temperatuur op aarde plaats, net zoals veel wetenschappers nu verwachten. Zo steeg de temperatuur van het water aan het oppervlak van de zee in de poolstreken met zo’n 5°C tot temperaturen die je nu eerder in de Middellandse Zee verwacht.
De oorzaak voor de drastische opwarming van het klimaat van toen is misschien het vrijkomen van enorme hoeveelheden methaangas uit de zeebodem. Methaangas is zelf al een broeikasgas, dat in de atmosfeer ook nog eens heel snel wordt omgezet tot CO2. Het vrijkomen van het methaangas kan heel goed tot dus een stijging van het CO2 gehalte van de atmosfeer hebben geleid. Het grootste deel zal vervolgens in de zee zijn opgelost en deze dus zuurder hebben gemaakt.
Maar is dat ook zo? Nou, daar lijkt het wel op. In de diepzee leefde in die tijd namelijk eencellige diertjes met een kalkskelet, ook wel foraminifera genoemd. Uit de gevonden fossielen blijkt dat tijdens het Paleoceen – Eoceen temperatuur maximum 30 – 40% van de foraminifera soorten vrij plotseling zijn uitgestorven. Het is heel goed mogelijk dat dit samenhangt met verzuring van de oceanen.
Behalve het Paleoceen – Eoceen temperatuur maximum is het geologische tijdperk het Krijt (144 tot 66,4 miljoen jaar geleden) óók een periode die als vergelijkingsmateriaal kan dienen. Uit allerlei verschillende onderzoeken blijkt dat het klimaat in het midden van het Krijt veel warmer was dan nu. Zo zijn er veenafzettingen, resten van koraalriffen en fossielen van dinosaurussen gevonden in gebieden waar het in het huidige klimaat veel te koud zou zijn voor die planten en dieren. Ook blijkt uit onderzoek dat de oceanen zo’n 15 tot 20 °C warmer waren dan tegenwoordig en dat de zeespiegel zo’n 100 tot 200 m hoger was dan nu doordat er toen geen ijskappen waren.
Veel onderzoekers denken dat het klimaat op aarde in het midden van het Krijt vooral veel warmer was omdat de atmosferische CO2 concentratie toen veel hoger was dan nu – misschien wel acht tot tien keer. Ze stellen de veel hogere vulkanische activiteit ten tijde van het Krijt daarvoor verantwoordelijk.
Als een warmer klimaat en hogere atmosferische CO2 concentraties inderdaad tot zure zeeën leiden waarin schelpdieren oplossen, dan zouden er in het Krijt onmogelijk schelpdieren hebben bestaan. Maar wat blijkt nou: in het Krijt waren er juist heel erg véél schelpdieren. Het Krijt dankt zijn naam juist aan het feit dat er in dat tijdperk overal op aarde enorme hoeveelheden krijt, ofwel kalk, zijn afgezet!
Je vindt die kalk op plaatsen waar destijds ondiepe zeeën waren, maar die tegenwoordig op het land te vinden zijn. De bekende "White Cliffs of Dover’’ werden in het Krijt gevormd. In Nederland vind je bijvoorbeeld mergel in de bekende mergelgrotten van Zuid-Limburg. Dat was in het Krijt door de hogere zeespiegel en het warmere klimaat een ondiepe tropische zee, waar massaal schelpen van eencellige algen en ook wat eencellige schelpdieren voorkwamen.
De vraag is natuurlijk waarom het in het Krijt ondanks de hogere CO2 concentraties niet fout ging met de schelpdieren, en of onze huidige aarde meer lijkt op die van het Krijt of die van het Paleoceen – Eoceen temperatuur maximum. Een aannemelijke verklaring voor de verschillen tussen de twee periodes is dat de alkaliniteit van het zeewater in het Krijt waarschijnlijk groter was. Er waren toen meer basische ionen in oplossing die zo een verzuring door bijvoorbeeld het oplossen van CO2 konden tegengaan.
Verder was er in het Paleoceen – Eoceen temperatuur maximum een abrupte, snelle stijging van de CO2 concentratie in de lucht terwijl de CO2 concentratie in de lucht in het Krijt bij voortduring hoog was. De snelle stijging van de CO2 in de lucht van tegenwoordig gecombineerd met de chemische samenstelling van onze huidige oceanen geven aan dat de situatie van nu meer lijkt op die van het Paleoceen – Eoceen temperatuur maximum dan die van het Krijt.
Mossels krijgen het moeilijk
Terug naar de Zeeuwse mosselvissers. Moeten die op zoek naar een andere baan? Het lijkt het er wel op. De experimenten, de computersimulaties én de tijdreis naar het Paleoceen – Eoceen temperatuur maximum geven allemaal steun aan dezelfde veronderstelling: de huidige oceanen kunnen gaan verzuren als er sprake is van een snelle stijging van de CO2 concentraties in de atmosfeer. En aangezien veel wetenschappers die snelle (aanhoudende) stijging verwachten, zal de mossel het waarschijnlijk moeilijk gaan krijgen. En de vissers dus ook.
Zeeuwse mosselvissers
Naast het slechte nieuws voor de mosselvissers is een minstens zo belangrijke conclusie dat de uiteenzetting hierboven laat zien dat de aarde een zeer complex systeem is dat wetenschappelijk lastig te doorgronden is. Daardoor kunnen verschillende experimenten/onderzoeken elkaar soms op het eerste gezicht tegenspreken en is het gemakkelijk voorbarige conclusies te trekken. Bijvoorbeeld door in het verhaal over CO2 en zure oceanen alleen op de situatie in het Krijt af te gaan zonder je te realiseren dat deze periode helemaal niet zo goed met de huidige situatie te vergelijken is.
Tenslotte is het belangrijk op te merken dat het niet uitmaakt waarom er een snelle stijging van de CO2 concentraties in de lucht plaatsvindt, maar alleen dat hij plaats vindt. De huidige discussie over klimaatverandering gaat vaak over het waarom: is het de mens, zijn het natuurlijke factoren of is het een combinatie van die twee? De vraag of het klimaat verandert en de CO2 concentraties in de atmosfeer zullen blijven stijgen, daar is men het eigenlijk wel over eens.
Bronnen
• James C. Orr et al., 2005, Anthropogenic ocean acidification over the twenty-first century and its impact on calcifying organisms, Nature, 437: 681-686. • James C. Zachos et al., 2005, Rapid Acidification of the Ocean During the Paleocene-Eocene Thermal Maximum, Science, 308: 1611-1615 • Prof. Dr. Jef Huisman, Instituut voor Biodiversiteit en Ecosysteem Dynamica, UvA, persoonlijk commentaar. • Prof. Dr. Jan W. de Leeuw, Koninlijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee, persoonlijk commentaar. • Dr. Appy Sluijs, Institute of Environmental Biology, Universiteit Utrecht, persoonlijk commentaar.
De auteur dankt prof. dr. Jef Huisman, prof. dr. Jan W. de Leeuw en dr. Appy Sluijs voor hun bijdrage bij de totstandkoming van dit artikel.
Zie ook:
- Oude opwarming lijkt op moderne broeikaseffect (Kennislinkartikel uit Bionieuws)
- 5 miljard jaar klimaat (Kennislinkartikel uit Natuurwetenschap en Techniek)
- Zure zee (Nieuwsbericht op zeeinzicht.nl)
- Website IBED instituut (Universiteit van Amsterdam; Engels)
- Vrijkomend methaangas zorgde voor broeikas in Paleoceen/Eoceen (Geonieuws artikel)
- Op naar het historisch hitterecord (artikel NRC)
- Het Krijt (Achtergrondinformatie uit natuurdatabase.nl)
- Zuren en basen (Wikipedia)
- IPCC hompage (Engels)