Een warme en zure toekomst?

Gast-blog van frequent reageerder Jos Hagelaars:

De fysische aspecten van het molecuul CO2 geven aanleiding tot zeer verhitte discussies en zelfs tot bedrog, infiltratie of klokkenluiden. Hollywood kan er zijn voordeel mee doen in de toekomst. Naast de fysische gevolgen van de menselijke output van enorme hoeveelheden van die drie atomen, kleven er wat minder bekende chemische consequenties aan die 800 teramol CO2 (36 gigaton^[2]) die nu per jaar de lucht in vliegen. Als gevolg van de opname van CO2 uit de atmosfeer door de oceanen daalt de pH (een maat voor de zuurtegraad) van het zeewater, een fenomeen dat bekend staat onder de naam Ocean Acidification.

De vraag is nu wat die verzuring van de oceanen gaat betekenen voor het leven in de oceanen. In Science^[1] is onlangs een review artikel gepubliceerd van Hönisch en 21 andere wetenschappers, waaronder Dr. Appy Sluijs van de Universiteit van Utrecht, waarin gekeken is naar soortgelijke gebeurtenissen in het geologische verleden.

Ongeveer 25-30% van al het CO2 dat wij emitteren wordt snel opgenomen door de oceanen^[2]. Dat is mooi, je moet er niet aan denken dat alles in de atmosfeer terecht zou komen. Echter dat “opgenomen door de oceanen” heeft net zo goed consequenties: Alle chemische evenwichten, waar CO2 bij betrokken is, verschuiven, wat leidt tot het zuurder worden van de oceanen. Beter is om te zeggen: het minder alkalisch worden van de oceanen. Dit uit zich in een dalende pH waarde:

Feely et al 2009 : Stijging van CO2 leidt tot daling van de pH van zeewater ^[3]. pH is een logaritmische schaal, gedefinieerd als -log[H₃O⁺]: hoe lager de pH, hoe zuurder.

Het draait hier globaal om de volgende chemische evenwichten^[4]:

Bij een toename van de CO2 concentratie verschuiven de evenwichten 1 en 2 dusdanig dat de CO₃^2-concentratie daalt en de H₃O⁺ en de HCO₃^– concentraties stijgen. In de bovenste laag van de oceaan zijn de Ca²⁺ en de CO₃^2-  concentraties oververzadigd t.o.v. het oplosbaarheidsproduct van calciumcarbonaat. Een lagere CO₃^2- concentratie zorgt ervoor dat het niveau waarop calciumcarbonaat op gaat lossen minder diep in de oceaan komt te liggen^[4,5].

Op een tijdschaal van 5000 tot 10000 jaar zorgt het langzaam oplossen van calciumcarbonaat verbindingen (reactie 3) voor de compensatie van de H₃O⁺ toename en stijgt de pH weer^[6]. Chemische feedbacks dus.

Het zeeleven, dat  CO₃^2-  gebruikt om hun skelet op te bouwen, zal problemen ondervinden door die afname van de verzadigingsgraad van CO₃^2- . Interessant is verder de combinatie reactie (4), zij laat zien dat bij de productie van calciumcarbonaat CO2 vrijkomt.

Uit het artikel van Hönisch et al blijkt dat de daling van pH van de oceanen de komende eeuwen veroorzaakt wordt door een verschil in tijdschalen van de emissies en de feedbacks. De menselijke emissies van CO2 gaan in ongekend tempo en het compenseren van de daling van de pH door de feedback (Carbonate compensation) is veel langzamer.

Uit de bovenstaande figuur wordt duidelijk dat een langzame verdubbeling (~10 – 100 duizend jaar) van de CO2 concentratie zal leiden tot een matige daling van de pH van de bovenste oceaanlaag, met ~0.15 eenheden oftewel ~40% stijging van de H₃O⁺ concentratie. Een snelle verdubbeling van de CO2 concentratie leidt tot ~0.25 eenheden pH daling oftewel ~80% stijging van de H₃O⁺ concentratie.

Caldeira geeft zelfs een pH daling van 0.7 eenheden mocht de CO2 concentratie tot 1900 ppm stijgen in het jaar 2300^[7].

Verder is duidelijk te zien dat de carbonaat verzadiging status (omega) van de bovenste oceaanlaag sneller en verder daalt bij een snelle toename van de CO2 concentratie dan bij een langzame toename.

Het artikel van Hönisch zoomt verder in op de, wat zij noemen, “ocean acidification events”, gebeurtenissen in de afgelopen 300 miljoen jaar waarbij zowel de CO2 concentratie steeg en de pH en CaCO3 concentratie afnamen. Gebeurtenissen op een tijdschaal < 10.000 jaar die mogelijk vergelijkbaar zijn met onze huidige situatie.

De overgang van de laatste ijstijd naar het huidige interglaciaal leidde zo’n 11 – 18 duizend jaar geleden tot een stijging van de CO2 concentratie van 188 tot 265 ppm en een daling van de pH met 0.15 ± 0.05 eenheden, met een snelheid van ~0.002 eenheden per 100 jaar. De stijging van 77 ppm CO2 in 7000 jaar is 0.011 ppm/jaar en komt in de figuur overeen met ongeveer het derde laatste blauwe lijntje. De huidige daling van de pH van de oceanen is ~0.1 eenheden per 100 jaar.

Bij het Permian–Triassic extinction event 252 miljoen jaar geleden, ook wel bekend onder de naam “The Great Dying”, kwam er ~13000 tot 43000 PgC (Petagram Carbon) in de atmosfeer over een periode van 20 – 400 duizend jaar, een jaarlijkse emissie van ~0.1 – 1 PgC per jaar. De mens zit inmiddels op zo’n 10 PgC per jaar^[2]. De pH en Carbonaat-ion veranderingen in die periode zijn helaas onduidelijk. Tijdens die “Great Dying” stierf 95% van alle in zee levende soorten uit en 70% van alle gewervelde landdieren^[8].

Het Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM), 56 miljoen jaar geleden, is het “ocean acidification event” dat de huidige en te verwachte toekomstige veranderingen wellicht het best benadert. In een relatief korte periode is er toen 2000 – 6000 PgC in de atmosfeer terecht gekomen waarbij de temperatuur van het oppervlakte water (SST) steeg met 5 °C in de tropen en zelfs met 9 °C bij de hogere breedtegraden. De initiële stijging van de SST vond plaats in ~1000 jaar^[9], wat dan overeen zou komen met circa 2 – 6 PgC per jaar. Bekend is dat toen de oceaan verzuurde, al is de precieze daling van de pH in de biologisch belangrijke bovenste oceaanlaag nog zeer onzeker. Daar wordt momenteel hard aan gewerkt in de wetenschappelijke gemeenschap^[10].

Volgens Hönisch et al zijn er geologische equivalenten voor de huidige periode, met dien verstande dat de huidige snelheid van het vrijkomen van CO2 waarschijnlijk ongekend is. De slotconclusie van het Hönisch artikel luidt als volgt:

However, in additionally driving a strong decline in calcium carbonate saturation alongside pH, the current rate of (mainly fossil fuel) CO2 release stands out as capable of driving a combination and magnitude of ocean geochemical changes potentially unparalleled in at least the last ~300 My of Earth history, raising the possibility that we are entering an unknown territory of marine ecosystem change.

Een “unknown territory”. In de Star Trek film #6 werd de toekomst “the Undiscovered Country” genoemd (vrij naar Hamlet). Dat onbekende land kon wel eens, naast een warme omgeving, een zuur smaakje krijgen.

1. Hönisch et al 2012, Science 335, 1058 (2012)  (met daarnaast Supporting Online Material en persbericht Universiteit Utrecht)

2.Global Carbon Project

3. Feely et al, Oceanography 22(4):36–47 (2009)

4. Mackie, McGraw and Hunter, OA Not OK, SkepticalScience 2011

5. Online Textbook Universiteit van Leuven  

6. Ridgewell, Zeebe, Earth and Planetary Science Letters 234 (2005) 299– 315

7. Caldeira et al, Nature Vol. 425, 2003

8. http://nl.wikipedia.org/wiki/Perm-Trias_massa-extinctie

9. Zachos et al, Science Vol. 308 no. 5728 pp. 1611-1615

10. Informele communicatie Dr. Appy Sluijs.