Kohlenstoffdynamik im Ozean einfach erklärt: CO2 im Meer

Hast du schon einmal eine warme Flasche Sprudelwasser geöffnet? Sie zischt laut und schäumt oft über, weil das Gas entweicht. Öffnest du hingegen eine eiskalte Flasche, bleibt das Gas viel besser im Wasser gelöst.

Genau dieses Prinzip wendet unser Planet bei der physikalischen und chemischen Kohlenstoffdynamik im Ozean im gigantischen Maßstab an! Die Weltmeere sind wie ein riesiger Schwamm für das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$). In dieser Lektion lernst du, wie gigantische Meeresströmungen das $\text{CO}_2$ physikalisch in die Tiefsee transportieren und welche chemischen Reaktionen ablaufen, wenn sich das Gas im Meerwasser löst.

Vorwissen

• Dichte: Gibt an, wie viel Masse in einem bestimmten Volumen steckt. Schwereres (dichteres) Material sinkt nach unten.

  Beispiel: Salzwasser hat eine höhere Dichte als Süßwasser und sinkt deshalb ab, wenn beide aufeinandertreffen.

• Chemisches Gleichgewicht: Eine Reaktion, die in beide Richtungen abläuft (Hin- und Rückreaktion), gekennzeichnet durch den Doppelpfeil ($\rightleftharpoons$).

  Beispiel: $\text{A} + \text{B} \rightleftharpoons \text{C} + \text{D}$

• pH-Wert und Oxoniumionen: Der pH-Wert gibt an, wie sauer oder basisch eine Lösung ist. Er wird durch die Konzentration der Oxoniumionen ($\text{H}_3\text{O}^+$) bestimmt.

  Beispiel: Je mehr $\text{H}_3\text{O}^+$-Ionen in einer Lösung sind, desto saurer ist sie (der pH-Wert sinkt).

Aufgabentyp 1: Physikalische Aufnahme und Transport von CO2

Der Ozean und die Atmosphäre tauschen ständig Kohlenstoffdioxid aus. Weil wir Menschen viel $\text{CO}_2$ in die Luft abgeben, nehmen die Ozeane aktuell mehr $\text{CO}_2$ auf, als sie abgeben. Das Gas löst sich zunächst im Oberflächenwasser (in den oberen 70 bis 100 Metern).

Nun kommt das globale Meeresströmungssystem ins Spiel, das wie ein riesiges Förderband funktioniert. Wenn warme Meeresströmungen (wie der Golfstrom) in Richtung der Polarregionen fließen, kühlen sie stark ab. Hier gilt eine wichtige physikalische Regel: Kaltes Wasser kann viel mehr Gas lösen als warmes Wasser. Das abkühlende Wasser saugt also zusätzliches $\text{CO}_2$ auf.

In den Polarregionen passiert noch etwas Entscheidendes: Das Wasser wird nicht nur kalt, sondern durch das Gefrieren von Meereis auch sehr salzreich. Kaltes, salziges Wasser hat eine sehr hohe Dichte – es ist schwerer als das umliegende Wasser. Deshalb sinkt es massiv ab (Tiefenwasserbildung).

Beim Absinken reißt es das gelöste $\text{CO}_2$ mit sich in Tiefen von über 1000 Metern. Dort fließt es als kalte Tiefenströmung in den Südatlantik und Pazifik. Das $\text{CO}_2$ ist nun langfristig in der Tiefsee gespeichert und gelangt erst Jahrhunderte später wieder an die Oberfläche, wenn sich das Wasser an anderen Orten der Welt wieder erwärmt und aufsteigt.

Aufgabentyp 2: Kohlenstoffdioxid-Carbonat-Gleichgewichte

Wenn Kohlenstoffdioxid im Meerwasser gelöst ist, bleibt es nicht einfach nur ein Gas im Wasser. Es reagiert chemisch mit den Wassermolekülen. Diese Reaktionen sind Gleichgewichtsreaktionen, das heißt, sie laufen ständig in beide Richtungen ab.

Die chemischen Gleichgewichte:

Im ersten Schritt reagiert das gelöste Kohlenstoffdioxid mit Wasser zu einem Hydrogencarbonat-Ion ($\text{HCO}_3^-$) und einem Oxoniumion ($\text{H}_3\text{O}^+$):

$\textcolor{#53E5D6}{\text{CO}_2} + 2 \text{ H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HCO}_3^- + \textcolor{#9570FF}{\text{H}_3\text{O}^+}$

Im zweiten Schritt kann das Hydrogencarbonat-Ion mit einem weiteren Wassermolekül reagieren. Dabei entsteht ein Carbonat-Ion ($\text{CO}_3^{2-}$) und ein weiteres Oxoniumion:

$\text{HCO}_3^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CO}_3^{2-} + \textcolor{#9570FF}{\text{H}_3\text{O}^+}$

Warum ist das wichtig?

Die Konzentration der entstandenen Oxoniumionen ($\textcolor{#9570FF}{\text{H}_3\text{O}^+}$) bestimmt direkt den pH-Wert des Ozeans. Je mehr $\text{CO}_2$ sich löst, desto mehr $\textcolor{#9570FF}{\text{H}_3\text{O}^+}$ entsteht und desto saurer wird das Wasser.

Unter Standardbedingungen im Ozean (bis 50 m Tiefe, 10 °C und 3,4 % Salzgehalt) liegt der durchschnittliche pH-Wert bei 8,07. Bei diesen Bedingungen verteilen sich die Kohlenstoffverbindungen in einem ganz bestimmten Verhältnis:

• 1 % als gelöstes $\text{CO}_2$
• 94 % als Hydrogencarbonat ($\text{HCO}_3^-$)
• 5 % als Carbonat ($\text{CO}_3^{2-}$)

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du in einer Prüfung die Gleichgewichte für gelöstes Kohlenstoffdioxid aufstellen sollst, gehe in diesen zwei Schritten vor:

1. Schritt 1: Die erste Stufe (Bildung von Hydrogencarbonat) Lasse $\text{CO}_2$ mit zwei Molekülen Wasser ($\text{H}_2\text{O}$) reagieren. Auf der Produktseite entsteht das einfach negativ geladene Hydrogencarbonat-Ion ($\text{HCO}_3^-$) und ein Oxoniumion ($\text{H}_3\text{O}^+$).
2. Schritt 2: Die zweite Stufe (Bildung von Carbonat) Nimm das Hydrogencarbonat-Ion ($\text{HCO}_3^-$) aus Schritt 1 und lasse es mit einem weiteren Molekül Wasser ($\text{H}_2\text{O}$) reagieren. Es gibt ein weiteres Wasserstoffteilchen ab. Es entsteht das zweifach negativ geladene Carbonat-Ion ($\text{CO}_3^{2-}$) und ein weiteres Oxoniumion ($\text{H}_3\text{O}^+$).

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Temperatur und Löslichkeit: Kaltes Wasser kann mehr $\text{CO}_2$ lösen als warmes Wasser.
• Tiefenwasserbildung: In Polarregionen sinkt kaltes, salzreiches (dichtes) Wasser ab und transportiert $\text{CO}_2$ zur langfristigen Speicherung in die Tiefsee (unter 1000 m).
• Chemische Reaktion: Gelöstes $\text{CO}_2$ reagiert mit Wasser zu Hydrogencarbonat ($\text{HCO}_3^-$), Carbonat ($\text{CO}_3^{2-}$) und Oxoniumionen ($\text{H}_3\text{O}^+$).
• pH-Wert: Die entstehenden Oxoniumionen ($\text{H}_3\text{O}^+$) bestimmen den pH-Wert des Ozeans.
• Verteilung: Bei durchschnittlichen Bedingungen liegen 94 % des Kohlenstoffs als Hydrogencarbonat vor, 5 % als Carbonat und nur 1 % als gelöstes $\text{CO}_2$.