Oceaanverzuring: hoe CO2 de chemie van de zee verandert
Oceaanverzuring is het proces waarbij het zeewater van onze planeet geleidelijk minder basisch wordt doordat het CO2 (kooldioxide) uit de lucht opneemt. Denk aan een blikje bruisend mineraalwater: zodra je het opent, zie je belletjes CO2 ontsnappen, maar zolang het blikje dicht zit, lost een deel van dat gas juist op in het water en maakt het de drank licht zuur. Met de oceaan gebeurt iets vergelijkbaars, alleen op planetaire schaal en in slow motion: al meer dan twee eeuwen neemt zeewater een groot deel van de CO2 op die wij door verbranding van kolen, olie en gas de atmosfeer in sturen.
Dat klinkt op het eerste gezicht als goed nieuws, want die opname vertraagt de opwarming van de aarde. Maar het heeft een prijs: het zeewater wordt chemisch gezien iets zuurder, en dat raakt de basis van het mariene voedselweb. Schelpdieren, koraal en bepaalde soorten plankton bouwen hun skelet of schelp uit een kalkverbinding die moeilijker te vormen is naarmate het water zuurder wordt. Oceaanverzuring is daarom geen op zichzelf staand milieuprobleem, maar een rechtstreeks gevolg van onze CO2-uitstoot, met gevolgen die zich langzaam maar gestaag opstapelen.
Wat is het precies?
Het mechanisme achter oceaanverzuring is chemisch goed te volgen, stap voor stap. Wanneer CO2-gas in aanraking komt met zeewater, lost een deel ervan op, net als bij het bruiswater uit de analogie hierboven. Dat opgeloste CO2 reageert met watermoleculen en vormt koolzuur (H2CO3), dezelfde stof die frisdrank zijn zure smaak geeft.
Koolzuur is instabiel en valt vrijwel meteen uiteen (in vaktaal: het dissocieert) in een waterstofion (H+) en een bicarbonaation (HCO3-). Dat vrijgekomen waterstofion is de kern van het probleem: hoe meer waterstofionen er in het water zitten, hoe lager de pH-waarde, de schaal waarmee scheikundigen aangeven hoe zuur of basisch een vloeistof is. Een lagere pH betekent dus een zuurdere oceaan, ook al blijft zeewater in absolute zin nog steeds licht basisch en niet daadwerkelijk 'zuur' zoals azijn.
Het echte probleem zit in een tweede effect. De extra waterstofionen reageren namelijk ook met carbonaationen (CO3²-) die al in het water aanwezig waren, waardoor er minder van deze carbonaationen overblijven. En juist die carbonaationen hebben schelpdieren, koralen, sommige soorten plankton en zeesterren nodig om hun kalkskelet of schelp te bouwen, gemaakt van mineralen als aragoniet en calciet. Minder carbonaat beschikbaar betekent dat deze organismen meer energie moeten steken in het bouwen en onderhouden van hun kalkstructuur, en bij een te lage verzadiging kan hun schelp of skelet zelfs oplossen in plaats van groeien.
Wat wil men ermee bereiken?
Omdat oceaanverzuring een sluipend en moeilijk zichtbaar proces is, richt het meeste werk op dit gebied zich in eerste instantie op meten en begrijpen. Onderzoekers willen precies weten hoe snel de pH in verschillende zeeën daalt, welke gebieden en soorten het kwetsbaarst zijn, en hoe verzuring samenwerkt met andere stressfactoren zoals opwarming en zuurstofarmoede.
Een tweede doel is het ontwikkelen van vroege-waarschuwingssystemen, met name voor sectoren die direct van kalkvormende organismen afhankelijk zijn, zoals de schelpdierkweek. Door de chemie van het water continu te monitoren, kunnen kwekers op tijd ingrijpen voordat larven massaal afsterven.
Een derde, nog pril doel is het testen van manieren om lokaal of grootschalig tegenwicht te bieden aan verzuring. Dat gebeurt bijvoorbeeld door zeewier te kweken, dat tijdens fotosynthese CO2 opneemt en zo de zuurgraad in de directe omgeving tijdelijk kan verlagen, of door de alkaliniteit (het zuurbufferend vermogen) van zeewater kunstmatig te verhogen met mineralen. Deze aanpakken worden vooral onderzocht als aanvulling op, niet als vervanging van, het terugdringen van CO2-uitstoot zelf, want dat blijft de enige manier om de oorzaak van het probleem aan te pakken.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste waarschuwingssignalen kwam uit de Amerikaanse staat Washington. Rond 2005-2009 kampte de oesterkwekerij Whiskey Creek Hatchery met massale sterfte onder oesterlarven. Pas na uitgebreid onderzoek werd duidelijk dat opwellend, van nature CO2-rijk zeewater langs de kust de oorzaak was: de jonge larfjes konden simpelweg geen schelp meer vormen. De kwekerij paste daarop haar waterinname aan op basis van real-time pH-metingen, een van de eerste praktische toepassingen van oceaanverzuringsonderzoek.
Voor het volgen van verzuring over lange tijd zijn twee meetreeksen cruciaal: de Hawaii Ocean Time-series (HOT), die sinds 1988 continu metingen doet in de Stille Oceaan, en de Bermuda Atlantic Time-series Study (BATS), met vergelijkbare metingen in de Atlantische Oceaan. Deze datasets laten zien dat de pH van open oceaanwater daar gestaag daalt, in lijn met de stijgende CO2-concentratie in de atmosfeer.
Om wereldwijd metingen te bundelen en vergelijkbaar te maken, werd in 2012 het Global Ocean Acidification Observing Network (GOA-ON) opgericht, een samenwerkingsverband van onderzoeksinstituten dat meetstations over de hele wereld met elkaar verbindt.
Bijzonder interessant zijn natuurlijke CO2-bronnen op de zeebodem bij Papoea-Nieuw-Guinea en Palau, waar vulkanisch CO2 vanzelf uit de bodem opborrelt. Wetenschappers gebruiken deze plekken als een soort natuurlijk laboratorium: het water daar heeft nu al de zuurgraad die de rest van de oceaan pas over decennia zal bereiken, waardoor je kunt bestuderen hoe koraalriffen op lange termijn op verzuring reageren.
Tot slot lopen er experimenten met oceaanalkaliniteitsverhoging, waarbij mineralen aan zeewater worden toegevoegd om de zuurgraad plaatselijk te verlagen. Project Vesta onderzoekt bijvoorbeeld het verspreiden van fijngemalen olivijn op stranden, terwijl het Canadese bedrijf Planetary Technologies mineralen toevoegt aan koelwater dat teruggeleid wordt naar zee. Beide projecten bevinden zich nog in een pilotfase.
Hoe ver is de techniek?
De wetenschappelijke basis van oceaanverzuring is al lang bekend. Al in de jaren vijftig beschreven onderzoekers Roger Revelle en Hans Suess hoe de oceaan CO2 opneemt uit de atmosfeer. De term 'ocean acidification' zelf werd pas in 2003 gemunt, door klimaatwetenschappers Ken Caldeira en Michael Wickett, die berekenden hoe sterk de pH van de oceaan zou kunnen dalen bij ongeremde uitstoot.
Het monitoren van verzuring is inmiddels een volwassen wetenschappelijk vakgebied, maar de wereldwijde meetdekking is nog verre van compleet: rijke kustlanden zoals de VS en delen van Europa hebben dichte meetnetwerken, terwijl grote delen van het mondiale Zuiden nauwelijks gemeten worden, wat het lastig maakt om lokale risico's daar goed in te schatten.
Op basis van klimaatmodellen voorspelt het IPCC (het klimaatpanel van de Verenigde Naties) dat de gemiddelde pH van de oceaan bij een hoog uitstootscenario tegen 2100 met ongeveer 0,3 tot 0,4 eenheden verder kan dalen ten opzichte van het pre-industriële niveau. Dat klinkt als weinig, maar omdat de pH-schaal logaritmisch is, komt dat neer op een aanzienlijke toename van de zuurgraad, mogelijk in de orde van honderd procent meer waterstofionen.
Interventies zoals alkaliniteitsverhoging en zeewierbuffering staan nog in een vroeg, experimenteel stadium. Er is nog geen consensus over hoe goed deze methoden opschalen, wat de kosten zijn, en welke onbedoelde ecologische effecten ze op langere termijn kunnen hebben, bijvoorbeeld op andere zeeorganismen die niet gewend zijn aan de toegevoegde mineralen. Wetenschappers benadrukken daarom dat dit soort maatregelen op zijn best een lokale verzachting biedt, en geen vervanging is voor het terugdringen van de wereldwijde CO2-uitstoot.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten coördineert NOAA (de Amerikaanse oceaan- en atmosferische dienst) het Ocean Acidification Program, dat meetnetwerken beheert en onderzoek financiert. Op wetenschappelijk-beleidsmatig niveau brengen het IPCC en de Intergovernmental Oceanographic Commission van UNESCO (IOC-UNESCO) de stand van kennis samen in rapporten die als basis dienen voor internationaal klimaatbeleid.
Het eerdergenoemde GOA-ON verbindt honderden onderzoeksgroepen wereldwijd, terwijl het Plymouth Marine Laboratory in het Verenigd Koninkrijk en het IAEA Ocean Acidification International Coordination Centre in Monaco (onderdeel van het Internationaal Atoomenergieagentschap, dat ook mariene stralings- en chemieonderzoek doet) belangrijke Europese kenniscentra zijn.
In Nederland doet het NIOZ, het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee, onderzoek naar de effecten van verzuring op de Noordzee en andere Nederlandse wateren. In de Verenigde Staten zijn Scripps Institution of Oceanography en Woods Hole Oceanographic Institution twee van de oudste en meest gezaghebbende instituten op dit terrein, met meetreeksen en laboratoriumonderzoek die al decennia teruggaan.