Welttag der Ozeane (8. Juni): Wie viel Klimawandel steckt im Meer?

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 Der steigende CO₂-Gehalt der Atmosphäre führt zu einer Versauerung der
Ozeane. Es sind kleine chemische Veränderungen mit gravierenden Folgen.
Für die Messung des pH-Wertes im Ozean bietet die PTB neuerdings einen
„Goldstandard“, der für weltweit vergleichbare und damit aussagekräftige
Messdaten sorgt. Denn nur wer verlässliche Daten hat, kann fundierte
Entscheidungen für den Schutz der Meere treffen. Mit dem Welttag der
Ozeane wollen die Vereinten Nationen am 8. Juni alle Menschen für die
Bedrohung der Meere sensibilisieren und an die herausragende ökologische
Rolle der Ozeane erinnern.

Zuweilen nennt man ihn den bösen Zwilling der Klimaerwärmung: die
Versauerung der Ozeane. Denn der steigende CO2-Gehalt der Atmosphäre hat
nicht nur Auswirkungen auf das Klima, sondern auch auf die Chemie der
Ozeane. Diese „Versauerung der Ozeane zu minimieren und zu bekämpfen“
gehört zu den Nachhaltigkeitszielen der von den Vereinten Nationen
formulierten Agenda 2030. Ozeanografen versuchen daher, den pH-Wert – ein
Maß, ob eine Flüssigkeit eher basisch, neutral oder sauer ist – möglichst
flächendeckend zu messen. Doch Messungen im Ozean sind eine
Herausforderung: Da sind nicht nur die enorme Ausdehnung der Wassermassen
und schwierige Wetterbedingungen – anders als im Labor schwanken auch
Temperatur und Salzgehalt. Das macht Messungen komplizierter. Die
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) und Partnerinstitute wollten
helfen und haben im Rahmen eines dreijährigen internationalen Projekts die
Voraussetzung für verlässliche und vergleichbare pH-Wert-Messungen
geschaffen.

„Messungen im Meer haben ganz andere Rahmenbedingungen als bei uns im
Labor“, erklärt Dr.-Ing. Steffen Seitz, Leiter der Arbeitsgruppe
Elektrochemie an der PTB. „Umgebungsparameter wie Temperatur und
Salzgehalt schwanken.“ Insbesondere wenn man geringe Veränderungen wie
beim pH-Wert nachweisen will, müssen Messergebnisse aber so genau und
verlässlich wie möglich sein. Nur dann sind sie aussagekräftig, könnten in
Klimamodelle einfließen und die Grundlage für politische Entscheidungen
bilden. „Daher war unser Ziel, die von Ozeanografen verwendete Methode zur
pH-Wert-Messung mit derjenigen zu verzahnen, die bei uns im Labor extrem
genaue Ergebnisse liefert“, ergänzt sein Kollegen Dr. Frank Bastkowski.
Gemeinsam mit weiteren europäischen Forscherinnen und Forschern ist ihm
das nun im Forschungsprojekt SapHTies (siehe Infokasten) gelungen.

„Wir wollen den Ozeanografen genau das ermöglichen, was sie brauchen:
qualitativ hochwertige und abgesicherte Daten über den Zustand der Meere“,
erklärt Bastkowski. Genau das fordern auch die UN-Agenda 2030 sowie
europäische Rechtsvorschriften. Damit Daten aussagekräftig sind, müssen
sie vergleichbar sein – auch wenn sie mit unterschiedlichen Geräten in
unterschiedlichen Meeren bei wechselnden Umweltbedingungen stattfinden.
Das gelingt, indem man alle Messungen mit einem einheitlichen,
bestmöglichen Standard vergleicht.

Aufgrund praktischer Überlegungen haben sich für Messungen im Ozean vor
allem spektrophotometrische Messmethoden durchgesetzt.  Vereinfacht gesagt
funktionieren sie so, wie man es noch aus der Schule kennt:
Indikatorfarbstoffe bzw. ihr Farbwechsel zeigen an, wie sauer oder basisch
eine Flüssigkeit ist. Jedoch lässt sich der pH-Wert viel genauer mit einer
anderen Messapparatur bestimmen – und die steht in der PTB: Diese
Messapparatur zur elektrochemischen Messung des pH-Werts enthält
sogenannte Harned-Zellen, handgefertige komplexe Glaskolben, die mit exakt
temperiertem künstlichem Meerwasser gefüllt sind. Damit kann der pH-Wert
des Meerwassers genau gemessen werden.

Und wie lassen sich diese beiden Methoden nun miteinander verzahnen? Dazu
sagt Frank Bastkowski:“ Denkbar wäre, dass die PTB Proben von
synthetischem Meerwasser bereit stellt, dessen pH-Wert von unserer
Apparatur gemessen wurde und deshalb exakt bekannt ist. Anwender könnten
ihre spektrophotometrischen Messeinrichtungen dann mit unseren Proben
kalibrieren, um ihre eigenen Messungen durchführen.“

Während die Ergebnisse des SapHTies-Projekts nun in eine internationale
Norm zur Messung des pH-Werts in Ozeanen einfließen, wenden sich
Bastkowski und seine europäischen Forscherkollegen und -kolleginnen
bereits neuen Aufgaben zu. Denn längst sind noch nicht alle
Wechselwirkungen zwischen dem atmosphärischen CO2 mit den Ozeanen bekannt.
Um sie zu verstehen, müssen noch weitere Messverfahren auf eine
einheitliche Basis gestellt werden.

Gut zu wissen 1: Versauerung der Meere

Ozeane sind die blauen Lungen unseres Planeten: Sie entziehen der Luft
große Mengen an Kohlendioxid. Ohne diesen natürlichen Speicher wäre die
Kohlendioxidkonzentration in der Luft heute sehr viel höher und es wäre
auf der Erde um einiges wärmer. Doch je mehr CO2 sich in der Atmosphäre
befindet, desto mehr löst sich im Meerwasser und verändert seine chemische
Zusammensetzung. Er wird – zwar nur leicht, aber messbar – saurer. Mit
erheblichen Konsequenzen für seine Bewohner. Nicht nur Fischlarven und
kalkbildende Organismen wie Korallen und Muscheln nehmen Schaden, sondern
auch Kalkalgen, die einen wichtigen Beitrag im marinen
Kohlenstoffkreislauf bilden. So kann die Funktion der Meere als
Kohlenstoffspeicher geschwächt werden.

Gut zu wissen 2: Keine verlässliche pH-Wert-Messung ohne Rückführung!

Wenn Messwissenschaftler im Freundeskreis von Rückführung erzählen, ernten
sie meist ratlose Blicke. Dabei ist Rückführung einer der
Schlüsselbegriffe in der Metrologie, der Wissenschaft vom Messen. Erst
durch Rückführung lassen sich verschiedene Messergebnisse, die womöglich
mit ganz unterschiedlichen Methoden an unterschiedlichen Orten ermittelt
wurden, miteinander vergleichen. Für die Rückführung braucht man eine Art
Goldstandard. Im Bereich der pH-Wert-Messung ist das die Messapparatur zur
elektrochemischen Messung des pH-Werts in der PTB. Kein Gerät oder
Verfahren kann es besser. Nun müssen sich die in der Praxis angewendeten
Verfahren mit diesem Goldstandard vergleichen lassen: Inwieweit weicht ihr
Ergebnis davon ab? Um diese Abweichung müssen ihre Messwerte dann
korrigiert werden. Alle Verfahren, die sich auf diese Weise mit dem
Standardverfahren abgleichen, gelten als rückgeführt und sind miteinander
vergleichbar und aussagekräftig.

Gut zu wissen 3:  Forschungsprojekt SapHTies

Aufgrund seines Salzgehalts wird im Meer nicht der reine pH-Wert gemessen,
sondern der pHT-Wert. Er berücksichtigt neben freien Wasserstoff- auch die
Hydrogensulfationen (in diesem Beitrag schreiben wir für ein leichteres
Verständnis trotzdem immer „pH-Wert“). Meist wird mit optischen Methoden
gemessen. Allerdings war bislang weder die Rückführung der pHT-Messwerte
auf eine akzeptierte metrologische Referenz geklärt, noch konnten die
zugehörigen Messunsicherheiten angegeben werden. Beides wird aber von
verschieden internationalen Normen gefordert.  Das im April 2024
abgeschlossene EMPIR-Projekts SApHTIES bietet nun die Basis für normative
Regeln.

Am europäischen Forschungsprojekt SapHTies sind neben zwei
ozeanografischen Instituten auch Metrologieinstitute aus fünf Ländern
beteiligt. Es findet unter dem Dach von EMPIR statt, dem Europäisches
Metrologieprogramm für Innovation und Forschung. Der Originaltitel lautet:
Metrology for standardised seawater pHT measurements in support of
international and European climate srategies.