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 Physikalisch-Technische Bundesanstalt (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.
Böser Zwilling der Klimaerwärmung
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 mit genauen Ergebnissen
„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 gelungen.
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.
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.
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.
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.
-Pressemitteilung Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)/idw-
