De oceaan neemt CO₂ op. Hoeveel draagt het leven in de oceaan daaraan bij?

Door het verbranden van kolen, aardolie en aardgas neemt de hoeveelheid CO₂ in de lucht langzaam maar zeker toe. Omdat CO₂ een broeikasgas is, warmt de aarde hierdoor langzaam op. Al die extra CO₂ blijft niet in de lucht, maar een groot gedeelte lost op in de bovenste laag van het zeewater: deze uitwisseling en de verdere verplaatsing door zeestromingen heten samen ook wel de 'solubility pump' (NL: oplosbaarheidspomp, ofwel het rondvoeren van de “opgeloste” CO₂) en is een puur natuurkundig proces. Zodoende is ongeveer 25% van de uitgestoten CO₂ opgenomen door de oceanen. Omdat deze opgeloste CO₂ reageert met water en daarmee koolzuur vormt, verzuurt de oceaan langzaam. Dit staat ook wel bekend onder de Engelse term ‘Ocean Acidification’, oftewel oceaanverzuring.

Verzuring is in feite een toename van de concentratie van protonen (H⁺ ionen). Ook wordt dit wel uitgedrukt met de pH schaal: hoe hoger de concentratie H⁺, hoe lager de pH van water. En omdat deze schaal logaritmisch is (net als bijvoorbeeld de schaal van Richter of decibellen), betekent een verlaging van de pH met 1, dat de concentratie H⁺ tien keer zo hoog wordt (Figuur 1). De gemeten daling in de pH van 0,1 lijkt dus misschien klein, maar dat betekent dat de concentratie H⁺, en dus de zuurgraad van het zeewater met 25% is toegenomen.

Zonder biologische activiteit zou enkel de ‘solubility pump’ werken en bepalen hoeveel CO₂ er tussen de lucht en de zee wordt uitgewisseld. De opname door oplossing in de bovenste laag van de oceanen is nu ongeveer 3 gigaton (=3 × 10¹² kg) koolstof per jaar. Die drie gigaton is langzaam toegenomen in de loop van de tijd: in 1960 was de opname nog ongeveer 1 gigaton [1]. Ter vergelijking: 1 gigaton is gelijk aan het gewicht van ongeveer 200 miljoen olifanten.

Figuur 1: De toename in de gemiddelde temperatuur op aarde (in blauw en rood) als gevolg van de toenemende concentratie van CO₂ in de lucht (zwarte lijn). Het stippellijntje rechtsboven geeft de daling in pH (toenemende zuurgraad) die het gevolg is van de toenemende CO₂ concentratie.

Naast de solubility pomp zijn er in de open oceaan zijn er twee belangrijke, biologische processen die beïnvloed worden door opgelost CO₂ (figuur 2). Fotosynthese door algen neemt CO₂ op en legt dat vast als organisch koolstof: dat zijn in dit geval de cellen van de algen. Dit werkt net zoals planten op het land. In totaal wordt er op deze manier ongeveer 50 gigaton aan koolstof vastgelegd in de bovenste laag van de oceaan [2]. Net als blaadjes van bomen worden de meeste algen weer afgebroken waarbij het opgenomen CO₂ weer vrij komt. Slechts ongeveer 20% (10 gigaton) van de algen zinkt richting diepere waterlagen. Daarvan wordt nog eens 80% (8 gigaton) afgebroken voordat het neerkomt op de oceaanbodem. Van de 2 overgebleven gigaton wordt nog eens 90% afgebroken. Uiteindelijk wordt ongeveer 0.2 gigaton begraven in het sediment. Het proces van koolstof dat in de vorm van CO₂ uit de atmosfeer op deze manier naar de diepzee wordt getransporteerd wordt ook wel de ‘organische koolstofpomp’ genoemd. Zodra de koolstof naar de diepe oceaan zinkt zijn we het even kwijt. Het duurt, afhankelijk van de plek waar dit gebeurt, gemiddeld een paar eeuwen voordat het door oceaanstromingen weer terugkomt naar het oppervlak. Dit proces dempt dus de stijging van de CO₂ concentratie door de mens.

Het andere proces is kalkvorming door kleine organismen die in het water zweven, dat ook koolstof naar de diepte transporteert (de zogenaamde ‘carbonaatpomp’, of kalkpomp). Kalkvorming verschilt heel sterk van fotosynthese. Ten eerste wordt voor kalkvorming geen CO₂ gebruikt maar andere koolstofhoudende ionen, met name carbonaat (CO₃^2-) en dus legt dit proces geen CO₂ vast. Sterker nog, bij kalkvorming komt juist CO₂ vrij als bijproduct en dit leidt dus juist tot een toename van de CO₂ concentratie. Voor beide soorten koolstof geld dat niet alles verdwijnt uit de waterlaag, want een groot gedeelte van de vastgelegde koolstof keert weer terug in het water doordat het verteerd en afgebroken wordt door andere organismen.

Figuur 2: Een vereenvoudigde voorstelling van de mariene koolstofcyclus, met nadruk op de twee biologische pompen: de carbonaatpomp (links) en de organische koolstof-pomp (rechts). In het midden is het effect van een toename in de atmosferische CO₂ concentratie weergegeven. Omdat de concentraties van CO₂ in de lucht en in de oppervlakte van de oceaan in evenwicht met elkaar zijn, zorgt de verbranding van fossiele brandstoffen ervoor dat extra CO₂ oplost in zeewater. Door reactie met water ontstaan er protonen (H⁺) en neemt de pH af. Het effect van zowel de carbonaatpomp als de organische koolstofpomp is een transport van koolstof van het oppervlakte naar de diepzee. De twee pompen hebben echter een tegenovergesteld effect op de concentratie van opgelost CO₂ in de oppervlakte van de zee.

Het effect van de beide pompen varieert wel van plek tot plek. Zo komt in de open oceaan relatief weinig koolstof op de bodem terecht. In kustzeeën is er echter veel meer leven, waardoor de productie van organisch koolstof veel hoger is en de bodem meer organisch koolstof bevat. Ondanks een totale productie van 1.5 gigaton koolstof per jaar, is de begraving van koolstof door de ‘kalkpomp’ ongeveer even groot als die van de ‘organische koolstofpomp’ (ongeveer 0.15 gigaton per jaar [3]), maar de variatie is enorm. Vanaf een bepaalde diepte lost al het carbonaat op dat daar neerregent. Die exacte diepte varieert van ongeveer 5 kilometer in de Atlantische oceaan tot ongeveer 4 kilometer in de Stille oceaan.

Zowel de organische koolstofpomp en de kalkpomp wordt beïnvloed door de toename van de CO₂ concentratie en heeft dus een effect op het transport van koolstof in de oceanen. Daarmee hebben beide pompen ook effect op het vermogen van zeewater om CO₂ uit de lucht op te nemen. Veel studies hebben laten zien dat fotosynthese niet sterk wordt beïnvloed door de extra CO₂ in zeewater, al leiden hogere concentraties bij sommige soorten tot iets meer CO₂ vastlegging. Zelfs een kleine toename in fotosynthese en/of de verbranding van het organisch materiaal kan een groot effect hebben, omdat de totale hoeveelheid koolstof die op deze manier wordt vastgelegd, gigantisch is. Bovendien is primaire productie niet alleen afhankelijk van CO₂: ook temperatuur, de concentratie van opgeloste voedingsstoffen en licht bepalen hoeveel koolstof door algen wordt opgenomen. Ook veranderingen in de gelaagdheid van de waterkolom is bepalend voor de hoeveelheid koolstof die door fotosynthese in de diepzee terechtkomt. Die gelaagdheid wordt door de opwarming van de oceaan steeds sterker en daardoor zou er in de toekomst wel eens minder fotosynthese kunnen zijn. Dat zou kunnen leiden tot een afname van de biologische pomp en dus ook een minder grote rol voor oceanen in CO₂ opname.

Veel studies tonen aan dat het moeilijker is om kalk te vormen in zuurder water. Met name in koud water is de toenemende verzuring een probleem voor beestjes om hun schaaltje of skeletje te maken. Een afname van kalkvorming zou wel eens effect kunnen hebben op de complete koolstof-huishouding van de oceanen (NB: minder calcificatie zou dus de opname van CO₂ door de oceanen stimuleren omdat minder kalkvorming dus leidt tot een lagere CO₂ productie in het water). Bovendien zijn kalkvormers een onderdeel van de voedselketen in de oceaan, waardoor ook andere zeedieren last kunnen krijgen van een vermindering in kalkdiertjes.

Het is moeilijk om precies te zeggen hoeveel CO₂ er in de komende eeuw gaat oplossen in de oceaan omdat het heel lastig te voorspellen is hoe de biologie precies gaat reageren op alle oceaanveranderingen, en of dat veel meer of minder is dan het de afgelopen 100 of 150 jaar was. De grootste onbekenden zijn de veranderingen in biologische aspecten van de koolstof-pompen. Met name primaire productie en kalkvorming in een veranderende oceaan zijn lastig te voorspellen. Studies die samenvatten wat we inmiddels weten over allerlei processen die belangrijk zijn voor de opname van CO₂ laten zien dat dit zou kunnen afnemen met 10 á 15% [4] [5]. Toekomstige studies zullen moeten uitwijzen wat de exacte veranderingen in de biologische- en carbonaat-pompen zijn voor de verschillende scenario’s voor klimaatverandering.