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Lexikon der Geowissenschaften: Carbonatsystem

Carbonatsystem, CO2-System, chemisches Gleichgewichtssystem der "Kohlensäure" (Kohlendioxid) und ihrer Dissoziationsprodukte. Im Meerwasser liegt sie überwiegend physikalisch gelöst (CO2(aq)) und nur zu einem sehr geringen Anteil (1:600) als eigentliche Kohlensäure (H2CO3) vor. Unter dem Trivialnamen "Kohlensäure" wird jedoch gemeinhin die Summe beider Formen verstanden. Von der zweibasigen Säure lassen sich über zwei Dissoziationsstufen die Anionen Hydrogencarbonat (HCO3-) und Carbonat (CO32-) nach folgenden Reaktionsgleichungen ableiten:

CO2(aq)+H2O≈H++HCO3-

HCO3-+H2O≈H++CO32-

Der Gesamtcarbonatgehalt ΣCO2 (auch TCO2, DIC, CT) von Meerwasser liegt im Bereich von 1,9-2,2 mmol pro kg Meerwasser. Er verteilt sich etwa im Verhältnis 200:20:1 auf CO2(aq), Carbonat und Hydrogencarbonat. Das marine Carbonatsystem ist analytisch über die Meßgrößen Gesamtcarbonatgehalt (ΣCO2), Alkalinität, pH-Wert und CO2-Fugazität in hoher Präzision zugänglich und zudem in seinen thermodynamischen Eigenschaften sehr genau bekannt. Es reguliert den pH-Wert von Meerwasser und ist für etwa 95% seiner Pufferkapazität verantwortlich. So zeigt Meerwasser mit einem pH-Wert von 8,0 (±0,5) eine entsprechend geringe Varianz. Gleichzeitig unterliegt das Carbonatsystem physikalischen (Salzgehalt, Temperatur, Gasaustausch mit der Atmosphäre), biologischen (Photosynthese des Phytoplanktons, Kalkschalenbildung durch Phyto- und Zooplankton, Atmung) und chemischen (Kalklösung in der Tiefe) Einflüssen. Es ist eine wichtige Komponente des globalen Kohlenstoffkreislaufs. Dabei stellt es das größte der sich rasch (innerhalb von Jahren bis Jahrtausenden) austauschenden Kohlenstoffreservoire dar. So enthält es gegenwärtig etwa 50 mal (vorindustriell 65 mal) so viel Kohlenstoff wie die Atmosphäre und etwa 20 mal so viel wie die gesamte terrestrische Biosphäre inklusive der oberen Bodenschichten. Über den Gasaustausch von Kohlendioxid (CO2) zwischen Atmosphäre und Ozean wird der atmosphärische CO2-Gehalt (Gase im Meerwasser) entscheidend vom Carbonatsystem des Ozeans geprägt. Der CO2-Gehalt der Atmosphäre ist in letzter Zeit unter dem Stichwort "anthropogener Treibhauseffekt" in den Mittelpunkt des wissenschaftlichen und öffentlichen Interesses gerückt. Aufgrund seiner Absorptionseigenschaften im Infraroten, dem Spektralbereich der terrestrischen Wärmeabstrahlung, ist atmosphärisches CO2 für den Strahlenhaushalt unseres Planeten von erheblicher Bedeutung. Die menschlichen Aktivitäten haben durch die zunehmende Verbrennung fossiler Brennstoffe sowie durch eine sich ändernde Landnutzung (z.B. Brandrodung tropischen Regenwalds) zu einem erheblichen Anstieg des CO2-Gehalts der Atmosphäre um gut 30% gegenüber der vorindustriellen Situation Mitte des 18. Jh. geführt. Diese Tatsache gibt Grund zu der Befürchtung, daß der Mensch aktiv in das Klimasystem eingreift, und es zu globalen Klimaveränderungen kommt. Der Weltozean fungiert bekanntermaßen als beachtliche Senke für anthropogenes CO2 und spielt daher – nicht zuletzt seines Carbonatsystems wegen – eine entscheidende Rolle im Klimasystem der Erde. [KK]

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