De zure zee

Zeedieren maken nu al minder makkelijk kalkskeletten dan twintig jaar terug. De oceaan verzuurt. Hester van Santen

In een donker zaaltje in San Francisco waar zoveel bezoekers op zijn afgekomen dat ze in de deuropening moeten staan en op de tafels zitten, projecteert een oceanograaf uit Monaco kleurrijke grafieken op de achterwand. “Het is een enorme verandering in de oceaan”, zegt hij erbij. De oceanograaf in kwestie is James Orr, specialist in het voorspellen van wat er chemisch gezien met de zee te gebeuren staat.

Wat Orr afgelopen februari tijdens het jaarlijkse congres van de Amerikaanse vereniging van wetenschappers AAAS liet zien was dat in de loop van deze eeuw op steeds meer plaatsen in de zee kalkskeletten van plankton en koralen zullen gaan oplossen. Het is het directe gevolg van een klimaateffect dat ongerustheid wekt bij steeds meer wetenschappers: de oceaan verzuurt.

De oorzaak is bekend. Bij verbranding van fossiele brandstoffen komt CO2 vrij en veel daarvan lost in het zeewater op. Voor elke Amerikaan neemt de oceaan elke dag zo’n twintig kilo CO2 op. Daar gaan vervolgens dezelfde chemische processen optreden als in een fles Spa rood: er ontstaat koolzuur. Het effect is nu al meetbaar en kan over enkele decennia gevolgen hebben voor het leven in zee. Vooral, liet de oceanograaf zien, lopen organismen gevaar die kalk maken. Want zoals de huisman weet die de schoonmaakazijn hanteert: zuur en kalk gaan slecht samen.

ph-afname

De afgelopen twee, drie jaar kwamen de eerste invloedrijke wetenschappelijke rapporten erover uit, en inmiddels is het wereldnieuws. In februari bracht het Intergovernmental Panel on Climate Change, de invloedrijke commissie van de Verenigde Naties die de wetenschappelijke klimaatinzichten bundelt, de samenvatting van haar vierde rapport sinds 1990 uit. Voor het eerst gaat het in dat document expliciet over oceaanverzuring. De pH van het oppervlaktewater van de oceanen is sinds het begin van de industriële revolutie met 0,1 pH-eenheid afgenomen, staat er. Voor de duidelijkheid: een lagere pH betekent méér zuur. Afhankelijk van de bevolkingsgroei en de aard van de energiebronnen kan er tot het jaar 2100 nog 0,14 tot 0,35 pH-eenheid extra afgaan.

De oceaan heeft nu een zuurgraad van ongeveer 8,2. Ter vergelijking: zeer zuiver water heeft een pH van 7. Dat heet ‘pH-neutraal’, minder dan 7 heet zuur. De oceaan is dus in feite licht basisch en zal door CO2-opname niet zuur worden in de gangbare zin van het woord. Maar toch is de verandering van een paar tiende pH-eenheid meer dan het klinkt. De pH-schaal is een logaritmische. Als de pH afneemt van 8,2 naar 7,9 wordt de hoeveelheid ‘zuur’, oftewel opgelost H+, twee keer zo groot.

De eerste foto’s van wat zeebewoners dan mogelijk te wachten staat, zijn al gepubliceerd. In Nature figureerde in september 2005 een centimeterlang, spookvormig zeediertje genaamd Clio pyramidata. Het is een pteropode, oftewel vleugelslak. Met twee flippertjes in plaats van een spiervoet dwarrelen de vleugelslakjes in groten getale rond in de Grote Oceaan, nabij de noordpool. Maar na twee dagen in oceaanwater waarin de voorspelde omstandigheden van het jaar 2100 waren nagebootst, waren de randjes van de toch al vliesdunne, doorzichtige kalkschelp van de vleugelslak rafelig en bezaaid met putten.

Dat de oceanen verzuren als er meer CO2 in de atmosfeer komt, werd al in de jaren zestig bedacht – de achterliggende chemie is leerboekenstof (zie rechterkader). De crux is dat verzuring in oceaanwater een kettingreactie veroorzaakt, waardoor carbonaat (CO32-) wordt omgezet in bicarbonaat (HCO3-). Daardoor daalt in het water de concentratie carbonaat. Dat is belangrijk, want carbonaat is een van de twee bestanddelen van kalk. Is er minder carbonaat, dan wordt kalk voor organismen steeds moeilijker te bouwen. In extreme gevallen lost het kalk zelfs op, zoals kalkaanslag in de schoonmaakazijn.

Hoever het inmiddels gekomen is, werd de afgelopen jaren duidelijk. Na grootscheepse oceaanexpedities, en met de toenemende aandacht voor klimaatverandering, kwamen de eerste cijfers die betrouwbaar waren én de aandacht trokken. In de jaren negentig hebben onderzoeksschepen de koolstofopname van de oceanen gemeten in projecten die honderden miljoenen kostten. In 95 expedities, kriskras over de oceanen, verzamelden ze gegevens op bijna tienduizend plaatsen.

monsterflessen

Het waren vaartochten van het soort waarbij vijftien Nederlandse wetenschappers zich in de herfst van 2005 inscheepten, op het Nederlandse onderzoeksschip Pelagia. Het schip voer heen en weer tussen Noord-Ierland en Groenland, en na elke dertig mijl varen liet de bemanning een manshoog, rond rek vol monsterflessen naar de diepte zakken. De monsters gaven een beeld van de chemie van de oceanen, van de oppervlakte tot de donkere diepten op drieduizend meter. In 1981 hadden Amerikanen op datzelfde traject ook al metingen gedaan.

Steven van Heuven, een Groningse promovendus in de oceanografie die aan boord was, ontdekte dat de zee daar, in de noordelijke Atlantische oceaan, niet meer hetzelfde was als 26 jaar geleden. De gemiddelde pH was gedaald, en op plaatsen waar planktondiertjes destijds nog gemakkelijk hun kalkskeletten konden maken, is dat nu moeilijker. Hetzelfde geldt voor koralen, en dan met name voor de zogeheten koudwater-koralen, die in diep of noordelijk water groeien. Hoogleraar Hein de Baar van het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee op Texel is de begeleider van Van Heuven. Hij is gespecialiseerd in oceaanchemie. “In de fjorden van Noorwegen groeien al koudwater-koralen op dertig tot veertig meter. Die komen dus al heel snel in ongunstige omstandigheden terecht.”

groenland

Met vergelijkbare metingen en berekeningen toonde oceanograaf Christopher Sabine van de National Oceanic and Atmospheric Administration aan dat tussen 1800 en 1994 bijna de helft van de door mensen geproduceerde CO

Met de cijfers van de wereldwijde expedities zijn de modellen geijkt die James Orr in San Francisco liet zien aan zijn toehoorders. De onderzoekers waren uitgegaan van het (inmiddels klassieke) business-as-usual scenario van VN-klimaatcommissie IPCC: daarbij wordt de concentratie CO2 in de atmosfeer in 2100 twee keer zo hoog als rond 1800. Een van Orrs grafieken toont een dwarsdoorsnede van de oceaan: een paar kilometer diep, van de zuid- tot de noordpool. Ergens onderin, op 1 tot 2,5 kilometer diepte, loopt een lijn.

Dat is de huidige horizon voor aragoniet. Aragoniet is een van de twee vormen waarin het kalk van algen en zeedieren kan kristalliseren. Het is het meest instabiele type, waarvan de koralen en de vleugelslakken zich bedienen. Als een brokje aragoniet wegzakt in de oceaan, begint het op te lossen zodra het deze ‘horizon’ passeert. Daaronder is de temperatuur zo laag, en de druk zo hoog, dat aragoniet er niet kan neerslaan.

In 2100 is de aragoniethorizon opgeschoven tot een paar honderd meter onder de oppervlakte. In de poolzeeën raakt de lijn het wateroppervlak. Het komt niet door veranderingen in temperatuur of druk, maar puur door de verzuring en de daardoor ontstane carbonaat-schaarste. Sabine cum suis: “De onderverzadiging kan zich uitstrekken over de hele Zuidelijke Oceaan, en in de subarctische Grote Oceaan.” De horizon voor calciet, de stabielere configuratie van kalk, ligt volgens de auteurs vijftig tot honderd jaar later op dezelfde plek.

Wat er onder die lijn gebeurt met zeedieren is duidelijk. Ze beginnen te verweren, als ze niet weg zwemmen. Bovendien krijgen dieren hoogstwaarschijnlijk ook al last van carbonaat-schaarste boven de horizon waaronder ze echt gaan oplossen. In 2050, is de verwachting, zal de concentratie carbonaat in de oceaan gehalveerd zijn. Dus gaat het maken van kalkskeletten langzamer, ook al is er niet zo weinig dat de diertjes wegsmelten als natte sneeuw.

zelfvertrouwen

Over zulke chemische voorspellingen, maar dan vooral voor de korte termijn, schrijven de wetenschappers met enig zelfvertrouwen. Zoals in het lijvige rapport Impacts of Ocean Acidification on Coral Reefs and Other Marine Calcifiers. Drie Amerikaanse instituten publiceerden het vorig jaar onder leiding van zee-ecoloog Joanie Kleypas. Ze vinden dat “zulke modellen [...] voorspellingen kunnen doen over grootschalige veranderingen, ten minste tijdens de eenentwintigste eeuw.”

Maar verder? Hier houdt de harde kennis over de gevolgen van oceaanverzuring zo’n beetje op. Hoe de verzuring na 2100 zal verlopen, is moeilijk te zeggen. Bovendien: wat die carbonaat-veranderingen in de praktijk voor de zeenatuur betekenen is nattevingerwerk. Joanie Kleypas schreef afgelopen zomer boudweg: “Hoe verminderde kalkvorming het biologisch functioneren of de overleving van organismen beïnvloedt, is in wezen niet onderzocht.”

Niet alle kalk producerende zeedieren en -planten zijn immers fotogenieke vleugelslakjes die de covers van de wetenschapsbladen halen. De aandacht, vindt Kleypas, “is tot nu toe beperkt gebleven tot een paar soorten koraal en algen.” Van koralen is nu, na enkele tientallen experimenten, wel bekend dat ze langzamer groeien bij het business-as-usual scenario. De percentages lopen echter uiteen van 3 tot 80. Worden koralen daar slechter van? Het koralenleven levert nogal wat verrassingen op. Vorige week nog beschreven twee Israëlische onderzoekers in Science hoe zij een koraal uit de Middellandse zee een jaar lang onderdompelden in overdreven zuur water. Het koraalskelet van kalk verdween wel, maar de losse koraaldiertjes gingen niet dood. Ze dobberden rifloos voort tot de omstandigheden weer beter werden.

calciet

Het is de enorme diversiteit van zeeorganismen die de onderzoekers achter de oren doet krabben. Aragoniet zit in bepaalde schelpdieren, koralen, pteropoden en zeeëgels. Calciet is het basismateriaal voor andere schelpdieren, en voor kalkvormende algen en planktondieren. Coccolithoforen heten ze, en foraminiferen. Hein de Baar: “Misschien merken we na vijf jaar biologische experimenten dat die organismen er niet zo’n last van hebben. Of dat ze evolueren. Of dat ze vervangen worden door andere soorten.” Niemand weet ook waarom de ene kalkhoudende alg last heeft van hoge CO

Laatst nog kwam het Nederlandse ecologie-instituut NIOO in mosselbolwerk Yerseke met een welkome aanvulling. Nieuwe cijfers (binnenkort staan ze in Geophysical Research Letters) over kalkvorming in mossels en oesters in een verzuurde zee. Mossels bestaan voor 83 procent uit het kwetsbare aragoniet, en zijn qua verzuring nauwelijks onderzocht. Als we zo doorgaan neemt de kalkvorming van mosselschelpen af met 25 procent, rekende Zeeland uit. Ze groeien langzamer. Oplossen doen ze evenwel niet. Maar lastig blijft het. Vorig jaar nog hadden Noorse biologen zich ook al op de mossels gestort, en zij vonden dat de mossels even hard groeiden bij een onrealistisch nare pH van 7,4 als bij een gematigde 8,1. Maar dat was een heel ander soort experiment.

Hein de Baar besluit: “Wat we nu hebben, zijn vooral a priori aannames uit het biochemieboek zonder experimenteel werk. Waar ik bang voor ben, is dat we nu als onderzoekers met zijn allen gaan roepen ‘door de verzuring gaan de koraalriffen kapot’. Als het dan toch blijkt mee te vallen, staan wij in ons hemd.”

Maar de chemische voorspellingen geven wel een wonderlijke blik in de verre toekomst. Ook als het met het aanpassingsvermogen van zeedieren en algen allemaal meevalt, zal de oceaan er nog tienduizenden jaren anders uitzien. Door de extra kooldioxide die nu in de zee oplost, zal de komende eeuwen carbonaatarm water naar beneden stromen. Dat water bereikt de bodem van de oceaan na een paar honderd jaar. Intussen beginnen op de zeebodem kalksedimenten op te lossen. Het eerste water waarin vers carbonaat is opgelost, is duizend jaar later weer boven – inmiddels leven we in het vierde millennium. Het oplossen van kalk kan, volgens verschillende deskundigen, wel drie- tot tienduizend jaar doorgaan.Ergens tussen het zevende en veertiende millennium is er zo genoeg kalk uit de bodem opgelost om het tekort aan te vullen en de zuurgraad te herstellen. Kalkdiertjes bovenin de zee beginnen weer op volle kracht kalk te vormen. Ze sterven, zinken naar de bodem. En de kalksedimenten, die zijn na enkele tienduizenden jaren weer aangevuld.