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Online-Nachschlagewerk zur Meeresforschung
Herausgeber: Dr. D. Völker

Die Erhaltung und Lösung von Kalzit in den Ozeanen

Autor: Dr. David Voelker

Die Löslichkeit von Kalzit und Aragonit (CaCO3, z.B. Schalen von Foraminiferen und Pteropoden) im Meerwasser nimmt mit der Wassertiefe zu. Sedimente der Tiefsee (>4 km) sind in der Regel kalzitfrei ("roter Tiefseeton") während unterseeische Rücken und Tiefseekuppen häufig eine "Haube" von kalzitreichen Sedimenten tragen.

Die Wassertiefe unterhalb von der abgelagerte Sedimente kein Kalzit mehr enthalten („Schneefallgrenze“) wird als CCD (Calcite Compensation Depth) bezeichnet. Sie liegt im Atlantik bei 5.5-4.0 km Wassertiefe, im Pazifik bedeutend flacher bei 4.0-3.5 km. Für Aragonit (z.B. Schalen von Pteropoden) trifft prinzipiell dasselbe zu, es verschwindet bereits in geringeren Tiefen sogar noch leichter löslich als Kalzit. Die Wassertiefe unterhalb von der abgelagerte Sedimente kein Aragonit mehr enthalten wird entsprechend als ACD (Aragonite Compensation Depth) bezeichnet. Die Löslichkeit ist höher, die ACD liegt daher flacher als die CCD. Kalzit-Lysokline heisst die Wassertiefe, ab der eine Lösung von Hartteilen aus Kalzit in den Sedimenten deutlich erkennbar ist.

Pteropodenschalen und Schalen von Foraminiferen

rechts: Kalzitgehäuse von planktischen Foraminiferen, (Familie Globigerina), einzelligem Zooplankton, links: Aragonitgehäuse von Pteropoden (Flügelschnecken), winzigen Gastropoden

Schneefallgrenze CCD

"Schneefallgrenze" CCD: Oberhalb der CCD werden die überwiegend weissen kalzitischen Gehäuse von Foraminiferen im Sediment erhalten. Vor allem auf den Gipfeln landferner Tiefseekuppen und Rücken bildet sich eine Kappe von hellen Sedimenten mit hohem Kalzitanteil. Unterhalb der CCD überwiegen rote Tiefseetone. Die Tiefenlage der CCD variiert in Zusammenhang mit der Zufuhr von Biomasse aus der ozeanischen Primärproduktion und dem Alter des Tiefenwassers.

Lösung von Kalzit in den Ozeanen

Die Ozeane sind gepufferte Systeme. Im Unterschied zu Regenwasser, das bis auf gelöste Gase fast reines Wasser ist, ist der Ozean "im großen & ganzen" gesättigt in Bezug auf Kalzit. In tropischen Meeren kann bei es bei starker Erwärmung der Meeresoberfläche sogar zur Ausfällung von Kalzit kommen. In diesen Regionen fällt es Organismen ach besonders leicht, Hartteile aus Kalzit zu produzieren. Die grosse Masse der kalzitischen Sedimente und Riffstrukturen wurden und werden in tropischen Flachmeeren gebildet, daher spricht man von der "Carbonate Factory". Ab einer bestimmen Wassertiefe der Lysokline beginnt dagegen die Untersättigung und Lösung.

Sedimentsäule in der Tiefsee

Idealisierte Sedimentsäule in der Tiefsee. Die Mittelozeanischen Rücken ragen über die CCD hinaus, auf ihnen werden bevorzugt Kalkschlämme abgelagert, die auf der neu gebildeten ozeanischen Kruste zur Ablagerung kommen. Mit zunehmendem Alter der Kruste entfernt sich diese von der Rückenachse (siehe Spreadingrate) und sinkt dabei ab (siehe Sclaterkurve). Ab einem bestimmten Alter gerät der Meeresboden unterhalb der CCD, es können keine Kalkschlämme mehr abgelagert werden, auf die Kalzite werden vorwiegend rote Tiefseetone abgelagert.

Wie löst sich Kalzit in Meerwasser?

Kalzit CaCO3 => Ca2+ + CO32-

Kalzit hat eine sehr geinge Löslichkeit von ~130 mg/l in reinem Wasser

CaCO3 + H2CO3 <=> Ca2+ + 2HCO3-

Die Löslichkeit von Kalzit in kohlensaurem Wasserist dagegen sehr viel höher (> 400 mg/l), die Zufuhr von HCO3 verschiebt das Lösungsgleichgewicht in Richtung Untersättigung, bewirkt also Lösung von Kalzit

CO2+H2O <=> H2CO3

Lösung von Kohlendioxyd in Wasser, Bildung von Kohlensäure. Die Gleichgewichtskonstante für diese Reaktion ist von Temperatur und Druck abhängig. Schlicht gesagt: je höher der Druck und je niedriger die Temperatur ist, desto mehr Kohlendioxyd kann im Wasser gelöst werden. Der hydrostatische Druck nimmt in der Wassersäule im Verhältnis 1 Bar/10 m zu. Die Temperatur in der Wassersäule nimmt ebenfalls mit der Wassertiefe ab (siehe Kapitel xx). Damit liegen schon einmal 2 Gründe vor, aus denen die Aggressivität von Meerwasser gegenüber Kalzit mit der Wassertiefe zunehmen kann. Es braucht jedoch noch eine Quelle für CO2, denn es kann nur die Gasmenge gelöst werden, die auch tatsächlich zur Verfügung steht.

Wie kommt die Kohlensäure in die Tiefsee?

Die wesentliche Quelle für den Eintrag von CO2 in den tiefen Ozeanist der bakterielle Abbau von organischem Kohlenstoff, also Biomasse. Dieser Prozess (Respiration) entspricht der Umkehrung des Aufbaus von Biomasse durch Pflanzen: ein langkettiger Kohlenwasserstoff wird in Kohlendioxyd unter Verbrauch von Sauerstoff zu Kohledioxyd oxidiert. Dabei wird Energie frei.

CH2O + O2 ? CO2 + H2O + DH

Kohlenwasserstoff + Sauerstoff <=> Kohlendioxyd + Wasser + Energie

Die "biologische Pumpe" pumpt Nährstoffe und Kohlensäure in die Tiefsee: Die Photosynthese der Primärproduzenten in der lichtdurfluteten obersten Zone der Ozeane verbraucht CO2 und erzeugt Biomasse. Ein Teil der Biomasse fällt aus der obersten Zone des Ozeans hinab in Tiefen, die nicht im direkten Austausch mit der Atmosphäre stehen (Exportproduktion). Die bakterielle Respiration der Biomasse setzt dieses CO2 in mittleren und grosssen Wassertiefen wieder frei.

Je mehr organisches Material in der Wassersäule und am Meeresboden verwest, desto saurer und aggressiver verhält sich das Wasser gegenüber Kalzitpartikeln. Da dieser Effekt über die Zeit akkumuliert, wirken alte Wassermassen, die nicht mehr mit der Atmosphäre im Austausch stehen aggressiver als junge Wassermassen. Nach dem "global conveyor-belt" - Modell entsteht der größte Teil des Tiefewassers sämtlicher Ozeanbecken im Nordatlantik und breitet sich von dort aus. Im Nordpazifik dürfte es damit am ältesten = aggressivsten sein. Dieser Effekt bewirkt einen "Anstieg" der CCD vom Nordatlantik zum Nordpazifik und begründet die Beobachtung, daß der Pazifik im Vergleich zum Atlantik "arm" an Kalzitsedimenten ist.

Im Atlantik sind weite Bereiche (etwa 68 % der Fläche) der Tiefsee von Kalkschlämmen (Globigerinenschlamm) mit einem Anteil von CaCO3 größer 70 % bedeckt. Im Pazifik dagegen nur Bereiche (36 % der Fläche), größtenteils ist hier der Anteil von CaCO3 geringer als 1 % ! CCD liegt hier über der mittleren Meerestiefe. Von Kieselschlamm werden im Atlantik 7 % und im Pazifik 15 % bedeckt, den Rest nimmt roter Tiefseeton ein.

Neben diesem prinzipiellen Muster gibt es noch regionale Muster, die im Wesentlichen mit der Produktivität der Oberflächenwasser in Bezug auf organischen Kohlenstoff (Biomasse, Corg) und in Bezug auf Kalzitgehäuse zu tun haben. Eine hohe Produktivität von Kalkalgen kann die CCD nach unten "ausdellen" weil viel CaCO3 in die Tiefe gebracht wird. Eine hohe Produktivität anderer Organismen bringt viel Corg in die Tiefsee und bewirkt ein "Ausbeulung" der CCD nach oben.

Übersättigung und Untersättigung von Meerwasser in Bezug auf Kalzit. Tropische flache Meere sind die Bereiche, in denen Kalzit relativ leicht von Organismen ausgefällt werden kann, weswegen dort bevorzugt Riffe entstehen (the "carbonate factory"). Je kälter das Wasser ist, je höher der Druck und je höher der Gehalt an Kohlensäure, desto aggresiver werden Kalzitpartikel gelöst. Diese Eigenschaften treffen vor allem auf altes Bodenwasser zu.

  • Die zeitlichen Variationen in der Lage der CCD