Eine systematische Verzerrung bei pH‑Werten von Profilbojen führt zu einer Überschätzung des abgeleiteten pCO2 und zu einer Unterschätzung der CO2‑Aufnahme durch den Südozean

Warum winzige Messungen im Ozean wichtig sind

Der Südozean, der weite Ring aus Wasser um die Antarktis, nimmt unbeachtet einen überproportional großen Anteil der überschüssigen Wärme und des Kohlendioxids der Erde auf. Weil er abgelegen und stürmisch ist, stützen sich Wissenschaftler zunehmend auf robotische Profilbojen statt auf Schiffe, um zu verfolgen, wie viel CO2 dieser Ozean tatsächlich aufnimmt. Die vorliegende Studie zeigt, dass ein subtiler, aber systematischer Fehler in der Messung der Säure (pH) durch diese Bojen dazu führt, dass der im Wasser gelöste CO2‑Gehalt überschätzt wird — und folglich die Aufnahme von Kohlenstoff durch den Südozean unterschätzt wird.

Roboter, die einen schwer zugänglichen Ozean beobachten

Biogeochemische Argo‑Bojen sind frei treibende Instrumente, die alle paar Tage von der Oberfläche bis etwa 2.000 Meter tauchen und Temperatur, Salzgehalt, Sauerstoff, Nährstoffe und pH messen. Im Südozean liefern große Netzwerke dieser Bojen inzwischen deutlich häufigere Messungen, als Schiffe je erreichen könnten. Aus pH und einem geschätzten Wert einer weiteren chemischen Größe, der Alkalinität, berechnen Forschende den partiellen Druck von CO2 (pCO2) im Meerwasser, der dann verwendet wird, um den Austausch von CO2 zwischen Ozean und Atmosphäre abzuschätzen. Überraschenderweise deuteten auf Bojen basierende Berechnungen darauf hin, dass der Südozean insgesamt CO2 freisetzt, was den Messungen von Schiffen und Flugzeugen widerspricht, die darauf hindeuten, dass er ein Netto‑Aufnehmer von Kohlenstoff ist.

Vergleich von Robotern mit Schiffen in alten Tiefenwassern

Um herauszufinden, ob die Bojen oder die traditionellen Beobachtungen fehlerhaft sind, verglichen die Autorinnen und Autoren Bojenprofile mit hochwertigen Schiffsdatensätzen des Global Ocean Data Analysis Project. Entscheidend war, dass sie sich zunächst auf tiefe Wassermassen konzentrierten, die seit vorindustrieller Zeit von der Atmosphäre isoliert sind und daher nur sehr wenig vom Menschen hinzugefügten Kohlenstoff enthalten. In diesen „alten“ Wassern sollte jede Differenz zwischen Bojen‑ und Schiffsbeobachtungen hauptsächlich Instrumentenbias und nicht reale Umweltveränderungen widerspiegeln. Der Vergleich zeigte, dass Bojen‑ und Schiffsangaben für Temperatur, Salzgehalt, Sauerstoff, Nitrat und Alkalinität gut übereinstimmen, nicht aber für das Kohlensystem: Der pH der Bojen liegt im Mittel etwa 0,021 Einheiten niedriger als der pH auf Schiffen, und das aus Bojen abgeleitete pCO2 ist um etwa 20 Mikroatmosphären höher.

Verzerrung von oben bis unten, nicht nur an der Oberfläche

Indem die Daten in Tiefenbereiche gruppiert wurden, zeigte die Studie, dass diese Unterschiede durch einen großen Teil der Wassersäule präsent sind, besonders zwischen 200 und 1.500 Metern, und sich erst in den tiefsten Schichten verringern. Da die pCO2‑Werte der Bojen aus pH und Alkalinität berechnet werden und die Alkalinität zwischen Bojen und Schiffen gut übereinstimmt, ist der wahrscheinlichste Übeltäter ein systematischer Versatz in den pH‑Sensoren und in deren Korrekturen. Die derzeitige Verarbeitung geht davon aus, dass eine einzelne Anpassung, die bei etwa 1.500 Metern bestimmt wurde, in gleicher Weise für alle Tiefen gilt. Das tiefenabhängige Muster der Abweichung legt nahe, dass dieser Ein‑Punkt‑Ansatz nicht immer gültig ist: Die Korrektur scheint unterhalb von 1.500 Metern einigermaßen zu funktionieren, lässt aber in höheren Wasserschichten einen beträchtlichen Restfehler zurück.

Wie Messfehler an der Oberfläche Abschätzungen des Kohlenstoffflusses verzerren

Da der Luft‑See‑CO2‑Austausch direkt vom pCO2 an der Wasseroberfläche abhängt, quantifizierten die Autorinnen und Autoren anschließend die Verzerrung direkt an der Meeresoberfläche. Unter Verwendung einer kombinierten Analyse von Abweichungen von CO2 und Sauerstoff gegenüber ihren Gleichgewichtswerten schätzten sie, dass das aus Bojen abgeleitete oberflächennahe pCO2 um etwa 14 Mikroatmosphären zu hoch liegt. Ein unabhängiger Vergleich mit einem globalen Oberflächen‑CO2‑Produkt, das auf Schiffs‑ und anderen Direktmessungen beruht, ergab eine sehr ähnliche Zahl von etwa 17 Mikroatmosphären. Zusammengenommen deuten diese Belege auf eine mittlere Oberflächenverzerrung von 15±3 Mikroatmosphären über Hunderte von Südozean‑Bojenprofilen hin — deutlich größer als bislang angenommen. Statistische Tests zeigen, dass dieser Versatz nicht durch zufällige Messfehler, saisonale Änderungen oder langfristige Versauerungstrends erklärt werden kann.

Was das für unser Bild des Südozeans bedeutet

Wenn die pCO2‑Werte der Bojen an der Oberfläche systematisch zu hoch sind, haben frühere Studien den Südozean als weniger starke Kohlenstoffsenke erscheinen lassen, als er tatsächlich ist. Unter Verwendung veröffentlichter Zusammenhänge zwischen pCO2‑Bias und Kohlenstoffflüssen schätzen die Autorinnen und Autoren, dass die Korrektur dieses Fehlers die auf Bojen basierenden Schätzungen von einer Netto‑Freisetzung von CO2 zu einer Netto‑Aufnahme umkehren würde und sie damit den Einschätzungen von Schiffen und Flugzeugen deutlich näher brächte. Mit anderen Worten: Statt uns im Stich zu lassen, könnte der Südozean erheblich mehr vom vom Menschen erzeugten CO2 aufnehmen, als einige Bojenanalysen nahegelegt haben. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass eine ausgefeiltere, tiefenbewusste Kalibrierung der Bojen‑pH‑Daten — gestützt durch weiterhin hochwertige Schiffsbeobachtungen — wesentlich sein wird, um autonome Beobachtungssysteme voll auszuschöpfen und gleichzeitig unser globales Kohlenstoffbudget auf sichere Füße zu stellen.

Zitation: Zhang, C., Wu, Y., Brown, P.J. et al. A systematic bias in float pH leads to overestimation of derived pCO₂ and underestimation of carbon uptake by the Southern Ocean. Sci Rep 16, 13929 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43863-4

Schlüsselwörter: CO2‑Senke im Südozean, pH‑Verzerrung im Ozean, biogeochemische Argo‑Bojen, Luft‑See‑CO2‑Fluss, ozeanischer Kohlenstoffkreislauf