Подкисляване на моретата - биология
Кога Подкисляване на моретата е терминът, използван за описание на намаляването на стойността на pH на морската вода. Причинява се от абсорбцията на въглероден диоксид (CO2) от земната атмосфера. [1] [2] В допълнение към глобалното затопляне, процесът е една от основните последици от човешките емисии на парникови газове въглероден диоксид. Докато въглеродният диоксид в атмосферата физически води до повишаване на температурите на земята, той има химичен ефект в морската вода. Подкисляването с газове може да се отдаде само на CO2; емисиите на други парникови газове като метан или азотен оксид не допринасят за това. Освен това влаганите киселини като разредена киселина и други замърсявания на околната среда играят определена роля.
Последиците от това подкисляване първоначално засягат организми, които образуват варовити скелети, чиято способност да образуват защитни обвивки или вътрешни скелети намалява, когато стойността на рН спадне. Тъй като тези видове често формират основата на хранителните вериги в океаните, това може да има допълнителни сериозни последици за многобройните морски същества, които зависят от тях и в резултат на хората, които зависят от тях.
Подкисляването на океана също е предмет на проекта Future Ocean.
рН на океана
Стойността на pH е определена за идеално разредени разтвори и следователно не е пряко приложима за солена морска вода. За да могат да се осигурят средни стойности за морска вода, трябва да се използват и модели за симулиране на химическо равновесие на океана. За тази цел в момента се използват три различни модела с получените скали, които са на разстояние до 0,12 единици. Следователно средните стойности могат да се сравняват само в рамките на основния модел. [3] [4]
Морската вода е слабо алкална със стойност на рН около 8. Според резюме на Британското кралско общество днешните повърхностни води на моретата обикновено имат стойности на рН между 7,9 и 8,25 до дълбочина 50 m, със средна стойност 8,08. [1] Основните причини за тази разлика от 0,25 единици са температурата на водата, местната плаваемост на богатата на въглероден диоксид дълбока вода, както и биологичната производителност, която там, където е висока, свързва много въглероден диоксид под формата на морски живот и по-дълбоко Транспортирани слоеве вода.
Един от начините за възстановяване на предишни стойности на pH е да се анализират утайките. От изотопния състав на борните хидроксиди може да се определи, че стойността на рН на морската повърхност е била около 7,4 ± 0,2 преди около 21 милиона години, докато е достигнала преди 8,2 ± около 7,5 милиона години 0,2 роза. [5] Тъй като стойността на рН на океаните е пряко свързана с концентрацията на въглероден диоксид в атмосферата чрез коефициента на Хенри, концентрациите на палео-CO2 също могат да бъдат определени по този начин. До началото на подкисляването на океана в резултат на настъпването на индустриализацията през 18 век и нарастващите емисии на въглероден диоксид, тази стойност остава приблизително постоянна.
Според проучване на Станфордския университет, което приема прединдустриална стойност на рН на морската вода в близост до повърхността средно 8,25, стойността на рН е намаляла до сегашната стойност от 8,14 поради поглъщането на въглероден диоксид. [6] Съвместно проучване от САЩ от Националната научна фондация (NSF), Националната администрация за океани и атмосфера (NOAA) и Геологическото проучване на САЩ (USGS) стига до заключението, че средната стойност на pH преди индустриализацията е 8,16, спрямо 8,05 днес. [7] И в двата случая подкисляването се дължи на човешките емисии на въглероден диоксид и се оценява на 0,11 рН единици.
Океаните като мивка за въглерод
Океаните играят важна роля в въглеродния цикъл на Земята като поглътител на въглерод, тъй като 70 процента от земната повърхност е покрита от вода. Около 38 000 гигатона (Gt) въглерод се съхраняват в цялата хидросфера. Въглеродният диоксид попада в океана поради разликата в парциалното налягане на CO2. Газът винаги тече от зоната с по-високо парциално налягане (атмосфера) към зоната с по-ниско налягане (океан). Въглеродният диоксид се разтваря в морето, докато парциалното налягане в атмосферата и в морето не бъде еднакво. И обратно, той също избягва отново, когато налягането в атмосферата е по-ниско, отколкото в морето. Температурата на морето също влияе върху усвояването на въглероден диоксид, тъй като водата може да абсорбира по-малко въглероден диоксид с повишаване на температурата.
Погълнатият от атмосферата въглерод се разпределя в океана в рамките на няколко години в морския слой, осветен от слънцето. Има два механизма за навлизане в още по-големи дълбочини. Най-важно е т.нар физическа въглеродна помпа, Богатата на въглерод повърхностна вода в Арктика се охлажда и става по-тежка, потъва и се разпределя върху големи площи в дълбините на океаните от студените дълбоки течения на глобалния транспортен пояс. По-малко важно, но не маловажно е т.нар биологична въглеродна помпа, при въглерода като Морски сняг (дъжд от биогенни частици) потъва в по-дълбоките региони. Необходими са стотици до хиляди години, докато антропогенният CO2, абсорбиран от атмосферата, проникне в океаните в най-дълбоките слоеве на водата и ги разпредели; днес той може да бъде открит до средна дълбочина от 1000 m. [2] В подножието, по континенталните склонове и в плитките морета (например в части от морето на Уедъл) [8] антропогенният CO2 вече може да достигне морското дъно.
Повишеното количество въглероден диоксид в земната атмосфера през последните 200 години е довело до поглъщане от океаните на 118 ± 19 Gt въглерод или 27% до 34% от антропогенните емисии на CO2. [9] През 2006 г. 36,3 Gt допълнителен CO2, произведен от хората, или около 9,9 Gt въглерод са изпуснати в атмосферата по целия свят. [10] Включително природните източници, хидросферата понастоящем поглъща приблизително 92 Gt атмосферен въглерод годишно. Около 90 Gt от това се отделя от световния океан и там се съхраняват 2 ± 1 Gt. [2] Изследване, публикувано през 2003 г., оценява приемането на въглерод малко по-точно в периода 1980–1989 г. при 1.6 ± 0.4 Gt и между 1990 и 1999 г. при 2.0 ± 0.4 Gt годишно. [11]
Химичен процес на подкисляване
Въглеродният диоксид от въздуха може да се разтвори в морската вода и след това е до голяма степен под формата на различни неорганични съединения, чиито относителни пропорции отразяват рН на океаните. Неорганичният въглерод се намира в океана до приблизително 1% във въглеродната киселина и въглеродния диоксид, приблизително 91% във водородните карбонатни йони (HCO3 -) и приблизително 8% в карбонатните йони (CO3 2−). Въглеродният диоксид, разтворен във вода, е в равновесие с водороден карбонат, карбонатни и оксониеви йони (хидрониеви йони) чрез следните реакционни уравнения:
Произведените в този процес оксониеви йони (H3O +) причиняват спада на стойността на рН, което се определя като отрицателния декаден логаритъм на моларната концентрация (по-точно: активността) на оксониевите йони.
Подкисляването чрез разтворен CO2 противодейства на наличието на калциев карбонат (CaCO3), който действа с хидроген карбонат и карбонатни йони като химическа буферна система (→ буферен разтвор) и по този начин свързва протоните:
$ \ mathrm_3 \ rightleftharpoons \ mathrm ^ + \ mathrm_3 ^ $ $ \ mathrm < H^+ + CO_3^\rightleftharpoons HCO_3^- > $
Както всички карбонати на алкалоземните метали, калциевият карбонат е слабо разтворим във вода. Калциевият карбонат в морската вода по същество идва от два източника, а именно утайки на морското дъно и навлизането от притока на прясна вода. Карбонатът попада в последния чрез изветрянето на варовити скали. За да може утайката да помогне за неутрализирането на подкисляването, съдържащият се в нея калциев карбонат трябва да се разтвори и да се пренесе чрез циркулация от морското дъно до по-високите водни слоеве. Ако в моделните изчисления се приеме, че вложените данни за времето са постоянни (с 0,145 Gt въглерод годишно под формата на карбонат), подкисляването на океаните би довело до обръщане на скоростта на образуване на утайки в рамките на няколкостотин години. Въвеждането на калциев карбонат, свързано с атмосферните влияния, може да компенсира този ефект едва след период от около 8000 години. [12]
Значителни количества калциев карбонат в утайката се произвеждат от калцитообразуващия планктон, особено глобигерините (група фораминифери), коколитофорите (група варовити водорасли) и птероподите. По-малки количества се образуват например в коралови рифове. Планктонът може да се отложи на дъното на морето под формата на богати на карбонати биогенни утайки (варови утайки), ако дълбочината на водата не е твърде голяма. От друга страна, ако дълбочините на компенсация на калцит и арагонит за калциевите карбонати калцит и арагонит са превишени, те се разтварят напълно. Тези дълбочини на компенсация се движат нагоре в хода на подкисляването и толкова големи количества варовик се разтварят на морското дъно. За арагонита днес е установено увеличение от 400 м до 2500 м след индустриализацията. До 2050 г. се очаква допълнително увеличение от 700 м. [13] [14] На 300 до 800 m над дълбочината на компенсация на калцита е лизоклинът, зоната във водата, от която започва процесът на разтваряне. В резултат на това твърдите карбонати като калциевия карбонат също могат да се разтварят в по-плитки участъци, докато разтворът отново се насити с карбонатни йони. Уравнението на реакцията за варовия разтвор е: [15]
Последици за морския живот и океанската екосистема
При морски организми, които са изложени на морска вода с повишено съдържание на CO2, протича процес, който е много подобен на разтварянето на CO2 в океана. CO2 може да мигрира безпрепятствено през клетъчните мембрани като газ и по този начин променя стойността на рН на телесните клетки и кръвта или хемолимфата. Промяната в естествения киселинно-алкален баланс трябва да бъде компенсирана от организма, което някои животински видове правят по-добре, а други по-лошо. Постоянното изместване на киселинно-алкалните параметри в организма може да влоши растежа или плодовитостта и в най-лошия случай да застраши оцеляването на даден вид. [16]
Увреждане на корали
Разтворът на въглероден диоксид забавя глобалното затопляне, но полученото бавно подкисляване на океаните може да има сериозни последици за животните със защитен слой калциев карбонат (или просто вар). [17] [7] [15] Както е описано по-горе, химическото равновесие на океаните се променя за сметка на карбонатните йони. Тяхната връзка с калция в морската вода за образуване на калциев карбонат е от жизненоважно значение за морския живот, който образува варови черупки. Океанът, който става все по-кисел, възпрепятства биоминерализацията на коралите, както и на микроорганизмите като малки морски охлюви и зоопланктон, въпреки че някои от тези организми специално повишават стойността на pH на водата чрез намаляване на количеството разтворен въглероден диоксид, когато варовите кристали се генерират в собствените им клетки. [18]
Други организми, които са важни за образуването на рифове, също вероятно ще страдат от подкисляване. В седемседмичен експеримент червените водорасли от семейство Corallinaceae, които играят важна роля в развитието на кораловите рифове, са били изложени на изкуствено подкиселена морска вода. В сравнение с групата за сравнение, скоростта на възпроизводство и растеж на водорасли в кисела вода рязко спаднаха. Предвид условията, при които стойността на рН в океаните продължава да пада, това вероятно ще има значителни последици за засегнатите коралови рифове. [22]
Нарушаване на други морски живот
Скоростта на калциране на мидите може да намалее с 25%, а на тихоокеанската стрида с 10% до края на 21 век. Учените достигнаха до тези стойности, следвайки специфичен сценарий от IPCC, който предвижда концентрация на CO2 в атмосферата от около 740 ppm до 2100 г. Над граничната стойност от 1800 ppm, мидната обвивка дори започва да се разтваря, което обикновено застрашава биологичното разнообразие на крайбрежието и заплашва значителни икономически щети. [27]
Океанската хранителна верига се основава на планктон. Особено варовити водорасли (т.нар Haptophyta) са зависими от образуването на варовита черупка, за да оцелеят. Ако това вече не е възможно поради подкисляването, това може да има далечни последици за хранителната верига на океаните. [28] Изследване, публикувано през 2004 г. от бившия Институт за морски науки на Лайбниц, посочва многобройните сложни ефекти, които по-ниската стойност на рН може да има върху планктона, включително по-лошата начална позиция за калциране на животински организми в сравнение с фитопланктона (плаващи водорасли). В същото време се подчертава несигурното състояние на изследванията, което понастоящем не позволява никакви далечни прогнози за развитието на цели екосистеми. [29] Намира се намаляваща степен на калцификация във фораминиферите от порядъка Globigerinida в южния океан. Едноклетъчните фораминифери са отговорни за една четвърт до половината от общия океански въглероден поток. В разследванията е направено за фораминиферите Булоиди на Globigerina установи, че теглото на варовитата обвивка е с 30 до 35% по-малко от това на мъртвите екземпляри, извлечени от утайките. Последиците от по-нататъшно намаляване на рН са несигурни. [30]
Изследванията върху влиянието на по-ниска стойност на pH върху по-големите морски животни показват, че например хвърлят хайвера и ларвите могат да бъдат повредени. Тестовете са проведени при много по-ниски стойности на pH, отколкото може да се очаква в близко бъдеще, така че те да са с ограничена информативна стойност. [1]
Настоящо и бъдещо развитие
В подробно осемгодишно разследване на американския остров Татуш, близо до полуостров Олимпик в щата Вашингтон, местната стойност на рН варира значително повече през деня и през годината, отколкото се предполагаше преди това, а именно до една рН единица в рамките на една година и с 1,5 единици в периода на изследване 2000-2007. В същото време общата концентрация на рН намаля значително, със средно -0,045 единици годишно, значително по-бързо от изчисленото по модели. Тези намаления оказаха забележим ефект върху местната биология. Впоследствие калифорнийските миди, миди и зърна намаляват, докато различните зърна и някои видове водорасли се увеличават. [33]
Без потъващия ефект на океаните, атмосферната концентрация на въглероден диоксид днес би била с 55 ppm по-висока, т.е. най-малко 435 ppm вместо сегашните 380 ppm. За период от векове океаните трябва да могат да поемат между 65% и 92% от антропогенните емисии на CO2. Явления като нарастващия фактор на Revelle обаче гарантират, че с повишаване на температурите и нарастващ процент на атмосферния CO2 способността на океаните да абсорбират въглерод намалява. [9] Към 2100 г. капацитетът на водата да абсорбира CO2 вероятно ще намалее с около 7-10%. [34] Затоплянето на морската вода също води до намалено усвояване на въглероден диоксид, вероятно с 9-14% до края на 21 век. [35]
Като цяло, според изчисленията на модела, способността на океаните да потънат вероятно ще намалее с около 5-16% до края на 21-ви век. [34] Има доказателства, че този процес може вече да е започнал. В сравнение с теоретично очакваното усвояване, Южният океан очевидно е приемал 0,08 Gt въглерод годишно между 1981 и 2004 г. твърде малко. [36] Това е особено важно, тъй като моретата на юг от 30 ° юг (Южният океан е на юг от 60 ° юг) поглъщат между една трета и половината от въглеродния диоксид, свързан с океаните по целия свят. [37] В Северния Атлантик абсорбционният капацитет не само отслабва теоретично, но всъщност намалява между 1994–1995 и 2002–2005 с повече от 50% или с около 0,24 Gt въглерод. [38] Това показва значително намален буферен капацитет на морето за атмосферен въглероден диоксид. [39] И в двата случая промените във ветровете или намаляващото смесване на повърхностни и дълбоки води вероятно са отговорни за спада.
Ако концентрацията на CO2 в атмосферата се удвои в сравнение с доиндустриалното ниво от 280 ppm (части на милион), се очаква по-нататъшно намаляване на стойността на рН до 7,91, с утрояване до 7,76 [7] или с около 0,5 точки. [1] До края на 21-ви век в океаните се очаква такава ниска стойност на рН, тъй като не е настъпила поне 650 000 години. Ако периодът на оценката бъде удължен с няколко века в бъдеще, изглежда възможно понижаване на стойността на рН с до 0,7 пункта. Този най-лош сценарий предполага, че по-голямата част от изкопаемите горива, които все още са на разположение, се консумират, включително отпадъците от отпадъци, които не са икономически използваеми. Това вероятно би било по-голямо подкисляване от всякога през последните 300 милиона години, с възможно изключение на редки и екстремни катастрофални събития. [19] Такова хипотетично състояние едва ли би било обратимо в човешки времеви мащаб; ще отнеме поне няколко десетки хиляди години, преди да се постигне естествената стойност на предииндустриалното рН отново, ако изобщо.