Океаны стали самыми кислыми за 14 млн. лет. О закислении океана и чем это грозит
Часто мы слышим о вреде выбросов углекислого газа в атмосферу, его роли в парниковом эффекте и, как следствие, глобальном потеплении. На этом роль углекислого газа не заканчивается.
Газ, попавший в атмосферу, со временем растворяется в океанах, озерах, реках и др. водоёмах, вызывая их постепенное окисление. Такая среда становится губительной для многих морских организмов.
Среда становится кислой, когда количество ионов H + в среде больше, чем ионов OH − . Мера активности ионов водорода H + в среде, количественно выражающая ее кислотность, определяется его уровнем pH.
За последние 245 лет уровень pH поверхности океана снизился на 0.1. На первый взгляд несущественное изменение уровня рH говорит о значительном увеличении в воде концентрации ионов водорода H + — на 30%.
Карбоновый цикл
Около 35% углекислого газа антропогенного происхождения, выброшенного в атмосферу, поглощается океаном. Как только углегислый газ вступает в реакцию с молекулами воды, образуется угольная кислота H2CO3, высвобождяющая ион водорода H + и гидрокарбонат HCO3 − .
Чем больше количество ионов водорода H + , тем кислотность океана выше и соответственно уровень рН ниже. Чем дольше продолжается эмиссия CO2 в атмосферу, тем сильнее закисляется океан.
Влияние на экосистемы. Декальцификация
Изменение химического состава мирового океана напрямую влияет на его обитателей. Последствия для организмов, раковины которых состоят из карбоната кальция CaCO3 с помощью процесса кальцификации. В результате окисления, они теряют способность образовывать свои раковины. Так как эти виды лежат в основах пищевых цепочек, это может сказаться на высших организмах и человеке.
Процесс кальцификации можно охарактеризовать как обратимую реакцию Ca 2+ + CO3 2− ⇌ CaCO3. Растворенные в воде кальций Ca 2+ преобразуется моллюсками и другими организмами в твердые структуры раковин, представляющих CaCO3 .
В норме окружающие воды, насыщены ионами CO3 2− , т.е. находятся выше точки насыщения — точки, в которой раствор вещества далее не может растворять это вещество, и дополнительное количество вещества будет выпадать нерастворимым осадком. И вновь сформированные структуры из CaCO3 не подвергнуты растворению.
Если же концентрация ионов CO3 2− ниже точки насыщения, образовавшиеся структуры начинают растворяться. Понижение уровня pH (увеличение H + ) ведет к уменьшению концентрации карбонат-ионов в воде.
Влияние углекислого газана процесс кальцификации
Ионы гидрокарбоната взаимодействует с уже имеющимися в системе ионами водорода: HCO3 − + H + ⇌ CO3 2− + 2 H + .
В результате реакции ионов водорода образуется в два раза больше, чем ионов карбоната. Свободные ионы водорода начинают вступать в реакцию с уже имеющимися в системе ионами карбоната, уменьшая тем самым концентрацию CO3 2− в системе.
В норме дисбаланс восстанавливается поступающими с морского дна хранилища CaCO3, но резкий рост сжигаемого топлива и рост антропогенной эмиссии углекислого газа природа не в состоянии перекрыть.
Живые организмы и окисление океана
Одноклеточный планктон, кораллы, раковинные одноклеточные, иглокожие, ракообразные и моллюски при нормальных условиях устойчивы в поверхностных водах, так как ион карбоната находится в перенасыщенных концентрациях. Однако по мере того, как падает рН океана, концентрация ионов карбоната, необходимых для насыщения, падает, и когда окрыжающие воды становятся ненасыщенными, структуры, состоящие из карбоната кальция, подвергаются растворению.
Особенно заметны последствия закисления на таких чувствительных индикаторах состояния окружающей среды, как кораллы. С повышением кислотности океана рост экзоскелета может замедлиться в том числе и остановиться полностью. Некоторые организмы могут остановить свой рост и поддерживать только процесс сохранения кальцификации.
Другие возможные последствия
Повышенное поступление углекислого газа может вызывать у живых организмов гиперкапнию — состояние, вызванное избыточным количеством углекислого газа в крови. Были также замечены снижение метаболизма у кальмаров, снижение иммунного ответа у голубых мидий. Рыба-клоун теряет способность определять запах хищника, а также слышать звуки приближающихся хищников.
Возможно, более кислая среда изменяет акустические свойства морской воды, позволяя звуку распространяться дольше и увеличивая шум океана. Это затрагивает всех животных, которые используют эхолокацию для общения. Малькам атлантических лосесывых в более кислой среде необходимо больше времени для созревания. Частота красных приливов также может стать выше.
Источник
Как происходит закисление океана
Репост
Океаны серьезно страдают из-за изменения климата! Постепенно их воды закисляются и становятся непригодными для жизни подводных обитателей, и сейчас изменения происходят быстрее, чем когда-либо в геологической истории.
Большинство существ, обитающих в океане, чувствительны к незначительным изменениям кислотности их среды обитания. Особенно тяжело переносят изменения уровня кислотности кораллы, устрицы и другие существа с тонкими карбонатными раковинами и скелетами. Даже очень незначительные изменения кислотного баланса океана их ослабляют – подобно тому, как кислотные дожди разъедают скульптуры и здания из известняка.
Почему происходит закисление океана? Виной тому, в первую очередь, выброс углекислого газа в атмосферу в результате сжигания ископаемого топлива.
Океаны всегда поглощали и выделяли углекислый газ, перемещая углерод из атмосферы в воду. Но эта циркуляция происходила медленно, обычно в течение тысяч или десятков тысяч лет.
Человеческая деятельность нарушила эти естественные медленные темпы. С начала промышленной революции в середине 18-го века из-за человеческой деятельности в атмосферу было выброшено около 400 миллиардов тонн углерода – это побочный продукт огромного количества ископаемого топлива, которое мы сжигаем для получения энергии.
Большая часть этого углерода в газообразной форме двуокиси углерода (CO2) остается в атмосфере, где задерживает тепло и способствует нагреванию планеты. Но каждый год океан поглощает около 25% всех этих выбросов CO2. За последние несколько сотен лет около 30% всех выбросов двуокиси углерода проникли в океанские воды.
Для общего состояния планеты это плюс – в ином случае она нагревалась бы еще быстрее. Но океанам поглощение углерода на пользу не идет.
В мгновение ока
В конце 1700-х океанские воды были стабильно слабощелочными, их pH составлял около 8,1. (Чем больше кислотность вещества, тем ниже его показатель рН. Например, кислотность полностью дистиллированной воды по шкале рН – около 7; кислотность лимонного сока и уксуса – от 2 до 3).
Ранее изменения кислотности океанских вод были заметны лишь в огромных экологических масштабах. Воды понемногу закислялись в течение десятков тысяч лет, и у подводных жителей было достаточно времени, чтобы приспособиться к этим изменениям.
Однако с момента начала промышленной революции показатель рН упал примерно на 0,1 единицы – в геологических или эволюционных масштабах это мгновение ока. Казалось бы, это небольшой сдвиг, но он, фактически, означает, что вода стала кислее примерно на 28%!
Столь стремительные изменения являются угрозой жизни морских существ. Закисленные воды размягчают раковины морских гребешков, замедляют линьку крабов, разрушают кораллы, дезориентируют рыб. Закисление может даже изменить то, как передаются звуки под водой, поскольку водная среда становится более шумной.
Будущее океанов может оказаться еще менее радужным. По прогнозам ученых, к 2050 году 86% вод мирового океана станут более теплыми и кислыми, чем когда-либо в современной истории. К 2100 году pH поверхности океана может упасть до уровня ниже 7,8, или более чем на 150% по сравнению с сегодняшним уже печальным состоянием – а в некоторых особенно подверженных изменениям частях планеты, таких как Северный Ледовитый океан, возможно, еще сильнее.
Источник
Что угрожает мировому океану? «Кислотный океан»
Технологический прогресс ознаменовался не только поразительными успехами, но и величайшими катастрофами. Многие экологические проблемы, которые пророчат ученые со всего мира уже сейчас, кажутся нам невероятными и слишком пугающими, чтобы быть правдой. Однако истина одна – наши активные и, порой, необдуманные действия стремительно разрушают экосистему и весь окружающий мир.
Значение кислотности океана
Кислотность океана является предвестником сразу ряда катастроф. Пока что мы не видим, к чему постепенно приближается наша планета, её состояние, как при множестве опасных болезней, находится в периоде так называемого «окна», когда симптомы еще не проявились, но организм уже сильно задет.
Вначале, когда ученые определили, что океан поглощает углекислый газ из атмосферы, они сильно обрадовались такому подарку.
Закисление океана — образование участков разбавленной кислоты в воде. Появляются такие участки из-за того, что ежедневно океан поглощает несколько десятков миллионов тонн углекислого газа. Он образуется в ходе выбросов заводов, производств, а также выхлопов автомобилей – всего, что ныне представляет нашу обыденность. И, казалось бы, нам уже известны технологии, способные уменьшить выбросы – экологический транспорт, поглощающий вместо бензина электричество, заводы, не загрязняющие воздух. Эти разработки давно не новость и они учитывают не только потребности людей в данную минуту, а также являются этическим решением, которое не упускает из виду дальновидность вопроса и жизнь других экосистем в данный момент. Мы можем закрыть глаза на проблему сейчас, когда изменения не отмечаются повсеместно, но как долго это «сейчас» продлится и какой продукт мы получим на исходе – это уже совершенно другой вопрос. Очищение окружающей среды от наших же собственных деяний – разве это не прекрасно? Однако цена услуг океана оказалась слишком высокой. Повышенный уровень углекислого газа негативно влияет на природу, ибо меняется химический состав воды — основы всего живого на Земле.
Последствия повышения кислотности океана
Первыми изменения заметили рыбаки и «фермеры», которые занимаются разведением устриц. Агрессивная среда привела к тому, что мальки быстро умирали. Проведя исследование, специалисты установили, что в воде недостаточный уровень РН, который является стандартным показателем уровня кислотности воды. Чем ниже этот показатель, тем выше кислотность. В ходе всяких экспериментов, они выявили, что обычная пищевая сода может решить этот вопрос – она нормализировала уровень РН, но, к сожалению, мы не сумеем провернуть такое со всем океаном.
Вероятно, один из самых обсуждаемых ныне вопросов – глобальное потепление, является последствием повышения кислотности воды в океане. Под угрозой находятся виды животных, которые в ходе эволюции научились выживать в таких суровых условиях и перемена погоды пагубно на них влияет. Уже сейчас заметно сокращается популяция арктических животных, изнемогающих от жары и голода.
Однако, глобальное потепление – не единственное последствие, которое нанесет нам сокрушительный удар. Не менее значимым является разрушение подводных рифов. Рифы служат морю, как деревья земле — они очищают окружающую среду, но они также являются очень чувствительными к любым изменениям, а окисление океана входит в ряд причин, по которым рифы могут «погибнуть», если не приспособляться к агрессивной воде. Коралловые рифы служат домом очень большому проценту подводных жителей, но они могут исчезнуть, ведь они состоят из известняка, который не сможет существовать под действием кислоты. В опасности находятся не только рифы, но и экономика, завязанная на рыбе.
Есть ли выход из ситуации?
Природе известны исключения. В Папуа-Новой Гвинее есть риф, который живет в условиях кислотности уже очень долго. Находится он недалеко от вулкана и в результате подземной активности из земли выделяется чистый углекислый газ, при этом, окружающая среда не страдает от этого.
Исследователи утверждают, что единственная надежда экосистемам выжить в такой среде – приспособиться к ней, эволюционировать, как это произошло в Новой Гвинее. Если мы не сбавим свои темпы и продолжим с закрытыми глазами идти на ощупь, то все, что остается нашей природе – последовать за нами. Но нужно также учитывать, что если природа не вынесет наших темпов то мы очень быстро последуем за ней.
Если ты хочешь знать больше о технике, науке, изобретениях и технологиях и засекреченном, тогда нажимай наПОДПИСКУ А чтобы у меня было больше вдохновения,ставь лайк этой статье!
Источник
Подкисление океана — Ocean acidification
Окисление океана является продолжающееся снижение рН из Земли «ы океанов , вызванных поглощением диоксида углерода ( СО 2 ) из атмосферы . Основная причина закисления океана — сжигание ископаемого топлива . Забортной слегка основным (значение рН> 7), и подкисление океана включает в себя сдвиг в сторону рН-нейтральных условиях , а не переход к кислой среде (рН + ). В период с 1751 по 1996 год pH поверхности океана, по оценкам, снизился примерно с 8,25 до 8,14, что представляет собой увеличение почти на 30% концентрации ионов H + в мировом океане. Модели системы Земли прогнозируют, что примерно к 2008 году кислотность океана превысила исторические аналоги и, в сочетании с другими биогеохимическими изменениями океана , могла подорвать функционирование морских экосистем и нарушить предоставление многих товаров и услуг, связанных с океаном, начиная с 2100 года. .
Считается, что повышение кислотности имеет ряд потенциально вредных последствий для морских организмов, таких как снижение скорости метаболизма и иммунных реакций у некоторых организмов и обесцвечивание кораллов . Увеличивая присутствие свободных ионов водорода, дополнительная угольная кислота, которая образуется в океанах, в конечном итоге приводит к превращению ионов карбоната в ионы бикарбоната. Щелочность океана (примерно равная [HCO 3 — ] + 2 [CO 3 2- ]) не изменяется в процессе или может увеличиваться в течение длительных периодов времени из-за растворения карбонатов . Это чистое уменьшение количества доступных карбонат- ионов может затруднить образование биогенного карбоната кальция морскими кальцифицирующими организмами, такими как кораллы и некоторые виды планктона , и такие структуры становятся уязвимыми для растворения. Продолжающееся закисление океанов может поставить под угрозу будущие пищевые цепи, связанные с океанами. В качестве членов Межакадемической , 105 академий наук опубликовали заявление о подкислении океана , рекомендующем , что к 2050 году глобальный CO 2 выбросы должны быть сокращены не менее чем на 50% по сравнению с уровнем 1990 года. Чтобы свести к минимуму закисление океана, цель 14 в области устойчивого развития Организации Объединенных Наций («Жизнь под водой») направлена на обеспечение сохранения и устойчивого использования океанов.
Последние исследования ставят под сомнение потенциальное негативное влияние уровня закисления океана в конце века на поведение коралловых рыб и предполагают, что это влияние может быть незначительным. Противоречиво, лабораторные эксперименты в контролируемой среде показали, что CO 2 индуцированный рост видов фитопланктона. Полевое исследование коралловых рифов в Квинсленде и Западной Австралии с 2007 по 2012 год показывает, что кораллы более устойчивы к изменениям pH окружающей среды, чем считалось ранее, из-за внутренней регуляции гомеостаза; это делает тепловые изменения, а не подкисление, главным фактором уязвимости коралловых рифов из-за глобального потепления.
Хотя продолжающееся закисление океана, по крайней мере, частично имеет антропогенное происхождение, оно происходило и ранее в истории Земли, и в результате экологический коллапс в океанах имел долгосрочные последствия для глобального круговорота углерода и климата. Наиболее ярким примером является палеоцен-эоценовый термальный максимум (ПЭТМ), который произошел примерно 56 миллионов лет назад, когда огромное количество углерода проникло в океан и атмосферу и привело к растворению карбонатных отложений во всех океанских бассейнах.
Подкисление океана сравнивают с антропогенным изменением климата и называют «злым двойником глобального потепления » и «другим углекислым газом». 2 проблема «. Пресноводные водоемы также, кажется, подкисляются, хотя это более сложное и менее очевидное явление.
СОДЕРЖАНИЕ
Углеродный цикл
Углеродный цикл описывает потоки углекислого газа ( CO 2 ) между океанами, земной биосферой , литосферой и атмосферой . Человеческая деятельность , такие как сжигание в ископаемом топливе и землепользования изменений привели к новому потоку CO 2 в атмосферу. Около 45% осталось в атмосфере; большая часть остального была занята океанами, а часть — наземными растениями.
Углеродный цикл включает как органические соединения, такие как целлюлоза, так и неорганические соединения углерода, такие как диоксид углерода , карбонат-ион и бикарбонат-ион . Неорганические соединения особенно важны при обсуждении закисления океана, поскольку они включают множество форм растворенного CO. 2 присутствует в океанах Земли.
Когда CO 2 растворяется, он реагирует с водой с образованием баланса ионных и неионных химических веществ: растворенный свободный диоксид углерода ( CO 2 (водн.) ), угольная кислота ( H 2 CO 3 ), бикарбонат ( HCO — 3 ) и карбонат ( CO 2- 3 ). Соотношение этих видов зависит от таких факторов, как температура морской воды , давление и соленость (как показано на графике Бьеррума ). Эти различные формы растворенного неорганического углерода переносятся с поверхности океана в его недра с помощью насоса растворимости океана .
Устойчивость области океана к поглощению атмосферного CO 2 известен как фактор Ревелла .
Подкисление
Растворение CO 2 в морской воде увеличивает ион водорода ( H + ) концентрации в океане и, таким образом, снижает pH океана следующим образом:
Калдейра и Викетт (2003) поместили скорость и величину современных изменений закисления океана в контекст вероятных исторических изменений за последние 300 миллионов лет.
С начала промышленной революции океан поглотил около трети углекислого газа. 2 мы производили с тех пор, и по оценкам, pH поверхности океана упал чуть более чем на 0,1 единицы по логарифмической шкале pH, что составляет примерно 29% увеличение H + . Ожидается, что к 2100 году она упадет еще на 0,3–0,5 единиц pH (дополнительное увеличение вдвое до утроения сегодняшних постиндустриальных концентраций кислоты), поскольку океаны поглощают больше антропогенного CO. 2 , наиболее тяжелые последствия для коралловых рифов и Южного океана . Прогнозируется, что эти изменения будут ускоряться по мере увеличения антропогенного CO 2 выбрасывается в атмосферу и поглощается океанами. Степень изменения химического состава океана , включая рН океана, будет зависеть от путей смягчения последствий и выбросов, принятых обществом.
Хотя самые большие изменения ожидаются в будущем, отчет ученых NOAA показал, что большие количества воды, недонасыщенной арагонитом , уже поднимаются в районе тихоокеанского континентального шельфа в Северной Америке. Континентальные шельфы играют важную роль в морских экосистемах, поскольку большинство морских организмов обитает или нерестится там, и хотя исследование касалось только территории от Ванкувера до Северной Калифорнии , авторы предполагают, что другие районы шельфа могут испытывать аналогичные эффекты.
Средний pH поверхности океана
Время
pH
изменение pH относительно доиндустриального
Источник
Изменение концентрации H + относительно доиндустриального
Доиндустриальный (18 век)
8,179
анализируемое поле
Недавнее прошлое (1990-е)
8,104
-0,075
поле
+ 18,9%
Настоящие уровни
8,069
-0,11
поле
+ 28,8%
2050 (2 × CO 2 = 560 частей на миллион)
7,949
-0,230
модель
+ 69,8%
2100 (IS92a)
7,824
-0,355
модель
+ 126,5%
Показатель
Если мы продолжим выбрасывать CO 2 с той же скоростью, к 2100 году кислотность океана увеличится примерно на 150 процентов, скорость, которой не наблюдалось в течение по крайней мере 400 000 лет.
Один из первых подробных наборов данных для изучения того, как pH изменялся в течение 8 лет в конкретном северном умеренном прибрежном районе, показал, что подкисление имеет сильную связь с динамикой бентических видов in situ и что изменение pH океана может привести к тому, что известковые виды будут работать хуже, чем некальцинозные видов в годы с низким pH и предсказывает последствия для прибрежных бентосных экосистем. Экологический переломный момент прогнозировался к 2030 году, но не позднее 2038 года. Томас Лавджой , бывший главный советник Всемирного банка по биоразнообразию, предположил, что «кислотность океанов увеличится более чем вдвое в следующие 40 лет. говорит, что эта скорость в 100 раз быстрее, чем любые изменения кислотности океана за последние 20 миллионов лет, поэтому маловероятно, что морская жизнь сможет каким-то образом приспособиться к этим изменениям ». Прогнозируется, что к 2100 году, если сопутствующие биогеохимические изменения повлияют на доставку товаров и услуг из океана, то они также могут оказать значительное влияние на благосостояние людей тех, кто в значительной степени полагается на океан в плане питания, работы и доходы. Группа экспертов, которые ранее участвовали в докладах МГЭИК, определила, что пока невозможно определить порог кислотности океана, который не следует превышать.
Часть серии о
Углеродный цикл
Общий углерод (TC)
Общий органический углерод (TOC)
Общий неорганический углерод (TIC)
Растворенный органический углерод (DOC)
Растворенный неорганический углерод (DIC)
Твердый органический углерод (POC)
Частичный неорганический углерод (PIC)
Текущие темпы закисления океана сравнивались с парниковым явлением на границе палеоцена и эоцена (около 55 миллионов лет назад), когда температура поверхности океана повысилась на 5–6 градусов Цельсия . В поверхностных экосистемах катастрофы не наблюдалось, однако живущие на дне организмы в глубоководных районах океана пережили серьезное вымирание. Нынешнее закисление приближается к уровням, превышающим все, что наблюдалось за последние 65 миллионов лет, и скорость увеличения примерно в десять раз превышает скорость, которая предшествовала массовому вымиранию палеоцена-эоцена. Текущее и прогнозируемое закисление было описано как почти беспрецедентное геологическое событие. В исследовании Национального исследовательского совета, опубликованном в апреле 2010 года, также сделан вывод о том, что «уровень кислоты в океанах растет беспрецедентными темпами». В статье 2012 года в журнале Science были исследованы геологические данные в попытке найти исторический аналог текущих глобальных условий, а также условий будущего. Исследователи определили, что нынешняя скорость закисления океана выше, чем когда-либо за последние 300 миллионов лет.
Обзор, проведенный учеными- климатологами в блоге RealClimate , отчета Королевского общества Великобритании за 2005 год, также подчеркнул центральную роль темпов изменений в нынешнем процессе антропогенного подкисления, написав:
«Естественный pH океана определяется необходимостью сбалансировать осаждение и захоронение CaCO. 3 на морском дне против притока Са 2+ и CO 2- 3 в океан из-за растворения горных пород на суше, называемого выветриванием. Эти процессы стабилизируют pH океана с помощью механизма, называемого CaCO. 3 компенсации . Смысл повторения этого вопроса состоит в том, чтобы отметить, что если CO 2 концентрация атмосферы изменяется медленнее, чем эта, как это всегда происходило на протяжении всей записи Востока , pH океана не будет изменен, потому что CaCO 3 компенсация может не отставать. [Настоящее] закисление ископаемого топлива происходит намного быстрее, чем естественные изменения, и поэтому выброс кислоты будет более интенсивным, чем Земля видела по крайней мере за 800 000 лет «.
Только за 15-летний период 1995–2010 годов кислотность увеличилась на 6 процентов в верхних 100 метрах Тихого океана от Гавайев до Аляски. Согласно заявлению в июле 2012 года Джейн Любченко , главы Национального управления океанических и атмосферных исследований США, «поверхностные воды меняются гораздо быстрее, чем предполагали первоначальные расчеты. Это еще одна причина для серьезного беспокойства по поводу количества углекислого газа, который сейчас в атмосфере, и мы продолжаем выпускать дополнительную сумму ».
Исследование 2013 года показало, что кислотность увеличивается в 10 раз быстрее, чем во время любого из эволюционных кризисов в истории Земли. В сводном отчете, опубликованном в журнале Science в 2015 году, 22 ведущих морских ученых заявили, что CO 2 от сжигания ископаемого топлива меняет химический состав океанов быстрее, чем когда-либо со времен Великого Умирания , самого серьезного известного события вымирания Земли, подчеркивая, что максимальное повышение температуры на 2 ° C, согласованное правительствами, отражает слишком небольшое сокращение выбросов, чтобы предотвратить «драматические воздействия» на мировые океаны, при этом ведущий автор Жан-Пьер Гаттузо отмечает, что «океан минимально рассматривался на предыдущих переговорах по климату. Наше исследование предоставляет убедительные аргументы в пользу радикальных изменений на конференции ООН (в Париже) по изменению климата «.
Скорость, с которой будет происходить закисление океана, может зависеть от скорости потепления поверхности океана, потому что химическое равновесие, определяющее pH морской воды, зависит от температуры. Более сильное потепление морской воды может привести к меньшему изменению pH при заданном увеличении CO 2 .
Кальцификация
Обзор
Изменения в химическом составе океана могут иметь обширное прямое и косвенное воздействие на организмы и их среду обитания. Одно из наиболее важных последствий повышения кислотности океана связано с производством раковин и пластин из карбоната кальция ( CaCO 3 ). Этот процесс называется кальцификацией и важен для биологии и выживания широкого круга морских организмов. Кальцификация включает осаждение растворенных ионов в твердый CaCO. 3 структуры, такие как кокколиты . После образования такие структуры уязвимы для растворения, если окружающая морская вода не содержит насыщающих концентраций карбонат-ионов (CO 3 2– ).
Механизм
Из дополнительного количества углекислого газа, добавляемого в океаны, часть остается в виде растворенного углекислого газа, а остальная часть вносит свой вклад в образование дополнительного бикарбоната (и дополнительной угольной кислоты). Это также увеличивает концентрацию ионов водорода, и процентное увеличение водорода больше, чем процентное увеличение бикарбоната, создавая дисбаланс в реакции HCO 3 — CO 3 2- + H + . Для поддержания химического равновесия некоторые карбонат-ионы, уже находящиеся в океане, соединяются с некоторыми ионами водорода с образованием дополнительного бикарбоната. Таким образом, концентрация карбонат-ионов в океане снижается, создавая дисбаланс в реакции Ca 2+ + CO 3 2- CaCO 3 и делая растворение образовавшегося CaCO 3 структур скорее.
Увеличение концентрации растворенного диоксида углерода и бикарбоната, а также уменьшение содержания карбоната показано на графике Бьеррума .
Состояние насыщения
Состояние насыщения (известное как Ω) морской воды для минерала является мерой термодинамического потенциала минерала для образования или растворения, а для карбоната кальция описывается следующим уравнением:
Ω знак равно [ Ca 2 + ] [ CO 3 2 — ] K s п <\ displaystyle <\ Omega>= <\ frac <\ left [<\ ce > \ right] \ left [<\ ce > \ right]> >>>
Здесь Ω — произведение концентраций (или активности ) реагирующих ионов, образующих минерал ( Ca 2+ и CO 2- 3 ), деленная на произведение концентраций этих ионов, когда минерал находится в состоянии равновесия ( K зр ), то есть когда минерал не образуется и не растворяется. В морской воде естественная горизонтальная граница образуется в результате температуры, давления и глубины и известна как горизонт насыщения. Выше этого горизонта насыщения Ω имеет значение больше 1, а CaCO 3 не растворяется быстро. В таких водах обитает большинство кальцифицирующих организмов. Ниже этой глубины Ω имеет значение меньше 1, а CaCO 3 растворится. Однако, если его производительность достаточно высока, чтобы компенсировать растворение, CaCO 3 все еще может происходить там, где Ω меньше 1. Глубина карбонатной компенсации возникает на глубине океана, где производство превышается за счет растворения.
Уменьшение концентрации CO 3 2− уменьшает Ω и, следовательно, делает CaCO 3 растворение скорее.
Карбонат кальция встречается в двух обычных полиморфных формах (кристаллических формах): арагоните и кальците . Арагонит гораздо более растворим, чем кальцит, поэтому горизонт насыщения арагонитом всегда ближе к поверхности, чем горизонт насыщения кальцита. Это также означает, что те организмы, которые производят арагонит, могут быть более уязвимы к изменениям кислотности океана, чем те, которые производят кальцит. Повышение CO 2 уровни, и, как следствие, более низкий pH морской воды снижает состояние насыщения CaCO 3 и приподнимает горизонты насыщения обеих форм ближе к поверхности. Это снижение состояния насыщения считается одним из основных факторов, ведущих к снижению кальцификации морских организмов, поскольку неорганическое осаждение CaCO 3 прямо пропорциональна его состоянию насыщения.
Возможные воздействия
Повышение кислотности может иметь вредные последствия, такие как снижение скорости метаболизма у гигантских кальмаров , подавление иммунных реакций голубых мидий и обесцвечивание кораллов . Однако это может принести пользу некоторым видам, например, увеличению скорости роста морской звезды Pisaster ochraceus , в то время как виды планктона с панцирем могут процветать в измененных океанах.
В отчетах «Резюме закисления океана для политиков за 2013 год» и утвержденном МГЭИК « Специальном докладе об океане и криосфере в условиях меняющегося климата » за 2019 год описываются результаты исследований и возможные последствия.
Воздействие на океанические кальцифицирующие организмы
Хотя естественное поглощение CO 2 Мировым океаном помогает смягчить климатические последствия антропогенных выбросов CO 2 , считается, что результирующее снижение pH будет иметь негативные последствия, в первую очередь для океанических кальцифицирующих организмов. Они охватывают пищевую цепочку от автотрофов до гетеротрофов и включают такие организмы, как кокколитофориды , кораллы , фораминиферы , иглокожие , ракообразные и моллюски . Как описано выше, при нормальных условиях кальцит и арагонит стабильны в поверхностных водах, поскольку карбонат-ион находится в сверхнасыщающих концентрациях. Однако по мере того, как pH океана падает, концентрация карбонат-ионов также уменьшается, и когда карбонат становится недонасыщенным, структуры из карбоната кальция становятся уязвимыми для растворения. Следовательно, даже если скорость кальцификации не меняется, скорость растворения известкового материала увеличивается.
Кораллы, кокколитофоридные водоросли, кораллиновые водоросли, фораминиферы, моллюски и крылоногие моллюски испытывают меньшую кальцификацию или повышенное растворение при воздействии повышенного содержания CO. 2 .
Королевское общество опубликовало всеобъемлющий обзор подкисления океана и его потенциальные последствия, в июне 2005 г. Тем не менее, некоторые исследования показали различную реакцию на подкисление океана, с кокколитофориды кальцификации и фотосинтез как увеличение при повышенном атмосферном р СО 2 , равное снижение первичной продукции и кальцификации в ответ на повышенный уровень CO 2 или направление реакции различается у разных видов. Исследование, проведенное в 2008 году по керну донных отложений в Северной Атлантике, показало, что, хотя видовой состав кокколитофорид оставался неизменным в промышленный период с 1780 по 2004 год, кальцификация кокколитов за это же время увеличилась на 40%. Исследование, проведенное в 2010 году Университетом Стоуни-Брук, показало, что, хотя некоторые районы подвергаются чрезмерному вылову, а другие рыболовные угодья восстанавливаются, из-за подкисления океана может оказаться невозможным вернуть многие предыдущие популяции моллюсков. Хотя полные экологические последствия этих изменений в кальцификации все еще не определены, похоже, что многие виды кальцификации будут подвергаться неблагоприятному воздействию.
При воздействии в экспериментах на pH, сниженный на 0,2–0,4 , личинки хрупкой звезды умеренного климата , родственника обыкновенной морской звезды, прожили менее 0,1% более восьми дней. Существует также предположение, что сокращение кокколитофорид может иметь вторичные последствия для климата, способствуя глобальному потеплению за счет уменьшения альбедо Земли за счет их воздействия на облачный покров океана . Все морские экосистемы на Земле будут подвержены изменениям подкисления и некоторым другим биогеохимическим изменениям океана.
Жидкость во внутренних отделах (кишечник), где кораллы растут свой экзоскелет , также чрезвычайно важна для роста кальцификации. Когда степень насыщения арагонитом внешней морской воды находится на уровне окружающей среды, кораллы будут быстро выращивать кристаллы арагонита во внутренних отсеках, следовательно, их экзоскелет быстро растет. Если уровень арагонита во внешней морской воде ниже, чем в окружающей среде, кораллам приходится усерднее работать, чтобы поддерживать правильный баланс во внутреннем отсеке. Когда это происходит, процесс роста кристаллов замедляется, и это замедляет скорость роста их экзоскелета. В зависимости от того, сколько арагонита содержится в окружающей воде, кораллы могут даже перестать расти, потому что уровень арагонита слишком низок для закачки во внутренний отсек. Они могут даже растворяться быстрее, чем превращать кристаллы в свой скелет, в зависимости от уровня арагонита в окружающей воде. При нынешнем росте выбросов углерода около 70% холодноводных кораллов в Северной Атлантике к 2050–60 гг. Будут жить в агрессивных водах.
Исследование, проведенное Океанографическим институтом Вудс-Хоул в январе 2018 года, показало, что на рост скелета кораллов в закисленных условиях в первую очередь влияет снижение способности строить плотные экзоскелеты, а не линейное удлинение экзоскелета. Используя глобальные климатические модели, они показывают, что к концу этого столетия плотность некоторых видов кораллов может снизиться более чем на 20%.
Проведенный на месте эксперимент на участке Большого Барьерного рифа площадью 400 м 2, направленный на снижение уровня CO 2 в морской воде (повышение pH) до уровня, близкого к доиндустриальному, показал 7% -ное увеличение чистой кальцификации. Подобный эксперимент по повышению уровня СО 2в морской воде (более низкий pH) до уровня, ожидаемого вскоре после середины этого столетия, показал, что чистая кальцификация снизилась на 34%.
Подкисление океана может вынудить некоторые организмы перераспределить ресурсы от конечных точек продуктивности, таких как рост, для поддержания кальцификации. Например, устрица Magallana gigas , как известно, испытывает метаболические изменения наряду с изменением скорости кальцификации из-за энергетических компромиссов в результате дисбаланса pH.
В некоторых местах со дна моря выходит углекислый газ, локально изменяя pH и другие аспекты химического состава морской воды. Исследования этих просачиваний углекислого газа задокументировали множество реакций различных организмов. Сообщества коралловых рифов, расположенные вблизи выходов углекислого газа, представляют особый интерес из-за чувствительности некоторых видов кораллов к подкислению. В Папуа-Новой Гвинее снижение pH, вызванное просачиванием углекислого газа, связано с уменьшением разнообразия видов кораллов. Однако на Палау просачивание углекислого газа не связано с уменьшением видового разнообразия кораллов, хотя биоэрозия коралловых скелетов намного выше на участках с низким pH.
Подкисление океана может повлиять на биологически обусловленное улавливание океаном углерода из атмосферы во внутренние части океана и донные отложения , ослабляя так называемый биологический насос . Подкисление морской воды также может привести к уменьшению размеров антарктических фитопланктонов и снижению их эффективности в хранении углерода. Такие изменения все чаще изучаются и синтезируются с использованием физиологических структур, в том числе каркаса пути неблагоприятных исходов (АОП) .
Другие биологические воздействия
Помимо замедления и / или обращения вспять кальцификации, организмы могут страдать от других неблагоприятных воздействий, либо косвенно через отрицательное воздействие на пищевые ресурсы, либо непосредственно в виде репродуктивных или физиологических эффектов. Например, повышенный уровень CO в океане 2 может производить CO 2 -индуцированное закисление жидкостей организма, известное как гиперкапния . Также считается, что повышение кислотности океана имеет ряд прямых последствий. Например, было замечено, что повышение кислотности: снижает скорость метаболизма гигантских кальмаров; подавляют иммунные реакции синих мидий. Возможно, это связано с тем, что закисление океана может изменить акустические свойства морской воды, позволяя звуку распространяться дальше и увеличивая шум океана. Это влияет на всех животных, которые используют звук для эхолокации или общения . Для вылупления яиц атлантического длинноперого кальмара в подкисленной воде требовалось больше времени, а статолит кальмара был меньше и имел неправильную форму у животных, помещенных в морскую воду с более низким pH. Нижний PH был смоделирован с 20-30-кратным нормальным количеством CO. 2 . Однако, как и в случае кальцификации, пока нет полного понимания этих процессов в морских организмах или экосистемах .
Другим возможным эффектом может стать усиление красных приливов , которые могут способствовать накоплению токсинов ( домовая кислота , бреветоксин , сакситоксин ) в небольших организмах, таких как анчоусы и моллюски , что, в свою очередь, увеличивает количество случаев амнезического отравления моллюсками , нейротоксических отравлений моллюсками и т. Д. паралитическое отравление моллюсками .
Хотя красный прилив вреден, другие полезные фотосинтезирующие организмы могут получить пользу от повышенного уровня углекислого газа. Самое главное, это принесет пользу морским травам. Эксперимент, проведенный в 2018 году, пришел к выводу, что по мере увеличения фотосинтетической активности морских водорослей скорость кальцификации кальцифицирующих водорослей возрастала. Это может быть потенциальным методом смягчения последствий в условиях повышения кислотности.
Воздействие на экосистему усиливается из-за потепления и деоксигенации океана
Хотя все последствия повышенного содержания CO 2 для морских экосистем все еще документируются, имеется значительный объем исследований, показывающих, что сочетание закисления океана и повышения температуры океана, вызванное в основном выбросами CO 2 и других парниковых газов, имеет комплексный эффект. по морской жизни и окружающей среде океана. Этот эффект намного превосходит индивидуальное вредное воздействие того и другого. Кроме того, потепление океана усугубляет дезоксигенацию океана , которая является дополнительным фактором стресса для морских организмов, за счет увеличения стратификации океана за счет эффектов плотности и растворимости, тем самым ограничивая питательные вещества, одновременно увеличивая метаболические потребности.
Мета-анализ количественно определил направление и масштабы вредного воздействия закисления, потепления и деоксигенации океана. Эти метаанализы были дополнительно проверены исследованиями мезокосма, которые моделировали взаимодействие этих стрессоров и обнаружили катастрофический эффект на морскую пищевую сеть, то есть увеличение потребления из-за теплового стресса более чем сводит на нет увеличение любого первичного продуцента до травоядных животных из-за повышенного содержания CO. 2 .
Небиологические воздействия
Не говоря уже о прямых биологических эффектах, ожидается, что закисление океана в будущем приведет к значительному уменьшению захоронения карбонатных отложений на несколько столетий и даже к растворению существующих карбонатных отложений. Это вызовет повышение щелочности океана , что приведет к превращению океана в резервуар для CO. 2 с последствиями для изменения климата, поскольку больше CO 2 уходит из атмосферы в океан.
Влияние на человеческую индустрию
Угроза закисления включает сокращение коммерческого рыболовства, а также арктического туризма и экономики. Промышленное рыболовство находится под угрозой, потому что подкисление вредит кальцифицирующим организмам, которые составляют основу арктических пищевых сетей .
Птероподы и хрупкие звезды составляют основу пищевых сетей Арктики и серьезно пострадали от подкисления. Раковины птероподов растворяются с увеличением закисления, и хрупкие звезды теряют мышечную массу при повторном росте придатков. Для создания панцирей птероподам необходим арагонит, который образуется из карбонат-ионов и растворенного кальция. Pteropods серьезно страдают, потому что повышение уровня подкисления неуклонно снижает количество воды, перенасыщенной карбонатом, которая необходима для образования арагонита. Арктические воды меняются настолько быстро, что уже в 2016 году они станут недосыщенными арагонитом. Кроме того, яйца хрупкой звезды погибают в течение нескольких дней при воздействии ожидаемых условий в результате закисления Арктики. Подкисление угрожает разрушить арктические пищевые сети снизу вверх. Пищевые сети Арктики считаются простыми, что означает, что в пищевой цепочке есть несколько шагов от мелких организмов до более крупных хищников. Например, крылоногие моллюски являются «основной добычей ряда высших хищников — более крупного планктона, рыб, морских птиц, китов». И птероподы, и морские звезды служат важным источником пищи, и их удаление из простой пищевой сети может создать серьезную угрозу для всей экосистемы. Воздействие на кальцифицирующие организмы в основе пищевых сетей потенциально может уничтожить рыбные промыслы. Стоимость рыбы, выловленной в ходе коммерческого рыболовства в США в 2007 году, оценивалась в 3,8 миллиарда долларов, из которых 73% были получены от кальцификаторов и их прямых хищников. Другие организмы получают прямой вред в результате подкисления. Например, уменьшение роста морских кальцификаторов, таких как американский лобстер , морской квахог и гребешок, означает, что меньше мяса моллюсков доступно для продажи и потребления. Промысел камчатского краба также находится под серьезной угрозой, потому что крабы являются кальцификаторами и зависят от карбонат-ионов для развития панциря. Молодь камчатского краба при повышенном уровне подкисления погибла на 100% через 95 дней. В 2006 году на камчатский краб приходилось 23% от общего рекомендуемого уровня вылова, и серьезное сокращение популяции красного краба поставило бы под угрозу промысловую отрасль. Некоторые морские товары и услуги, вероятно, будут подорваны из-за подкисления океана в будущем, что может повлиять на средства к существованию примерно 400-800 миллионов человек в зависимости от сценария выбросов.
Воздействие на коренные народы
Подкисление может нанести ущерб экономике арктического туризма и повлиять на образ жизни коренных народов. Важнейшей опорой арктического туризма является индустрия спортивного рыболовства и охоты . Индустрия спортивного рыболовства находится под угрозой из-за разрушения пищевых сетей, которые служат пищей для ценных рыб. Спад в сфере туризма снижает поступление доходов в этом районе и угрожает экономике, которая все больше зависит от туризма. Быстрое сокращение или исчезновение морской флоры и фауны также может повлиять на питание коренных народов .
Возможные ответы
Снижение CO 2 выбросы
Члены Межакадемической группы рекомендовали, чтобы к 2050 году глобальный антропогенный CO 2 выбросы должны быть сокращены менее чем на 50% от уровня 1990 года. В заявлении 2009 г. также содержится призыв к мировым лидерам:
Признать, что закисление океана является прямым и реальным следствием увеличения выбросов CO в атмосфере. 2 концентрации, уже оказывает эффект при нынешних концентрациях и, вероятно, нанесет серьезный ущерб важным морским экосистемам, так как CO 2 концентрации достигают 450 [частей на миллион (ppm)] и выше;
. Признайте, что уменьшение накопления CO 2 в атмосфере — единственное практическое решение для уменьшения закисления океана;
. Активизировать действия по снижению факторов стресса, таких как чрезмерный вылов рыбы и загрязнение , в морских экосистемах, чтобы повысить устойчивость к закислению океана.
Стабилизация атмосферного CO 2 концентрации на уровне 450 ppm потребуют краткосрочного сокращения выбросов с более резким сокращением с течением времени.
Чтобы предотвратить нарушение кальцификации морских организмов и связанный с этим риск фундаментального изменения морских пищевых сетей, следует соблюдать следующие правила: pH приповерхностных вод не должен опускаться более чем на 0,2 единицы ниже среднего доиндустриального значения. в любом более крупном регионе океана (ни в среднем в мире).
Одна из целей политики, связанных с кислотностью океана, — это масштабы будущего глобального потепления. Стороны Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата (РКИК ООН) приняли цель ограничить потепление до уровня ниже 2 ° C по сравнению с доиндустриальным уровнем. Достижение этой цели потребует значительного сокращения антропогенного CO. 2 выбросы.
Ограничение глобального потепления до уровня ниже 2 ° C означало бы снижение pH поверхности океана на 0,16 по сравнению с доиндустриальными уровнями. Это будет означать существенное снижение pH поверхности океана.
25 сентября 2015 года USEPA отклонило петицию граждан от 30 июня 2015 года, в которой EPA просило регулировать CO. 2 согласно TSCA , чтобы уменьшить закисление океана. В опровержении EPA заявило, что риски, связанные с закислением океана, «более эффективно и действенно устраняются» в рамках внутренних мер, например, в соответствии с Президентским планом действий по борьбе с изменением климата , и что для работы с другими странами и в других странах используются различные способы сокращения выбросов. и обезлесение, а также продвижение чистой энергии и энергоэффективности.
28 марта 2017 года указом президента США был отменен План действий по борьбе с изменением климата. 1 июня 2017 года было объявлено, что США выйдут из Парижских соглашений , а 12 июня 2017 года США воздержатся от Обязательства G7 по изменению климата, двух крупных международных усилий по сокращению выбросов CO. 2 выбросы.
Предотвращение и значительное сокращение всех видов загрязнения морской среды, включая закисление океана, является частью целей Цели 14 в области устойчивого развития Организации Объединенных Наций .
Геоинженерия
Геоинженерия была предложена как возможный ответ на закисление океана. В заявлении IAP (2009) говорится, что необходимы дополнительные исследования, чтобы доказать, что это будет безопасно, доступно и выгодно:
Подходы к смягчению последствий, такие как добавление химикатов для противодействия эффектам подкисления, вероятно, будут дорогостоящими, эффективными лишь частично и только в очень локальном масштабе и могут создавать дополнительные непредвиденные риски для морской среды. Было проведено очень мало исследований осуществимости и воздействия этих подходов. Прежде чем применять эти методы, необходимы серьезные исследования.
В отчетах WGBU (2006 г.), Королевского общества Великобритании (2009 г.) и Национального исследовательского совета США (2011 г.) содержится предупреждение о потенциальных рисках и трудностях, связанных с климатической инженерией.
Удобрение железом
Удобрение океана железом может стимулировать фотосинтез фитопланктона (см. Гипотеза железа ). Фитопланктон преобразовал бы растворенный в океане углекислый газ в газообразный углевод и кислород, часть которого, прежде чем окислиться, погрузится в более глубокие глубины океана. Более десятка экспериментов в открытом море подтвердили, что добавление железа в океан увеличивает фотосинтез фитопланктона до 30 раз. Хотя этот подход был предложен в качестве потенциального решения проблемы закисления океана, смягчение последствий закисления поверхности океана может усилить закисление в менее заселенных глубоководных районах океана.
В отчете Королевского общества Великобритании (2009 г.) анализировался подход с точки зрения эффективности, доступности, своевременности и безопасности. Оценка доступности была «средняя» или «не ожидается, что она будет очень рентабельной». По остальным трем критериям оценки варьировались от «низкого» до «очень низкого» (т. Е. «Плохо»). Например, что касается безопасности, в отчете был обнаружен «[высокий] потенциал для нежелательных экологических побочных эффектов», и что удобрение океана «может увеличить бескислородные области океана (« мертвые зоны »)».
События закисления океана и массового вымирания в геологическом прошлом
Три из пяти крупнейших событий массового вымирания в геологическом прошлом были связаны с быстрым увеличением содержания углекислого газа в атмосфере, вероятно, из-за вулканизма и / или термической диссоциации морских газовых гидратов. Ранние исследования были сосредоточены на климатическом воздействии повышенных уровней CO 2 на биоразнообразие , но в 2004 году снижение насыщения CaCO 3 из-за поглощения морской водой вулканогенного CO 2 было предложено в качестве возможного механизма уничтожения во время массового исчезновения морских организмов в конце триасового периода. . Биотический кризис в конце триаса до сих пор является наиболее хорошо установленным примером массового исчезновения морских организмов из-за подкисления океана, потому что (а) вулканическая активность, изменения изотопов углерода, уменьшение карбонатного осадконакопления и вымирание моря точно совпали в стратиграфической записи. и (б) наблюдалась выраженная селективность вымирания против организмов с толстым арагонитовым скелетом, предсказываемая экспериментальными исследованиями. Подкисление океана также было предложено как причина массового вымирания в конце пермского периода и кризиса в конце мелового периода .
