Acidifikácia morí - biológia
Kedy Okysľovanie morí je termín používaný na popis poklesu hodnoty pH morskej vody. Je to spôsobené absorpciou oxidu uhličitého (CO2) z pozemskej atmosféry. [1] [2] Okrem globálneho otepľovania je tento proces jedným z hlavných dôsledkov ľudských emisií skleníkových plynov oxidu uhličitého. Zatiaľ čo oxid uhličitý v atmosfére fyzicky vedie k zvyšovaniu teplôt na zemi, v morskej vode pôsobí chemicky. Okyslenie plynmi možno pripísať iba CO2; emisie ostatných skleníkových plynov, ako sú metán alebo oxid dusný, k tomu neprispievajú. Určitú úlohu zohrávajú aj kyslé vstupy, ako je zriedená kyselina a iné znečistenie životného prostredia.
Dôsledky tohto okyslenia spočiatku ovplyvňujú organizmy, ktoré tvoria vápenaté kostry, ktorých schopnosť vytvárať ochranné obaly alebo vnútorné kostry klesá, keď hodnota pH klesne. Pretože tieto druhy často tvoria základ potravinových reťazcov v oceánoch, môže to mať ďalšie vážne následky pre početné morské tvory, ktoré na nich závisia, a v dôsledku toho pre ľudí, ktorí na nich závisia.
Okysľovanie oceánov je tiež predmetom projektu Future Ocean.
oceánske pH
Hodnota pH je definovaná pre ideálne zriedené roztoky, a preto nie je priamo použiteľná pre slanú morskú vodu. Aby bolo možné poskytnúť priemerné hodnoty morskej vody, musia sa použiť aj modely na simuláciu chemickej rovnováhy oceánu. Na tento účel sa v súčasnosti používajú tri rôzne modely, ktorých výsledné stupnice sú od seba vzdialené až 0,12 jednotiek. Priemerné hodnoty je preto možné porovnávať iba v rámci základného modelu. [3] [4]
Morská voda je mierne zásaditá s hodnotou pH okolo 8. Podľa súhrnu Britskej kráľovskej spoločnosti má povrchová voda morí dnes zvyčajne hodnoty pH medzi 7,9 a 8,25 až do hĺbky 50 m, s priemernou hodnotou 8,08. [1] Hlavnými dôvodmi tohto rozdielu 0,25 jednotky sú teplota vody, miestny vztlak hlbokej vody bohatej na oxid uhličitý, ako aj biologická produktivita, ktorá je vysoká a viaže veľa oxidu uhličitého vo forme morského života a hlbšie. Vrstvy transportovanej vody.
Jedným zo spôsobov rekonštrukcie predchádzajúcich hodnôt pH je analýza sedimentov. Z izotopového zloženia hydroxidov bóru sa dá určiť, že hodnota pH na morskej hladine bola asi 7,4 ± 0,2 asi pred 21 miliónmi rokov, kým nedosiahla 8,2 ± asi 7,5 milióna rokov. 0,2 ruže. [5] Pretože hodnota pH v oceánoch je priamo spojená s koncentráciou oxidu uhličitého v atmosfére prostredníctvom Henryho koeficientu, možno týmto spôsobom určiť aj koncentrácie paleo-CO2. Až do začiatku okysľovania oceánov v dôsledku nástupu industrializácie v 18. storočí a zvyšovania emisií oxidu uhličitého zostala táto hodnota zhruba konštantná.
Podľa štúdie Stanfordskej univerzity, ktorá predpokladá predindustriálnu hodnotu pH takmer povrchovej morskej vody v priemere 8,25, sa hodnota pH údajne znížila na súčasnú hodnotu 8,14 v dôsledku absorpcie oxidu uhličitého. [6] Spoločný prieskum uskutočnený z USA Národnou vedeckou nadáciou (NSF), Národným úradom pre oceán a atmosféru (NOAA) a Geologickým prieskumom USA (USGS) dospieva k záveru, že priemerná hodnota pH pred industrializáciou bola 8,16 v porovnaní s 8,05 dnes. [7] V obidvoch prípadoch sa okyslenie pripisuje ľudským emisiám oxidu uhličitého a odhaduje sa na 0,11 jednotky pH.
Oceány ako uhlíkový drez
Oceány hrajú dôležitú úlohu v uhlíkovom cykle Zeme ako zachytávač uhlíka, pretože 70 percent zemského povrchu je pokrytých vodou. Odhaduje sa, že v celej hydrosfére je uložených 38 000 gigatónov (Gt) uhlíka. Oxid uhličitý končí v oceáne kvôli rozdielu v parciálnom tlaku CO2. Plyn vždy prúdi z oblasti vyššieho parciálneho tlaku (atmosféra) do oblasti nižšieho tlaku (oceán). Oxid uhličitý sa rozpúšťa v mori, kým parciálny tlak v atmosfére a v mori nie je rovnaký. Naopak, tiež opäť uniká, keď je tlak v atmosfére nižší ako v mori. Teplota mora ovplyvňuje aj absorpciu oxidu uhličitého, pretože voda môže pri zvyšovaní teploty absorbovať menej oxidu uhličitého.
Uhlík absorbovaný z atmosféry sa v priebehu niekoľkých rokov distribuuje v oceáne vo vrstve mora osvetlenej slnkom. Existujú dva mechanizmy, ako sa dostať do ešte väčších hĺbok. Najdôležitejší je tzv fyzické uhlíkové čerpadlo, Povrchová voda bohatá na uhlík v Arktíde ochladzuje a stáva sa ťažšou, klesá a je distribuovaná na veľké plochy v hĺbkach oceánov studenými hlbokými prúdmi Globálneho dopravného pásu. Menej dôležitý, ale nie bezvýznamný, je tzv biologické uhlíkové čerpadlo, na uhlíku ako Morský sneh (biogénny časticový dážď) klesá do hlbších oblastí. Antropogénnemu CO2 absorbovanému z atmosféry trvá stovky až tisíce rokov, kým prenikne do oceánov do najhlbších vrstiev vody a distribuuje ho; dnes ho možno zistiť až do priemernej hĺbky 1 000 m. [2] Na horách, na kontinentálnych svahoch a v plytkých moriach (napríklad v častiach Weddellovho mora) [8] sa antropogénny CO2 už môže dostať na morské dno.
Zvýšené množstvo oxidu uhličitého v zemskej atmosfére za posledných 200 rokov viedlo k tomu, že oceány absorbujú 118 ± 19 Gt uhlíka alebo 27% až 34% antropogénnych emisií CO2. [9] V roku 2006 sa do atmosféry na celom svete uvoľnilo 36,3 Gt dodatočného CO2 produkovaného ľuďmi alebo asi 9,9 Gt uhlíka. [10] Hydrosféra vrátane prírodných zdrojov v súčasnosti absorbuje približne 92 Gt atmosférického uhlíka ročne. Asi 90 Gt z toho je vydaných svetovými oceánmi a 2 ± 1 Gt ich ukladá. [2] Štúdia zverejnená v roku 2003 odhadovala absorpciu uhlíka o niečo presnejšie v období rokov 1980 - 1989 na 1,6 ± 0,4 Gt a v rokoch 1990 až 1999 na 2,0 ± 0,4 Gt za rok. [11]
Chemický proces acidifikácie
Oxid uhličitý zo vzduchu sa môže rozpustiť v morskej vode a potom je vo veľkej miere vo forme rôznych anorganických zlúčenín, ktorých relatívny podiel odráža pH oceánov. Anorganický uhlík sa nachádza v oceáne na približne 1% v kyseline uhličitej a oxidu uhličitom, približne 91% v hydrogenuhličitanových iónoch (HCO3 -) a približne 8% v uhličitanových iónoch (CO3 2−). Oxid uhličitý rozpustený vo vode je v rovnováhe s hydrogenuhličitany, uhličitany a oxóniovými iónmi (iónmi hydrónia) pomocou nasledujúcich reakčných rovníc:
Oxóniové ióny (H3O +) vyrobené v tomto procese spôsobujú klesajúcu hodnotu pH, ktorá je definovaná ako negatívny dekadický logaritmus molárnej koncentrácie (presnejšie: aktivity) oxóniových iónov.
Okyslenie spôsobené rozpusteným CO2 pôsobí proti prítomnosti uhličitanu vápenatého (CaCO3), ktorý pracuje s hydrogénuhličitanmi a uhličitanovými iónmi ako chemickým tlmiacim systémom (→ tlmivý roztok), a tak viaže protóny:
$ \ mathrm_3 \ rightleftharpoons \ mathrm ^ + \ mathrm_3 ^ $ $ \ mathrm < H^+ + CO_3^\rightleftharpoons HCO_3^- > $
Rovnako ako všetky uhličitany kovov alkalických zemín, je uhličitan vápenatý vo vode ťažko rozpustný. Uhličitan vápenatý v morskej vode v zásade pochádza z dvoch zdrojov, a to sedimentov na morskom dne a vstupu z prílevu sladkej vody. Uhličitan sa do nich dostáva zvetrávaním vápenatých hornín. Aby sediment pomohol neutralizovať okyslenie, musí sa uhličitan vápenatý, ktorý obsahuje, rozpustiť a odviesť cirkuláciou z morského dna do vyšších vrstiev vody. Ak sa predpokladá, že vstupy súvisiace s počasím sú v modelových výpočtoch konštantné (s 0,145 Gt uhlíka vo forme uhličitanu ročne), okyslenie oceánov by viedlo k obratu rýchlosti tvorby sedimentov v priebehu niekoľkých stoviek rokov. Vstup uhličitanu vápenatého podľa počasia mohol tento efekt kompenzovať až po období približne 8 000 rokov. [12]
Významné množstvo uhličitanu vápenatého v sedimente vzniká z planktónu tvoriaceho kalcit, najmä z globigerínov (skupina foraminifera), kokokolitofórov (skupina vápenatých rias) a pteropodov. Menšie množstvá sa tvoria napríklad v koralových útesoch. Planktón sa môže ukladať na dne mora vo forme biogénneho sedimentu bohatého na uhličitany (vápenný kal), ak hĺbka vody nie je príliš veľká. Na druhej strane, ak sú prekročené hĺbky kompenzácie kalcitu a aragonitu pre uhličitany vápenaté, kalcit a aragonit, potom sa úplne rozpustia. Tieto hĺbky vyrovnania sa v priebehu okysľovania posúvajú smerom nahor a na morskom dne sa tak rozpúšťa veľké množstvo vápenca. Pre aragonit bol od industrializácie stanovený nárast o 400 m na 2 500 m dnes. Do roku 2050 sa predpokladá ďalší nárast o 700 m. [13] [14] 300 až 800 m nad hĺbkou kompenzácie kalcitu je lysocline, oblasť vo vode, z ktorej začína proces rozpúšťania. Výsledkom je, že tuhé uhličitany, ako je uhličitan vápenatý, sa môžu tiež rozpúšťať v plytších oblastiach, kým sa roztok opäť nenasýti uhličitanovými iónmi. Reakčná rovnica pre roztok vápna je: [15]
Dôsledky pre morský život a oceánsky ekosystém
V morských organizmoch, ktoré sú vystavené morskej vode so zvýšeným obsahom CO2, prebieha proces, ktorý je veľmi podobný rozpúšťaniu CO2 v oceáne. CO2 môže nerušene migrovať cez bunkové membrány ako plyn, a tým meniť hodnotu pH buniek tela a krvi alebo hemolymfy. Zmenu prirodzenej acidobázickej rovnováhy musí organizmus kompenzovať, čo niektorým živočíšnym druhom ide lepšie a iným horšie. Trvalý posun v acidobázických parametroch v organizme môže zhoršiť rast alebo plodnosť a v najhoršom prípade ohroziť prežitie druhu. [16]
Poškodenie koralov
Roztok oxidu uhličitého spomaľuje globálne otepľovanie, ale výsledné pomalé prekyslenie oceánov môže mať vážne následky pre zvieratá s ochrannou vrstvou uhličitanu vápenatého (alebo jednoducho vápna). [17] [7] [15] Ako je opísané vyššie, chemická rovnováha oceánov sa posúva na úkor uhličitanových iónov. Ich spojenie s vápnikom v morskej vode za vzniku uhličitanu vápenatého má zásadný význam pre morský život, ktorý vytvára vápenné škrupiny. Oceán, ktorý je kyslejší, bráni biomineralizácii koralov a mikroorganizmov, ako sú malé morské slimáky a zooplanktón, aj keď niektoré z týchto organizmov cielene zvyšujú pH vody znižovaním rozpusteného množstva oxidu uhličitého, keď sa kryštály vápna vytvárajú vo vlastných bunkách. [18]
Okyslením pravdepodobne trpia aj ďalšie organizmy, ktoré sú dôležité pre tvorbu útesov. V sedemtýždňovom experimente boli červené riasy z čeľade Corallinaceae, ktoré hrajú dôležitú úlohu pri vývoji koralových útesov, vystavené umelo okyslenej morskej vode. V porovnaní s porovnávanou skupinou vykazovali riasy v kyslejšej vode prudký pokles rýchlosti a rastu reprodukcie. Vzhľadom na podmienky, za ktorých hodnota pH v oceánoch stále klesá, je pravdepodobné, že to bude mať významné následky pre postihnuté koralové útesy. [22]
Poškodenie iného morského života
Miera kalcifikácie modrých slávok sa mohla do konca 21. storočia znížiť o 25% a tichomorskej ustrice o 10%. Vedci k týmto hodnotám dospeli sledovaním špecifického scenára IPCC, ktorý predpokladá do roku 2100 atmosférickú koncentráciu CO2 okolo 740 ppm. Pri prekročení limitnej hodnoty 1 800 ppm sa mušľa dokonca začne rozpúšťať, čo vo všeobecnosti ohrozuje biodiverzitu pobrežia a hrozí značné ekonomické škody. [27]
Oceánsky potravinový reťazec je založený na planktóne. Najmä vápenaté riasy (tzv Haptophyta) sú závislé od vytvorenia vápenatej škrupiny, aby prežili. Ak to už kvôli okysleniu nie je možné, mohlo by to mať ďalekosiahle následky pre potravinový reťazec oceánov. [28] Štúdia zverejnená v roku 2004 bývalým Leibnizovým inštitútom pre morské vedy poukazuje na množstvo komplexných účinkov, ktoré môže mať nižšia hodnota pH na planktón, vrátane horšej východiskovej polohy pre kalcifikujúce živočíšne organizmy v porovnaní s fytoplanktónom (plávajúce riasy). Zároveň sa zdôrazňuje neistý stav výskumu, ktorý v súčasnosti neumožňuje žiadne ďalekosiahle predpovede o vývoji celých ekosystémov. [29] Klesajúca rýchlosť kalcifikácie bola zistená u foraminifera radu Globigerinida v južnom oceáne. Jednobunkové foraminifery sú zodpovedné za štvrtinu až polovicu celkového oceánskeho toku uhlíka. Vyšetrovanie bolo vykonané pre foraminifera Globigerina bulloides zistili, že hmotnosť vápenatej škrupiny bola o 30 až 35% nižšia ako hmotnosť mŕtvych vzoriek získaných zo sedimentov. Dôsledky ďalšieho poklesu pH sú neisté. [30]
Štúdie o vplyve nižšej hodnoty pH na väčšie morské živočíchy preukázali, že môže dôjsť napríklad k poškodeniu neresu a lariev. Testy sa uskutočňovali pri oveľa nižších hodnotách pH, ako je možné v blízkej budúcnosti očakávať, takže majú obmedzenú výpovednú hodnotu. [1]
Súčasný a budúci vývoj
V podrobnom osemročnom vyšetrovaní na ostrove Tatoosh v USA, blízko olympijského polostrova vo štáte Washington, kolísala miestna hodnota pH počas dňa a počas roka podstatne viac, ako sa doteraz predpokladalo, konkrétne do až do jednej jednotky pH v priebehu jedného roka a o 1,5 jednotky v sledovanom období 2000 - 2007. Zároveň sa významne znížila celková koncentrácia pH s priemerom -0,045 jednotiek ročne, čo je výrazne rýchlejšie, ako vypočítali modely. Tieto redukcie mali znateľný vplyv na miestnu biológiu. Kalifornské slávky, lastúrniky a lastúrniky sa následne znížili, zatiaľ čo rôznych lastúrnikov a niektorých druhov rias pribúdalo. [33]
Bez potopenia oceánov by bola dnes atmosférická koncentrácia oxidu uhličitého o 55 ppm vyššia, t. J. Najmenej 435 ppm namiesto súčasných 380 ppm. V priebehu storočí by mali byť oceány schopné absorbovať medzi 65% a 92% antropogénnych emisií CO2. Avšak javy ako zvyšujúci sa Revellov faktor zaisťujú, že s rastúcimi teplotami a rastúcim podielom atmosférického CO2 klesá schopnosť oceánu absorbovať uhlík. [9] Do roku 2100 sa kapacita vody absorbovať CO2 pravdepodobne zníži asi o 7–10%. [34] Otepľovanie morskej vody vedie tiež k zníženej absorpcii oxidu uhličitého, pravdepodobne na konci 21. storočia o 9–14%. [35]
Celkovo je podľa modelových výpočtov pravdepodobnosť potopenia oceánov do konca 21. storočia pravdepodobná pokles o zhruba 5–16%. [34] Existujú dôkazy, že tento proces sa už možno začal. Pokiaľ ide o teoreticky očakávanú absorpciu, Južný oceán zjavne zabral medzi rokmi 1981 a 2004 príliš málo 0,08 Gt uhlíka ročne. [36] Je to obzvlášť dôležité, pretože moria južne od 30 ° j. Š. (Južný oceán sú južne od 60 ° j. Š.) Absorbujú medzi tretinou a polovicou oxidu uhličitého viazaného na oceány na celom svete. [37] V severnom Atlantiku sa absorpčná kapacita nielen teoreticky oslabila, ale v rokoch 1994–1995 až 2002-2005 sa skutočne znížila o viac ako 50% alebo približne o 0,24 Gt uhlíka. [38] To naznačuje výrazne zníženú nárazníkovú kapacitu mora pre atmosférický oxid uhličitý. [39] V obidvoch prípadoch je za pokles pravdepodobne zodpovedná zmena vetra alebo pokles zmiešania povrchovej a hlbokej vody.
Ak sa atmosférická koncentrácia CO2 zdvojnásobí v porovnaní s predindustriálnou úrovňou 280 ppm (časti na milión), očakáva sa ďalšie zníženie hodnoty pH na 7,91, s trojnásobným zvýšením na 7,76 [7] alebo asi o 0,5 bodu. [1] Na konci 21. storočia sa v oceánoch očakáva taká nízka hodnota pH, ktorá sa nevyskytovala najmenej 650 000 rokov. Ak sa obdobie odhadu predĺži o niekoľko storočí do budúcnosti, javí sa možné zníženie hodnoty pH až o 0,7 bodu. Tento najhorší scenár predpokladá, že väčšina fosílnych palív, ktoré sú stále k dispozícii, sa spotrebuje, vrátane zvyškov odpadu, ktoré nie sú ekonomicky použiteľné. Pravdepodobne by to bolo okyslenie viac ako kedykoľvek predtým za posledných 300 miliónov rokov, s možnou výnimkou zriedkavých a extrémnych katastrofických udalostí. [19] Takýto hypotetický stav by bol v ľudskom časovom meradle ťažko reverzibilný; trvalo by najmenej niekoľko desiatok tisíc rokov, kým sa predindustriálna hodnota pH prirodzene znova dosiahla, ak vôbec.