Закиселување на морињата - Биологија
Кога Закиселување на морињата е термин што се користи за да се опише намалувањето на pH вредноста на морската вода. Таа е предизвикана од апсорпција на јаглерод диоксид (СО2) од земјината атмосфера. [1] [2] Покрај глобалното затоплување, процесот е една од главните последици од емисиите на штетни гасови од јаглерод диоксид кај луѓето. Додека јаглерод диоксидот во атмосферата физички доведува до зголемување на температурите на земјата, тој има хемиски ефект во морската вода. Закиселувањето со гасови може да се припише само на СО2; емисиите на други стакленички гасови како метан или азотен оксид не придонесуваат за тоа. Покрај тоа, влезовите на киселина како што се разредена киселина и друго загадување на животната средина играат одредена улога.
Последиците од оваа закиселување првично влијаат на живите организми кои формираат варовнички скелети, чијашто способност да формираат заштитни обвивки или внатрешни скелети се намалува кога паѓа pH вредноста. Бидејќи овие видови често ја сочинуваат основата на синџирите на исхрана во океаните, ова може да има дополнителни сериозни последици врз бројните морски суштества кои зависат од нив и, како резултат, кај луѓето кои зависат од нив.
Закиселувањето на океанот е исто така предмет на проектот „Иден океан“.
pH на океанот
PH вредноста е дефинирана за идеално разредени раствори и затоа не е директно применлива за солената морска вода. За да може да се обезбедат просечни вредности за морската вода, мора да се користат и модели за симулирање на хемиска рамнотежа на океанот. За таа цел, во моментов се користат три различни модели со добиените скали, кои се оддалечени до 0,12 единици. Просечните вредности може да се споредат само во рамките на основниот модел. [3] [4]
Морската вода е малку алкална со pH вредност околу 8. Според резимето на британското кралско друштво, површинските води на морињата денес обично имаат pH вредности помеѓу 7,9 и 8,25 до длабочина од 50 м, со просечна вредност од 8,08. [1] Главните причини за оваа разлика од 0,25 единици се температурата на водата, локалната пловност на длабока вода богата со јаглерод диоксид, како и биолошката продуктивност, каде што е голема, врзува многу јаглерод диоксид во форма на морски живот и подлабоко Пренесени слоеви на вода.
Еден начин за реконструкција на претходните вредности на pH е да се анализираат седиментите. Од изотопскиот состав на бор хидроксиди може да се утврди дека pH вредноста на морската површина е околу 7,4 ± 0,2 пред околу 21 милион години, додека не достигне 8,2 ± пред околу 7,5 милиони години 0,2 роза. [5] Бидејќи pH вредноста на океаните е директно поврзана со концентрацијата на јаглерод диоксид во атмосферата преку коефициентот Хенри, палео-СО2 концентрациите исто така може да се одредат на овој начин. До почетокот на закиселувањето на океаните како резултат на почетокот на индустријализацијата во 18 век и зголемувањето на емисиите на јаглерод диоксид, оваа вредност остана приближно константна.
Според студијата на Универзитетот Стенфорд, која претпоставува прединдустриска pH вредност на морската вода близу до површината во просек 8,25, се вели дека pH вредноста се намалила на сегашната вредност од 8,14 поради навлегувањето на јаглерод диоксид. [6] Заедничко истражување спроведено од САД од страна на Националната фондација за наука (NSF), Националната администрација за океани и атмосфера (NOAA) и Геолошкиот институт на САД (USGS) доаѓа до заклучок дека просечната pH вредност пред индустријализацијата беше 8,16, во споредба со 8.05 денес. [7] И во двата случаи, закиселувањето се припишува на човечки емисии на јаглерод диоксид и се проценува на 0,11 pH единици.
Океаните како јаглероден мијалник
Океаните играат важна улога во јаглеродниот циклус на Земјата како мијалник за јаглерод, бидејќи 70 проценти од површината на земјата е покриена со вода. Околу 38.000 гигатони (Gt) јаглерод се складирани во целата хидросфера. Јаглеродниот диоксид завршува во океанот поради разликата во парцијалниот притисок на СО2. Гас секогаш тече од областа на поголем парцијален притисок (атмосфера) до областа на помал притисок (океан). Јаглерод диоксидот се раствора во морето сè додека парцијалниот притисок во атмосферата и во морето не се исти. И обратно, тој повторно бега кога притисокот во атмосферата е помал отколку во морето. Температурата на морето, исто така, влијае на навлегувањето на јаглерод диоксид, бидејќи водата може да апсорбира помалку јаглерод диоксид со зголемувањето на температурата.
Јаглеродот апсорбиран од атмосферата се дистрибуира во океанот за неколку години во слојот на морето осветлен од сонцето. Постојат два механизма за влегување во уште поголеми длабочини. Најважно е т.н. физичка пумпа за јаглерод, Површинската вода богата со јаглерод се лади и станува потешка, тоне и се дистрибуира на големи области во длабочините на океаните од студените длабоки струи на Глобалниот подвижен појас. Помалку важно, но не и незначително, е т.н. биолошка пумпа за јаглерод, кај јаглеродот како Морски снег (дожд од биогени честички) тоне во подлабоки региони. Потребни се стотици до илјадници години за антропогениот СО2 апсорбиран од атмосферата да навлезе во океаните во најдлабоките слоеви на вода и да го дистрибуира, денес може да се открие до просечна длабочина од 1.000 м. [2] На морските брегови, на континенталните падини и во плитките мориња (на пример, во делови на морето Ведел) [8] антропогениот СО2 веќе може да стигне до морското дно.
Зголемената количина на јаглерод диоксид во земјината атмосфера во текот на изминатите 200 години резултираше во апсорбирање на 118 ± 19 Gt јаглерод или 27% до 34% од антропогените емисии на СО2 во океаните. [9] Во 2006 година, во светот се испуштиле 36,3 Gt дополнителен CO2 произведен од луѓе или околу 9,9 Gt јаглерод. [10] Вклучувајќи природни извори, хидросферата моментално апсорбира приближно 92 Gt атмосферски јаглерод годишно. Околу 90 Gt од ова се даваат од светските океани, а 2 ± 1 Gt ги складираат. [2] Една студија објавена во 2003 година го процени навлегувањето на јаглерод нешто поточно во периодот 1980–1989 на 1,6 ± 0,4 Gt и помеѓу 1990 и 1999 година на 2,0 ± 0,4 Gt годишно. [11]
Хемиски процес на закиселување
Јаглерод диоксидот од воздухот може да се раствори во морска вода и потоа е во голема мерка во форма на разни неоргански соединенија, чиишто релативни пропорции ја рефлектираат pH на океаните. Неоргански јаглерод се наоѓа во океанот околу 1% во јаглеродна киселина и јаглерод диоксид, приближно 91% во јони на водород карбонат (HCO3 -) и приближно 8% во карбонатни јони (CO3 2−). Јаглерод диоксидот растворен во вода е во рамнотежа со водород карбонат, карбонат и оксониум јони (јони на хидрониум) преку следниве равенки на реакција:
Јони на оксониум (H3O +) произведени во овој процес предизвикуваат паѓање на pH вредноста, што се дефинира како негативен декаден логаритам на моларната концентрација (поточно: активност) на јони на оксониум.
Закиселувањето предизвикано од растворен CO2 се спротивставува на присуството на калциум карбонат (CaCO3), кој работи со водород карбонат и карбонатни јони како хемиски пуфер систем (solution пуфер раствор) и со тоа ги врзува протоните:
$ \ mathrm_3 \ rightleftharpoons \ mathrm ^ + \ mathrm_3 ^ $ $ \ mathrm < H^+ + CO_3^\rightleftharpoons HCO_3^- > $
Како и сите карбонати на металите на алкалната земја, калциум карбонатот е само малку растворлив во вода. Калциум карбонатот во морската вода во суштина доаѓа од два извори, имено седименти на морското дно и влез од наплив на свежа вода. Карбонат се впушта во второто низ атмосферски влијанија на варовнички карпи. Со цел седиментот да помогне во неутрализирање на закиселувањето, калциум карбонатот што го содржи мора да се раствори и да се пренесе со циркулација од морското дно до повисоките слоеви на вода. Ако се претпостави дека влезот поврзан со временските услови е постојан во пресметките на моделот (со 0,145 Gt годишно јаглерод во форма на карбонат), закиселувањето на океаните би довело до пресврт во брзината на формирање на талог за неколку стотици години. Влезот на калциум карбонат поврзан со временските услови може да го надомести овој ефект само по период од приближно 8.000 години. [12]
Значителни количини на калциум карбонат во талогот произлегуваат од планктон што формира калцит, особено од глобигерини (група на фораминифери), коколитофори (група варовнички алги) и птероподи. Помали количини се формираат во корални гребени, на пример. Планктонот може да се депонира на дното на морето во форма на богат карбонат, биоген талог (варова тиња) ако длабочината на водата не е преголема. Од друга страна, ако се надминат длабочините на компензација на калцитот и арагонитот за калцитот и арагонитот на калциум карбонатите, тогаш тие се раствораат целосно. Овие длабочини на компензација се движат нагоре во текот на закиселувањето, и толку големи количини на варовник се раствораат на морското дно. За арагонитот, утврдено е зголемување од 400 м на 2500 м денес од индустријализацијата. До 2050 година се очекува натамошно зголемување од 700 метри. [13] [14] 300 до 800 м над длабочината на компензација на калцитот е лизоклинот, областа во водата од каде започнува процесот на растворање. Како резултат, цврстите карбонати, како што е калциум карбонат, исто така можат да се растворат во поплитки области додека растворот повторно не биде заситен со карбонатни јони. Равенката на реакција за растворот од вар е: [15]
Последици за морскиот живот и океанскиот екосистем
Во морските организми кои се изложени на морска вода со зголемена содржина на СО2, се одвива процес кој е многу сличен на растворање на СО2 во океанот. СО2 може да мигрира непречено низ клеточните мембрани како гас и со тоа се менува pH вредноста на телесните клетки и крвта или хемолимфата. Промената на природната киселинско-базна рамнотежа мора да биде компензирана од организмот, што некои животински видови го прават подобро, а други полошо. Постојана промена на киселинско-базните параметри во организмот може да го наруши растот или плодноста и во најлош случај да го загрози опстанокот на еден вид. [16]
Оштетување на коралите
Решението на јаглерод диоксид го забавува глобалното затоплување, но како резултат на тоа, бавното закиселување на океаните може да има сериозни последици врз животните со заштитен слој калциум карбонат (или едноставно вар). [17] [7] [15] Како што е опишано погоре, хемиската рамнотежа на океаните се префрла на сметка на карбонатните јони. Нивната врска со калциумот во морската вода за формирање на калциум карбонат е од витално значење за морскиот живот што формира варовни лушпи. Океанот станува се повеќе кисел ја попречува биоминерализацијата на коралите, како и микроорганизмите, како што се ситните морски полжави и зоопланктонот, иако некои од овие организми специфично ја зголемуваат pH вредноста на водата со намалување на количината на растворен јаглерод диоксид кога варните кристали се генерираат во сопствените клетки. [18]
Другите организми кои се важни за формирање на гребен, исто така, веројатно страдаат од закиселување. Во седумнеделен експеримент, црвените алги од семејството Corallinaceae, кои играат важна улога во развојот на корални гребени, биле изложени на вештачки закиселена морска вода. Во споредба со споредбената група, алгите во покиселата вода покажаа нагло намалување на стапката на репродукција и растот. Со оглед на условите во кои pH вредноста во океаните продолжува да паѓа, ова веројатно ќе има значителни последици за погодените корални гребени. [22]
Оштетување на други морски животни
Стапката на калцификација на сините школки може да се намали за 25% и на пацифичкиот остриги за 10% до крајот на 21 век. Научниците стигнаа до овие вредности следејќи го специфичното сценарио на IPCC, кое предвидува атмосферска концентрација на СО2 од околу 740 ppm до 2100 година. Над граничната вредност од 1.800 ppm, школка од школка дури почнува да се раствора, што генерално го загрозува биодиверзитетот на крајбрежјето и се заканува значителна економска штета. [27]
Океанскиот синџир на храна се заснова на планктон. Особено варовнички алги (т.н. Хаптофита) зависат од формирање на варовничка обвивка за да преживеат. Ако ова повеќе не е можно поради закиселување, тоа може да има далекусежни последици за синџирот на исхрана на океаните. [28] Студија објавена во 2004 година од поранешниот Институт за морски науки во Лајбниц укажува на бројните комплексни ефекти што може да има помала pH вредност врз планктонот, вклучително и посиромашната почетна позиција за калцифицирање на животински организми во споредба со фитопланктонот (лебдечки алги). Во исто време, се потенцира неизвесната состојба на истражување, што во моментов не дозволува никакви далекусежни предвидувања за развојот на целокупните екосистеми. [29] Намалена стапка на калцификација е пронајдена во фораминифера од редот Глобигеринида во јужниот океан. Едноклеточните фораминифери се одговорни за една четвртина до половина од вкупниот флукс на јаглерод во океаните. Во истрагите биле направени за фораминифера Глобигерина булоиди откри дека тежината на варовничката обвивка е 30-35% помала од тежината на мртвите примероци извлечени од седиментите. Последиците од натамошниот пад на pH вредноста се сметаат за несигурни. [30]
Студиите за влијанието на помалата pH вредност на поголемите морски животни покажаа дека, на пример, мреста и ларвите можат да бидат оштетени. Тестовите беа извршени со многу пониски вредности на pH отколку што може да се очекува во блиска иднина, така што тие се со ограничена информативна вредност. [1]
Тековен и иден развој
Во детална студија надвор од американскиот остров Татоош, сместена во близина на Олимпискиот полуостров во државата Вашингтон, во текот на осум години, локалната pH вредност варираше значително повеќе во текот на денот и во текот на годината отколку што се претпоставуваше претходно, имено од до една единица pH во рок од една година и за 1,5 единици во периодот на студирање 2000-2007 година. Во исто време, вкупната концентрација на pH значително се намали, со просек од -0,045 единици годишно, значително побрзо отколку што е пресметано со моделите. Овие намалувања имаа забележителен ефект врз локалната биологија. Последователно, се намалија калифорниските школки, школки и шноли, додека се зголемија разни шталници и некои видови алги. [33]
Без ефект на тонење на океаните, атмосферската концентрација на јаглерод диоксид би била поголема 55 ppm денес, т.е. најмалку 435 ppm наместо сегашните 380 ppm. За време на неколку векови, океаните треба да можат да апсорбираат помеѓу 65% и 92% од антропогените емисии на СО2. Сепак, феномени, како што е зголемениот фактор Revelle, гарантираат дека со зголемувањето на температурите и зголемениот процент на атмосферски CO2, капацитетот на океаните да апсорбира јаглерод се намалува. [9] До 2100 година, капацитетот на водата да апсорбира СО2 веројатно ќе се намали за околу 7-10%. [34] Затоплувањето на морската вода доведува и до намалено внесување на јаглерод диоксид, веројатно за 9-14% до крајот на 21 век. [35]
Генерално, според пресметките на моделот, способноста на океаните да потонат веројатно ќе се намали за околу 5-16% до крајот на 21 век. [34] Постојат докази дека овој процес можеби е веќе започнат. Во однос на теоретски очекуваното навлегување, Јужниот океан очигледно зафаќа 0,08 Gt јаглерод годишно помеѓу 1981 и 2004 година премалку. [36] Ова е особено важно затоа што морињата јужно од 30 ° С (јужниот океан е јужно од 60 ° југ) апсорбираат помеѓу третина и половина од јаглерод диоксидот врзан од океаните ширум светот. [37] Во Северен Атлантик, апсорпциониот капацитет не само што теоретски ослабе, туку тој всушност се намали помеѓу 1994-1995 и 2002-2005 година за повеќе од 50% или за околу 0,24 Gt јаглерод. [38] Ова укажува на значително намален пуфер капацитет на морето за атмосферски јаглерод диоксид. [39] И во двата случаи, промените во ветровите или намалувањето на мешањето на површинска и длабока вода веројатно ќе бидат одговорни за падот.
Ако атмосферската концентрација на СО2 се удвои во споредба со прединдустриското ниво од 280 ppm (делови на милион), се очекува натамошно намалување на вредноста на pH на 7,91, со тројно зголемување на 7,76 [7] или за околу 0,5 поени. [1] До крајот на 21 век, се очекува толку мала pH вредност во океаните, бидејќи не се случила најмалку 650 000 години. Ако периодот на проценката се продолжи за неколку века во иднина, се чини можно намалување на вредноста на pH вредноста до 0,7 поени. Ова најлошо сценарио претпоставува дека поголемиот дел од фосилните горива што се уште се на располагање се потрошени, вклучувајќи ги и депозитите на легло што не се економски употребливи. Ова веројатно би било повеќе закиселување од кога било во изминатите 300 милиони години, со можен исклучок на ретки и екстремни катастрофални настани. [19] Таквата хипотетичка состојба тешко дека ќе биде реверзибилна во рамките на временските скали на човекот; би биле потребни најмалку неколку десетици илјади години пред природната pH вредност да биде природно повторно достигната, ако воопшто има.