A tengerek savasodása - biológia
Mikor A tengerek savanyítása a tengervíz pH-értékének csökkenését leíró kifejezés. Ennek oka a szén-dioxid (CO2) felszívódása a föld légköréből. [1] [2] A globális felmelegedés mellett a folyamat az üvegházhatású gázok szén-dioxidjának emberi kibocsátásának egyik fő következménye. Míg a légkörben lévő szén-dioxid fizikailag emelkedő hőmérséklethez vezet a földön, kémiai hatása van a tengervízben. A gázokkal történő savasodás csak a CO2-nek tulajdonítható, más üvegházhatású gázok, például a metán vagy a dinitrogén-oxid kibocsátása nem járul hozzá ehhez. Ezenkívül bizonyos szerepet játszanak az olyan savbevitelek, mint a híg sav és más környezeti szennyezések.
Ennek a savasodásnak a következményei kezdetben olyan meszes csontvázakat képző organizmusokat érintenek, amelyek védőburok vagy belső csontvázak kialakításának képessége csökken, amikor a pH-érték csökken. Mivel ezek a fajok gyakran képezik az óceánok táplálékláncainak alapját, ennek további súlyos következményei lehetnek a tőlük függő számos tengeri élőlényre, és ennek következtében a tőlük függő emberekre is.
Az óceán savanyítása szintén a Future Ocean projekt tárgya.
óceán pH-ja
A pH-értéket ideálisan hígított oldatokra határozták meg, ezért nem közvetlenül alkalmazható a sós tengervízre. A tengervíz átlagos értékeinek megadásához modelleket kell használni az óceán kémiai egyensúlyának szimulálására is. Erre a célra jelenleg három különböző modellt használnak, az így kapott skálákkal, amelyek legfeljebb 0,12 egységre vannak egymástól. Az átlagértékeket ezért csak az alapul szolgáló modell keretein belül lehet összehasonlítani. [3] [4]
A tengervíz enyhén lúgos, pH-értéke 8 körül van. A British Royal Society összefoglalója szerint a tengerek felszíni vizének pH-értéke ma általában 7,9 és 8,25 között van 50 m mélységig, átlagosan 8,08-tal. [1] Ennek a 0,25 egységnyi különbségnek legfőbb oka a víz hőmérséklete, a szén-dioxidban gazdag mélyvíz helyi felhajtóereje, valamint a biológiai termelékenység, amely magas, sok szén-dioxidot köt meg tengeri életek formájában és mélyebben Szállított vízrétegek.
Az üledékek elemzése egy lehetőséget kínál a korábbi pH-értékek rekonstrukciójára. A bór-hidroxidok izotópos összetételéből megállapítható, hogy a tenger felszínén a pH értéke körülbelül 21 millió évvel ezelőtt volt 7,4 ± 0,2, míg el nem érte a 8,2 ± 7,5 millió évvel ezelőtti értéket 0,2 emelkedett. [5] Mivel az óceánok pH-értéke a Henry-együtthatón keresztül közvetlenül kapcsolódik a légkör szén-dioxid-koncentrációjához, a paleo-CO2-koncentrációkat is így lehet meghatározni. Az óceáni savasodás kezdetéig, amely a 18. században bekövetkezett iparosításnak és a növekvő szén-dioxid-kibocsátásnak köszönhető, ez az érték nagyjából állandó maradt.
A Stanfordi Egyetem tanulmánya szerint, amely a felszín alatti tengervíz átlagosan 8,25-ös előfeldolgozását feltételezi, a pH-érték állítólag a jelenlegi 8,14-re csökkent a szén-dioxid felvétele miatt. [6] Az USA által a National Science Foundation (NSF), a National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) és az Egyesült Államok Geológiai Felmérése (USGS) közös felmérése arra a következtetésre jutott, hogy az iparosodás előtti átlagos pH-érték 8,16 volt, szemben a mai 8,05-tel. [7] A savanyulás mindkét esetben az emberi szén-dioxid-kibocsátásnak tulajdonítható, és 0,11 pH-egységre becsülhető.
Az óceánok, mint szénelnyelő
Az óceánok fontos szerepet játszanak a föld szénforgalmában, mivel szénelnyelői, mivel a föld felszínének 70 százalékát víz borítja. Becslések szerint 38 000 gigaton (Gt) szén tárolódik a teljes hidroszférában. A szén-dioxid a CO2 parciális nyomásának különbsége miatt az óceánba kerül. A magasabb résznyomás (légkör) területéről az alacsonyabb nyomású (óceán) területre mindig gáz áramlik. A szén-dioxid addig oldódik a tengerben, amíg a légkörben és a tengerben a parciális nyomás meg nem egyezik. Megfordítva, ez is újból megszökik, amikor a légkörben kisebb a nyomás, mint a tengerben. A tenger hőmérséklete szintén befolyásolja a szén-dioxid felvételét, mivel a hőmérséklet emelkedésével a víz kevesebb szén-dioxidot képes felszívni.
A légkörből felszívódó szén néhány éven belül eloszlik az óceánban a tenger által a nap által megvilágított rétegben. Két mechanizmus létezik a még nagyobb mélységbe jutáshoz. A legfontosabb az ún fizikai szénszivattyú, Az Északi-sarkvidéken a szénben gazdag felszíni víz lehűl és nehezebbé válik, süllyed és az óceánok mélyén nagy területeken oszlik el a globális szállítószalag hideg mély áramlása által. Kevésbé fontos, de nem jelentéktelen az ún biológiai szénszivattyú, a szénnél as Tengeri hó (biogén részecske eső) mélyebb régiókba süllyed. Több száz-ezer évbe telik, mire a légkörből felszívódó antropogén CO2 behatol az óceánokba a legmélyebb vízrétegekbe és eloszlatja őket; manapság átlagosan 1000 m mélységig kimutatható. [2] A tengerfenéken, a kontinentális lejtőkön és a sekély tengerekben (például a Weddell-tenger egyes részein) [8] az antropogén CO2 már elérheti a tenger fenekét.
A földi légkörben megnövekedett szén-dioxid-mennyiség azt eredményezte, hogy az óceánok az elmúlt 200 évben 118 ± 19 Gt szén-dioxidot, vagyis az antropogén CO2-kibocsátás 27–34% -át absorbálták. [9] 2006-ban 36,3 Gt további, az emberek által termelt CO2 vagy körülbelül 9,9 Gt szén szabadult fel a légkörbe világszerte. [10] A természetes forrásokat is beleszámítva a hidroszféra évente megközelítőleg 92 Gt légköri szenet vesz fel. Körülbelül 90 Gt-t bocsát ki a világ óceánjai, és 2 ± 1 Gt tárolja őket. [2] Egy 2003-ban publikált tanulmány valamivel pontosabban becsüli a szén-dioxid-felvételt az 1980–1989 közötti időszakban 1,6 ± 0,4 Gt-ra, 1990 és 1999 között pedig 2,0 ± 0,4 Gt-ra. [11]
A savanyítás kémiai folyamata
A levegőből származó szén-dioxid feloldódhat a tengervízben, majd nagyrészt különböző szervetlen vegyületek formájában van, amelyek relatív arányai tükrözik az óceánok pH-ját. Szervetlen szén található az óceánban kb. 1% szénsavban és szén-dioxidban, kb. 91% hidrogén-karbonát-ionokban (HCO3 -) és kb. 8% karbonát-ionokban (CO3 2−). A vízben oldott szén-dioxid egyensúlyban van a hidrogén-karbonát, a karbonát és az oxóniumionokkal (hidroniumionok) a következő reakcióegyenletek révén:
Az ebben a folyamatban keletkező oxóniumionok (H3O +) csökkenő pH-értéket okoznak, amelyet az oxoniumionok moláris koncentrációjának (pontosabban: aktivitásának) negatív dekadikus logaritmusaként határozunk meg.
Az oldott CO2-val történő savanyítás ellensúlyozza a kalcium-karbonát (CaCO3) jelenlétét, amely kémiai pufferrendszerként (→ pufferoldat) hidrogén-karbonáttal és karbonátionokkal működik, és így megköti a protonokat:
$ \ mathrm_3 \ rightleftharpoons \ mathrm ^ + \ mathrm_3 ^ $ $ \ mathrm < H^+ + CO_3^\rightleftharpoons HCO_3^- > $
Mint az alkáliföldfémek összes karbonátja, a kalcium-karbonát is csak kevéssé oldódik vízben. A tengervízben lévő kalcium-karbonát alapvetően két forrásból származik, nevezetesen a tengerfenék üledékeiből és az édesvíz beáramlásából származó bejutásból. A karbonát a meszes kőzetek mállása révén jut az utóbbiba. Annak érdekében, hogy az üledék elősegítse a savanyítás semlegesítését, a benne lévő kalcium-karbonátot fel kell oldani, és keringéssel kell a tengerfenékről a magasabb vízrétegekbe juttatni. Ha a modellszámításokban feltételezzük, hogy az időjárással összefüggő input állandó (évi 0,145 Gt szénnel karbonát formájában), akkor az óceánok elsavasodása az üledékképződés sebességének megfordulásához vezetne néhány száz éven belül. Az időjárással összefüggő kalcium-karbonát-bevitel csak mintegy 8000 év után tudta kompenzálni ezt a hatást. [12]
Jelentős mennyiségű kalcium-karbonát az üledékben a kalcitképző planktonból származik, különösen a globigerinekből (a foraminiferák csoportja), a kokkolitofórokból (a meszes algák csoportja) és a pteropodákból. Kisebb mennyiségek képződnek például a korallzátonyokban. A plankton lerakódhat a tenger fenekén karbonátban gazdag, biogén üledék (mésziszap) formájában, ha a víz mélysége nem túl nagy. Másrészt, ha a kalcium-karbonátok kalcit és aragonit kalcit és aragonit kompenzációs mélységét túllépik, akkor azok teljesen feloldódnak. Ezek a kompenzációs mélységek a savasodás során felfelé mozognak, és így nagy mennyiségű mészkő oldódik a tenger fenekén. Az aragonit esetében ma 400 m-ről 2500 m-re emelkedést határoztak meg az iparosodás óta. 2050-re további 700 m-es növekedés várható. [13] [14] A kalcitkompenzációs mélység felett 300-800 m-rel a lizoclin, az a terület a vízben, ahonnan az oldódási folyamat megindul. Ennek eredményeként szilárd karbonátok, például kalcium-karbonát is feloldhatók sekélyebb területeken, amíg az oldat ismét karbonátionokkal telítődik. A mészoldat reakcióegyenlete a következő: [15]
Következmények a tengeri életre és az óceán ökoszisztémájára
A megnövekedett CO2-tartalmú tengervíznek kitett tengeri élőlényekben olyan folyamat zajlik le, amely nagyon hasonlít a CO2 feloldódására az óceánban. A CO2 akadálytalanul vándorolhat a sejtmembránokon gázként, és ezáltal megváltoztathatja a testsejtek és a vér vagy a hemolimfa pH-értékét. A természetes sav-bázis egyensúly változását a szervezetnek kompenzálnia kell, amelyet egyes állatfajok jobban, mások rosszabbul végeznek. Egy szervezetben a sav-bázis paraméterek állandó eltolódása károsíthatja a növekedést vagy a termékenységet, és a legrosszabb esetben veszélyeztetheti egy faj túlélését. [16]
A korallok károsodása
A szén-dioxid oldata lelassítja a globális felmelegedést, de az ebből eredő lassú savasodás az óceánoknak súlyos következményekkel járhat a kalcium-karbonát (vagy egyszerűen mész) védőréteggel rendelkező állatok számára. [17] [7] [15] A fent leírtak szerint az óceánok kémiai egyensúlya a karbonátionok kárára elmozdul. A tengervízben lévő kalciummal való kapcsolatuk kalcium-karbonát előállításához létfontosságú a mészhéjat alkotó tengeri élet számára. A savasabbá váló óceán akadályozza a korallok, valamint a mikroorganizmusok, például az apró tengeri csigák és a zooplankton bio-mineralizációját, bár ezek közül néhány szervezet kifejezetten növeli a víz pH-ját azáltal, hogy csökkenti az oldott szén-dioxid mennyiségét, amikor a mészkristályok saját sejtjeikben keletkeznek. [18]
A zátonyképződés szempontjából fontos egyéb organizmusok is valószínűleg savasodástól szenvednek. Hét hetes kísérlet során a Corallinaceae család vörös algáit, amelyek fontos szerepet játszanak a korallzátonyok fejlődésében, mesterségesen savanyított tengervíznek tették ki. Az összehasonlító csoporthoz képest a savasabb vízben lévő algák a szaporodási sebesség és a növekedés éles csökkenését mutatták. Tekintettel azokra a körülményekre, amelyekben az óceánokban a pH-érték tovább csökken, ennek valószínűleg jelentős következményei lesznek az érintett korallzátonyokra. [22]
A többi tengeri élet károsodása
A kék kagylók meszesedésének mértéke a 21. század végére 25% -kal, a csendes-óceáni osztrigaé 10% -kal csökkenhet. A tudósok az IPCC sajátos forgatókönyvét követve érték el ezeket az értékeket, amely 2100-ig 740 ppm légköri CO2-koncentrációt tervez. 1800 ppm határérték felett a kagylóhéj még feloldódni is kezd, ami általában veszélyezteti a partok biológiai sokféleségét és jelentős gazdasági károkkal fenyeget. [27]
Az óceáni tápláléklánc planktonon alapszik. Különösen meszes algák (ún Haptophyta) függenek a meszes héj kialakulásától a túlélés érdekében. Ha ez a savasodás miatt már nem lehetséges, annak messzemenő következményei lehetnek az óceánok táplálékláncára. [28] A volt Leibniz Tengerészeti Tudományok Intézetének 2004-ben közzétett tanulmánya rámutat arra a számos komplex hatásra, amelyet az alacsonyabb pH-érték a planktonra gyakorolhat, beleértve az állati organizmusok meszesedésének gyengébb kiindulási helyzetét a fitoplanktonhoz (úszó algák) képest. Ugyanakkor hangsúlyos a kutatás bizonytalan állapota, amely jelenleg nem enged messzemenő előrejelzéseket a teljes ökoszisztémák fejlődésével kapcsolatban. [29] Csökkenő mértékű meszesedést találtak az óceán déli részén található Globigerinida rend foraminiferáiban. Az egysejtű foraminiferák felelősek a teljes óceáni szén-fluxus negyedéért vagy feléért. A vizsgálatok során a foraminiferákra került sor Globigerina bulloides megállapította, hogy a meszes héj tömege 30-35% -kal kisebb, mint az üledékekből kinyert elhullott példányoké. A pH további csökkenésének következményei bizonytalanok. [30]
Az alacsonyabb pH-érték nagyobb tengeri állatokra gyakorolt hatásának vizsgálata kimutatta, hogy például az ív és a lárvák károsodhatnak. A teszteket jóval alacsonyabb pH-értéken hajtották végre, mint amire a közeljövőben számítani lehet, így korlátozott tájékoztató értékűek. [1]
A jelenlegi és jövőbeli fejlődés
Az amerikai Tatoosh-szigeten, a washingtoni állam Olimpiai-félszigetének közelében végzett nyolcéves részletes vizsgálat során a helyi pH-érték lényegesen többet ingadozott a nap folyamán és az év folyamán, mint azt korábban feltételezték, nevezetesen legfeljebb egy pH-egység egy éven belül, és 1,5 egységgel a 2000-2007-es vizsgálati időszakban. Ugyanakkor a teljes pH-koncentráció jelentősen csökkent, átlagosan -0,045 egység/év, lényegesen gyorsabban, mint a modellek számították. Ezek a csökkentések észrevehetően befolyásolták a helyi biológiát. A kaliforniai kagyló, a kagyló és a csövek ezt követően csökkentek, míg a különféle barnák és egyes algatípusok megnövekedtek. [33]
Az óceánok süllyedő hatása nélkül a szén-dioxid légköri koncentrációja ma 55 ppm-rel lenne magasabb, vagyis legalább 435 ppm lenne a jelenlegi 380 ppm helyett. Az óceánoknak évszázadok alatt képesnek kell lenniük az antropogén CO2-kibocsátás 65–92% -ának elnyelésére. Azonban olyan jelenségek, mint a növekvő Revelle-tényező, biztosítják, hogy a hőmérséklet emelkedésével és a légköri CO2 növekvő arányával az óceánok szénelnyelő képessége csökkenjen. [9] 2100-ra a víz CO2-abszorpciós képessége valószínűleg körülbelül 7–10% -kal csökken. [34] A tengervíz felmelegedése a szén-dioxid-felvétel csökkenéséhez is vezet, valószínűleg 9-14% -kal a 21. század végére. [35]
Összességében a modellszámítások szerint az óceánok süllyedési képessége a 21. század végére valószínűleg 5–16% -kal csökken. [34] Bizonyíték van arra, hogy ez a folyamat már elkezdődhetett. Az elméletileg várható felvételhez képest a Déli-óceán 1981 és 2004 között nyilvánvalóan évente 0,08 Gt szén-dioxidot vett fel. [36] Ez azért különösen fontos, mert a 30 ° D-től délre fekvő tengerek (a Déli-óceán a D-től 60 ° -tól délre) elnyelik az óceánok által megkötött szén-dioxid egyharmadát és felét. [37] Az Atlanti-óceán északi részén az abszorpciós kapacitás nemcsak elméletileg gyengült, hanem 1994–1995 és 2002–2005 között több mint 50% -kal, vagyis körülbelül 0,24 Gt szénnel csökkent. [38] Ez a tenger jelentősen csökkent légköri szén-dioxid-pufferkapacitását jelzi. [39] Mindkét esetben a szél változásai vagy a felszíni és a mély víz keveredésének csökkenése valószínűleg felelős a csökkenésért.
Ha a légköri CO2-koncentráció megduplázódik az iparosodás előtti 280 ppm (millió per millió) szinthez képest, akkor a pH-érték további csökkenése 7,91-re várható, és megháromszorozódik 7,76-ig [7] vagy körülbelül 0,5 ponttal. [1] A 21. század végére ilyen alacsony pH-érték várható az óceánokban, mivel ez legalább 650 000 éve nem fordult elő. Ha a becslés időtartama néhány évszázaddal meghosszabbodik a jövőben, lehetségesnek tűnik a pH-érték 0,7 ponttal történő csökkentése. Ez a legrosszabb eset azt feltételezi, hogy a még rendelkezésre álló fosszilis tüzelőanyagok többsége elfogyasztásra kerül, ideértve a gazdaságilag nem használható szemétlerakódásokat is. Ez valószínűleg minden eddiginél nagyobb savasodást jelentene az elmúlt 300 millió évben, a ritka és rendkívüli katasztrófák esetleges kivételével. [19] Egy ilyen hipotetikus állapot aligha lenne visszafordítható az emberi időskálák keretein belül; legalább több tízezer évbe telik, mire az iparosodás előtti pH-értéket természetesen újra elérik, ha egyáltalán.