Acidificarea mării - Biologie

Cand Acidificarea mărilor este termenul folosit pentru a descrie scăderea valorii pH-ului apei de mare. Este cauzat de absorbția dioxidului de carbon (CO2) din atmosfera terestră. [1] [2] Pe lângă încălzirea globală, procesul este una dintre principalele consecințe ale emisiilor umane de dioxid de carbon cu gaze cu efect de seră. În timp ce dioxidul de carbon din atmosferă duce fizic la creșterea temperaturilor pe pământ, acesta are un efect chimic în apa de mare. Acidificarea prin gaze poate fi atribuită doar CO2; emisiile altor gaze cu efect de seră, cum ar fi metanul sau oxidul de azot, nu contribuie la aceasta. În plus, aporturile de acid, cum ar fi acidul diluat și alte poluări ale mediului, joacă un anumit rol.

Consecințele acestei acidificări afectează inițial organismele care formează schelete calcaroase, a căror capacitate de a forma învelișuri de protecție sau schelete interioare scade atunci când valoarea pH-ului scade. Deoarece aceste specii formează adesea baza lanțurilor alimentare din oceane, aceasta poate avea consecințe grave asupra numeroaselor creaturi marine care depind de ele și, ca urmare, pentru oamenii care depind de ele.

Acidificarea oceanelor este, de asemenea, subiectul proiectului Future Ocean.

pH-ul oceanului

Valoarea pH-ului este definită pentru soluțiile diluate în mod ideal și, prin urmare, nu se aplică direct la apa sărată de mare. Pentru a putea furniza valori medii pentru apa de mare, trebuie folosite și modele pentru a simula un echilibru chimic al oceanului. În acest scop, trei modele diferite sunt utilizate în prezent cu scările rezultate, care se află la o distanță de până la 0,12 unități. Prin urmare, valorile medii pot fi comparate numai în cadrul modelului de bază. [3] [4]

Apa de mare este ușor alcalină, cu o valoare a pH-ului de aproximativ 8. Potrivit unui rezumat al Societății Regale Britanice, apa de suprafață a mărilor de astăzi are de obicei valori ale pH-ului cuprinse între 7,9 și 8,25 până la o adâncime de 50 m, cu o valoare medie de 8,08. [1] Principalele motive pentru această diferență de 0,25 unități sunt temperatura apei, flotabilitatea locală a apei adânci bogate în dioxid de carbon, precum și productivitatea biologică, care, acolo unde este ridicată, leagă mult dioxid de carbon sub formă de viață marină și în cele mai profunde Straturi de apă transportate.

Analiza sedimentelor oferă o posibilitate de reconstituire a valorilor anterioare ale pH-ului. Din compoziția izotopică a hidroxizilor de bor se poate determina că valoarea pH-ului la suprafața mării a fost de aproximativ 7,4 ± 0,2 cu aproximativ 21 de milioane de ani în urmă, până când a atins 8,2 ± aproximativ 7,5 milioane de ani în urmă 0,2 trandafir. [5] Deoarece valoarea pH-ului oceanelor este direct legată de concentrația de dioxid de carbon din atmosferă prin intermediul coeficientului Henry, concentrațiile paleo-CO2 pot fi, de asemenea, determinate în acest fel. Până la începutul acidificării oceanice ca urmare a debutului industrializării în secolul al XVIII-lea și a creșterii emisiilor de dioxid de carbon, această valoare a rămas aproximativ constantă.

Potrivit unui studiu realizat de Universitatea Stanford, care presupune o valoare pre-industrială a pH-ului apei de mare aproape de suprafață în medie cu 8,25, se spune că valoarea pH-ului a scăzut până la valoarea actuală de 8,14 din cauza absorbției de dioxid de carbon. [6] Un sondaj comun din SUA realizat de National Science Foundation (NSF), National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) și United States Geological Survey (USGS) ajunge la concluzia că valoarea medie a pH-ului înainte de industrializare a fost 8,16, comparativ cu 8,05 astăzi. [7] În ambele cazuri, acidificarea este atribuită emisiilor umane de dioxid de carbon și este cuantificată la 0,11 unități de pH.

Oceanele ca o chiuvetă de carbon

Oceanele joacă un rol important în ciclul carbonului terestru ca o scufundare de carbon, întrucât 70% din suprafața pământului este acoperită de apă. Se estimează că 38.000 de gigatoni (Gt) de carbon sunt depozitați în întreaga hidrosferă. Dioxidul de carbon ajunge în ocean datorită diferenței de presiune parțială a CO2. Un gaz curge întotdeauna din zona cu presiune parțială mai mare (atmosferă) în zona cu presiune mai mică (ocean). Dioxidul de carbon este dizolvat în mare până când presiunea parțială din atmosferă și din mare este aceeași. Dimpotrivă, scapă din nou atunci când presiunea în atmosferă este mai mică decât în mare. Temperatura unei mări influențează și absorbția dioxidului de carbon, deoarece apa poate absorbi mai puțin dioxid de carbon pe măsură ce temperatura crește.

Carbonul absorbit din atmosferă este distribuit în ocean în câțiva ani în stratul mării iluminat de soare. Există două mecanisme pentru a intra în profunzimi și mai mari. Cel mai important este așa-numitul pompă fizică de carbon, Apa de suprafață bogată în carbon din Arctica se răcește și devine mai grea, se scufundă și este distribuită pe zone întinse în adâncurile oceanelor de curenții reci adânci ai benzii transportoare globale. Mai puțin important, dar nu nesemnificativ, este așa-numitul pompa biologică de carbon, la carbon ca Zăpadă de mare (ploaia de particule biogene) se scufundă în regiuni mai adânci. Durează sute până la mii de ani pentru ca CO2 antropogen absorbit din atmosferă să pătrundă oceanele în cele mai adânci straturi de apă și să-l distribuie; astăzi poate fi detectat până la o adâncime medie de 1.000 m. [2] La monturile subacvatice, pe versanții continentali și în mări puțin adânci (de exemplu în părți ale Mării Weddell) [8] CO2 antropogen poate ajunge deja la fundul mării.

Cantitatea crescută de dioxid de carbon din atmosfera terestră a dus la 118 ± 19 Gt de carbon sau 27% la 34% din emisiile antropice de CO2 absorbite de oceane în ultimii 200 de ani. [9] În 2006, 36,3 Gt de CO2 suplimentar produs de oameni sau aproximativ 9,9 Gt de carbon au fost eliberate în atmosferă în întreaga lume. [10] Inclusiv surse naturale, hidrosfera absoarbe în prezent aproximativ 92 Gt de carbon atmosferic pe an. Aproximativ 90 Gt din aceasta sunt degajate de oceanele lumii și 2 ± 1 Gt sunt stocate acolo. [2] Un studiu publicat în 2003 estimează absorbția carbonului oarecum mai precis în perioada 1980–1989 la 1,6 ± 0,4 Gt și între 1990 și 1999 la 2,0 ± 0,4 Gt pe an. [11]

Proces chimic de acidificare

Dioxidul de carbon din aer se poate dizolva în apa de mare și este apoi în mare parte sub formă de diverși compuși anorganici, ale căror proporții relative reflectă pH-ul oceanelor. Carbonul anorganic se găsește în ocean până la aproximativ 1% în acid carbonic și dioxid de carbon, aproximativ 91% în ioni de hidrogen carbonat (HCO3 -) și aproximativ 8% în ioni carbonat (CO3 2−). Dioxidul de carbon dizolvat în apă este în echilibru cu ionii de hidrogen carbonat, carbonat și oxoniu (ioni hidroniu) prin următoarele ecuații de reacție:

Ionii de oxoniu (H3O +) produși în acest proces determină scăderea valorii pH-ului, care este definită ca logaritmul decadic negativ al concentrației molare (mai precis: activitatea) ionilor de oxoniu.

Acidificarea cauzată de CO2 dizolvat contracarează prezența carbonatului de calciu (CaCO3), care acționează cu ionii de carbonat și hidrogen ca sistem tampon chimic (→ soluție tampon) și astfel leagă protoni:

$ \ mathrm_3 \ rightleftharpoons \ mathrm ^ + \ mathrm_3 ^ $ $ \ mathrm < H^+ + CO_3^\rightleftharpoons HCO_3^- > $

La fel ca toți carbonații metalelor alcalino-pământoase, carbonatul de calciu este doar puțin solubil în apă. Carbonatul de calciu din apa de mare provine în esență din două surse, și anume sedimente de pe fundul mării și intrarea din fluxul de apă dulce. Carbonatul pătrunde în acesta din urmă prin degradarea rocilor calcaroase. Pentru ca sedimentul să contribuie la neutralizarea acidificării, carbonatul de calciu pe care îl conține trebuie dizolvat și transportat prin circulație de la fundul mării către straturi de apă mai înalte. Dacă se presupune că aportul legat de vreme este constant în calculele modelului (cu 0,125 Gt pe an de carbon sub formă de carbonat), acidificarea oceanelor ar duce la o inversare a ratei de formare a sedimentelor în câteva sute de ani. Intrarea de carbonat de calciu legată de vreme nu ar putea compensa acest efect decât după o perioadă de aproximativ 8.000 de ani. [12]

Cantități semnificative de carbonat de calciu din sediment provin din planctonul care formează calcit, în special din globigerine (un grup de foraminifere), coccolitofori (un grup de alge calcaroase) și pteropode. De exemplu, în recifele de corali se formează cantități mai mici. Planctonul poate fi depus la fundul mării sub formă de sedimente biogene bogate în carbonat (nămol de var) dacă adâncimea apei nu este prea mare. Pe de altă parte, dacă adâncimea de compensare a calcitului și a aragonitului pentru carbonații de calciu calcita și aragonitul sunt depășite, atunci acestea se dizolvă complet. Aceste adâncimi de compensare se deplasează în sus în cursul acidificării și astfel cantități mari de calcar se dizolvă pe fundul mării. O creștere de 400 m până la 2.500 m astăzi a fost deja determinată pentru aragonit în Atlantic de la industrializare. Se preconizează o nouă creștere de 700 m până în 2050. [13] [14] 300 până la 800 m deasupra adâncimii de compensare a calcitului este lizoclina, zona din apă din care începe procesul de dizolvare. Ca rezultat, carbonații solizi, cum ar fi carbonatul de calciu, pot fi, de asemenea, dizolvați în zone mai puțin adânci până când soluția este din nou saturată cu ioni carbonat. Ecuația de reacție pentru soluția de var este: [15]

Consecințe pentru viața marină și ecosistemul oceanic

În organismele marine care sunt expuse apei de mare cu un conținut crescut de CO2, are loc un proces care este foarte similar cu dizolvarea CO2 în ocean. CO2 poate migra nestingherit prin membranele celulare ca gaz și astfel modifică valoarea pH-ului celulelor corpului și a sângelui sau a hemolimfei. Schimbarea echilibrului natural acido-bazic trebuie compensată de organism, lucru pe care unele specii de animale îl fac mai bine și altele mai rău. O schimbare permanentă a parametrilor acid-bazici din cadrul unui organism poate afecta creșterea sau fertilitatea și, în cel mai rău caz, pune în pericol supraviețuirea unei specii. [16]

Deteriorarea coralilor

Soluția de dioxid de carbon încetinește încălzirea globală, dar acidificarea lentă a oceanelor rezultată poate avea consecințe grave pentru animalele cu un strat protector de carbonat de calciu (sau pur și simplu var). [17] [7] [15] După cum s-a descris mai sus, echilibrul chimic al oceanelor se schimbă în detrimentul ionilor de carbonat. Legătura lor cu calciul din apa mării pentru a forma carbonat de calciu este de o importanță vitală pentru viața marină care formează coji de var. Un ocean care devine mai acid împiedică biomineralizarea coralilor, precum și a microorganismelor, cum ar fi micii melci de mare și zooplanctonul, deși unele dintre aceste organisme cresc în mod specific valoarea pH-ului apei prin reducerea cantității de dioxid de carbon dizolvat atunci când cristalele de var sunt generate în propriile celule. [18]

Este posibil ca alte organisme importante pentru formarea recifelor să sufere de acidificare. Într-un experiment de șapte săptămâni, algele roșii din familia Corallinaceae, care joacă un rol important în dezvoltarea recifelor de corali, au fost expuse la apa de mare acidificată artificial. Comparativ cu grupul de comparație, rata de reproducere și creșterea algelor în apa mai acidă a scăzut brusc. Având în vedere condițiile în care valoarea pH-ului în oceane continuă să scadă, acest lucru va avea probabil consecințe semnificative pentru recifele de corali afectate. [22]

Afectarea altor vieți marine

Rata de calcificare a midiilor albastre ar putea scădea cu 25%, iar cea a stridiei din Pacific cu 10% până la sfârșitul secolului XXI. Oamenii de știință au venit cu aceste valori urmând un scenariu specific din IPCC, care prevede o concentrație atmosferică de CO2 de aproximativ 740 ppm până în 2100. Peste o valoare limită de 1.800 ppm, cochilia midiei chiar începe să se dizolve, ceea ce, în general, pune în pericol biodiversitatea de pe coastă și amenință, de asemenea, daune economice considerabile. [27]

Lanțul alimentar oceanic se bazează pe plancton. Mai ales alge calcaroase (așa-numitele Haptophyta) sunt dependente de formarea unei cochilii calcaroase pentru a supraviețui. Dacă acest lucru nu mai este posibil din cauza acidificării, ar putea avea consecințe de anvergură asupra lanțului alimentar al oceanelor. [28] Un studiu publicat în 2004 de fostul Institut Leibniz pentru Științe Marine indică numeroasele efecte complexe pe care o valoare a pH-ului mai scăzută le poate avea asupra planctonului, inclusiv poziția de pornire mai slabă pentru calcificarea organismelor animale comparativ cu fitoplanctonul (algele plutitoare). În același timp, se subliniază starea incertă a cercetării, care în prezent nu permite nici o previziune de anvergură despre dezvoltarea ecosistemelor întregi. [29] O rată de calcificare descrescătoare a fost găsită în foraminiferele de ordinul Globigerinida din oceanul sudic. Foraminiferele unicelulare sunt responsabile pentru un sfert până la jumătate din fluxul total de carbon oceanic. În investigații a fost făcut pentru foraminifere Globigerina bulloides o reducere cu 30-35% în greutate a cojii calcaroase în comparație cu exemplarele moarte recuperate din sedimente. Consecințele unei scăderi suplimentare a pH-ului sunt incerte. [30]

Studiile asupra influenței unei valori mai mici a pH-ului asupra animalelor marine mai mari au arătat că, de exemplu, icrele și larvele pot fi deteriorate. Testele au fost efectuate la valori de pH mult mai mici decât se poate aștepta în viitorul apropiat, astfel încât acestea să aibă o valoare informativă limitată. [1]

Dezvoltare actuală și viitoare

Într-o investigație detaliată de opt ani în largul Insulei Tatoosh din SUA, în apropierea Peninsulei Olimpice din statul Washington, valoarea pH-ului local a fluctuat semnificativ mai mult în timpul zilei și al anului decât se presupunea anterior, și anume până la o unitate de pH într-un an și cu 1,5 unități în perioada de studiu 2000-2007. În același timp, concentrația generală a pH-ului a scăzut semnificativ, cu o medie de -0,045 unități pe an, semnificativ mai rapid decât calculat de modele. Aceste reduceri au avut un efect vizibil asupra biologiei locale. Scoicile, midiile și balanele din California au scăzut ulterior, în timp ce diferite balanțe și unele tipuri de alge au crescut. [33]

Fără efectul scufundării oceanelor, concentrația atmosferică a dioxidului de carbon ar fi cu 55 ppm mai mare astăzi, adică cel puțin 435 ppm în loc de actualul 380 ppm. Pe o perioadă de secole, oceanele ar trebui să poată absorbi între 65% și 92% din emisiile antropice de CO2. Cu toate acestea, fenomene precum un factor Revelle în creștere asigură că odată cu creșterea temperaturilor și cu o proporție tot mai mare de CO2 atmosferic, capacitatea oceanelor de a absorbi carbonul scade. [9] Până în 2100, capacitatea apei de a absorbi CO2 este probabil să scadă cu aproximativ 7-10%. [34] Încălzirea apei de mare duce, de asemenea, la o absorbție redusă a dioxidului de carbon, probabil cu 9-14% până la sfârșitul secolului XXI. [35]

În general, conform calculelor modelului, capacitatea oceanelor de a scufunda este probabil să scadă cu aproximativ 5-16% până la sfârșitul secolului 21. [34] Există dovezi că este posibil ca acest proces să fi început deja. În raport cu absorbția teoretic așteptată, Oceanul Sudic pare să fi consumat prea puțin 0,08 Gt de carbon pe an între 1981 și 2004. [36] Acest lucru este deosebit de important deoarece mările la sud de 30 ° S (Oceanul de Sud este la sud de 60 ° S) absorb între o treime și jumătate din dioxidul de carbon legat de oceane la nivel mondial. [37] În Atlanticul de Nord, capacitatea de absorbție nu numai că a slăbit teoretic, dar a scăzut de fapt între 1994-1995 și 2002-2005 cu peste 50% sau cu aproximativ 0,24 Gt carbon. [38] Acest lucru indică o capacitate tampon semnificativ redusă a mării pentru dioxidul de carbon atmosferic. [39] În ambele cazuri, schimbările de vânt sau o amestecare în scădere a apelor de suprafață și adânci sunt susceptibile de a fi responsabile pentru declin.

Dacă concentrația atmosferică de CO2 se dublează comparativ cu nivelul pre-industrial de 280 ppm (părți pe milion), se așteaptă o scădere suplimentară a valorii pH-ului la 7,91, cu o triplare la 7,76 [7] sau cu aproximativ 0,5 puncte. [1] Până la sfârșitul secolului 21, se așteaptă o valoare atât de scăzută a pH-ului în oceane, deoarece nu a avut loc de cel puțin 650.000 de ani. Dacă perioada estimării este prelungită cu câteva secole în viitor, pare posibilă o scădere a valorii pH-ului cu până la 0,7 puncte. Acest scenariu în cel mai rău caz presupune că majoritatea combustibililor fosili care sunt încă disponibili sunt consumați, inclusiv depozitele de gunoi care nu sunt utilizabile economic. Aceasta ar fi probabil mai acidificată ca niciodată în ultimii 300 de milioane de ani, cu posibila excepție a evenimentelor catastrofale rare și extreme. [19] O astfel de stare ipotetică ar fi greu reversibilă în cadrul scalei de timp umane; ar dura cel puțin câteva zeci de mii de ani înainte ca valoarea pH-ului pre-industrial să fie atinsă din nou în mod natural, dacă este deloc.