W drugiej połowie XVIII wieku miało swój początek pierwsze spalanie paliw kopalnych, a konkretniej emisje dwutlenku węgla. I to nie tylko do atmosfery, ale i też, z większym upływem czasu, do oceanów. Z tą jednak różnicą, że rosnące stężenie dwutlenku węgla w wodach oceanicznych nie przyczynia się do zatrzymywania energii cieplnej w zakresie w podczerwieni, jak to się dzieje właśnie w atmosferze, ale powoduje inną zmianę klimatu – zakwaszenie oceanów.
Cząsteczka dwutlenku węgla, reagując z cząsteczką wody, zamienia się się w słaby kwas węglowy, który ulega dysocjacji na jony: aniony wodorowęglanowe i kationy wodorowe, i następnie, na aniony węglanowe i znowu na kationy wodorowe.
CO2 + H2O > H2CO3 ; H2CO3 > HCO3– +H+ ; HCO3– > CO32- + H+
W obiegu węglowym atmosferyczny dwutlenek węgla jest cały czas w interakcji z oceanami. Problem jednak zaczyna się robić, gdy tego najważniejszego gazu w systemie klimatycznym, pojawia się znacznie więcej niż potrzeba. To znaczy, gdy rośnie stosunek anionów wodorowęglanowych względem węglanowych i gdy zaczyna tych drugich brakować do budowy skorupek u skorupiaków i muszli u małży.
Oceany, tak jak i lądy, mniej więcej w naturalnych procesach tyle samo emitują co absorbują dwutlenku węgla. Jednak od uruchomienia pierwszych manufaktur opalających węgiel w Wielkiej Brytanii, również stężenie tego gazu zaczęło powoli wzrastać w oceanach, a temperatura i energia cieplna w największych akwenach wodnych Ziemi zaczęła rosnąć dopiero od lat 70 XX wieku, gdy unowocześniono pomiary i zaobserwowano na wykresach szybki wzrost tych parametrów.
Jak czytamy w pracy naukowej, opublikowanej, w instytucji naukowej NOAA – Morskim Laboratorium Środowiska Pacyficznego (PMEL – Pacific Marine Environment Laboratory), przez badaczy zakwaszenia oceanów: Richarda Feely’ego, Christophera Sabine i Victorię Fabry, od początku ery przemysłowej ocean wchłonął z atmosfery około 525 miliardów ton CO2 1.
A więc w 2006 roku było to już około 22 milionów ton dziennie.
Autorzy serwisu Smithsonian Institution piszą tak 2:
Początkowo naukowcy myśleli, że może to być dobre rozwiązanie, ponieważ pozostawia mniej dwutlenku węgla w powietrzu, aby ogrzać planetę. Ale w ostatniej dekadzie zdali sobie sprawę, że to spowolnione ocieplenie odbywa się kosztem zmiany chemii oceanu. Kiedy dwutlenek węgla rozpuszcza się w wodzie morskiej, woda staje się bardziej kwaśna, a stężenie (pH) oceanu (miara kwasowości lub zasadowości oceanu) spada. Chociaż ocean jest ogromny, wystarczająca ilość dwutlenku węgla może mieć duży wpływ. Tylko w ciągu ostatnich 200 lat woda w oceanie stała się o 30 procent bardziej kwaśna – szybciej niż jakakolwiek znana zmiana chemiczna oceanu w ciągu ostatnich 50 milionów lat.
—–
Jeden z najważniejszych eksperymentów badania wpływu zakwaszenia oceanu na gatunki oceaniczne i morskie – Mesocosm – został przeprowadzony w pelagialu u wybrzeży Norwegii w 2015 r. Projektem tym kierował Ulf Riebesell, profesor Biologicznej Oceanografii, pracujący w GEOMAR – Centrum Badań Oceanicznych im. Helmholtza w Kilonii 3.
Badania przeprowadzone zostały w ośmiu mezokosmach o pojemności 55 000 litrów każdy. Są to eksperymentalne zbiorniki wodne umieszczone w morzu lub w oceanie i obsługiwane przez 36 badaczy, którzy przez 50 dni pobierali próbki.
Projekt ten pokazał, że kluczowe gatunki w skali globalnej o strukturze wapiennej jak glon Emiliania huxleyi czy zwierzę bezkręgowe – mięczak, pteropod, czyli morski ślimak skrzydłonogi Limacina helicina, będą głównymi przegranymi.
Wspomniany glon Emiliania huxleyi odgrywa dwie ważne role klimatyczne. Po pierwsze, transportuje węgiel w głębiny oceaniczne opadając po śmierci, a więc, łagodzi klimat. Po drugie, wytwarza chłodny i jasny gaz aerozolowy – dimetylek siarczku (DMS – Dimethyl Sulfoxide), dzięki czemu chmury bieleją, głównie stratocumulusy nad oceanami, i silnie odbijają w przestrzeń kosmiczną promienie słoneczne. A więc, w tym przypadku ten glon ochładza klimat. Z kolei ślimak skrzydłonogi Limacina helicina jest bardzo ważnym ogniwem w sieci troficznej, służącym jako pokarm dla wielu ryb i morskich ssaków (zwłaszcza waleni) i ptaków. Gdy go zabraknie w ekosystemie pelagicznego planktonu, to łańcuchy i sieci pokarmowe po prostu załamią się i może dojść do katastrofy ekologicznej. Mięczak ten jest uzależniony od wysokiego nasycenia wód pelagicznych aragonitem.
—
Fot.1. Skaningowa mikrografia elektronowa pojedynczej komórki Emiliania huxleyi (z witryny internetowej).
Fot.2. Żywy osobnik Limacina helicina (z witryny internetowej).
—
Do zwycięzców należą gatunki niewapienne – pikoplanktonowe, jak bakterie, a wśród bezkręgowych zwierząt, megaplanktonowe osłonice Oicopleura doica, a także z pewnością wiele innych o galaretowatym kształcie zwierząt, jak inne gatunki osłonic czy też wiele gatunków meduz.
—
Fot.3.: po lewej: Studium lokalizacji eksperymentów KOSMOS. po prawej: mezokosmosy KOSMOS rozmieszczone u wybrzeży Ny Ålesund na Svalbardzie (Signe Klavsen – GEOMAR).
Fot.4. Trzy z dziesięciu mezokosmów Kilonia KOSMOS w Gullmar Fjord w Szwecji (Maike Nicolai – GEOMAR).
—
Kunshan Gao, z Państwowego Kluczowego Laboratorium Nauk o Środowisku Morskim i Wyższej Szkoły Nauk o Oceanie i Ziemi na Uniwersytecie w Xiamen w Chinach, wraz ze swoim zespołem badawczym, zaobserwował, że wzrost stężenia atmosferycznego dwutlenku węgla wynosi obecnie 0,5% rocznie. I właśnie ono przyczynia się do zakwaszenia oceanu (OA – Ocean Acidification).
Gdy powierzchniowe górne warstwy wody nie mieszają się (UML – upper mixed layer), to gatunki morskie, zwłaszcza fotosyntetyczne glony, są bardziej narażone na zwiększoną dzienną ekspozycję dawki promieniowania fotosyntetycznie aktywnego (PAR Photosynthetically Active Radiation) i promieniowania ultrafioletowego (UV – Ultraviolet). Stratyfikacja oceanu sprzyja również zmniejszonym dostawom składników pokarmowych z dna i głębin oceanicznych oraz zmniejszonemu rozpuszczaniu się tlenu i tworzeniu się stref beztlenowych, co stanowi już dziś bardzo poważne zagrożenie dla flory i fauny w wielu akwenach oceanicznych morskich. 4
—
Rys.1. Zakwaszenie oceanu, ocieplenie i odtlenienie związane z rosnącym wzrostem CO2 w atmosferze . Zaleganie górnej warstwy mieszanej (UML) w wyniku ocieplenia naraża żyjące tam organizmy na wyższe poziomy promieniowania słonecznego [przerysowano na podstawie (Kunshan Gao i inni, 2012a) oraz (David Hutchins & Feixue Fu, 2017).
—
Autorzy w swojej pracy napisali:
Oceany pobierają ponad 1 milion ton antropogenicznego CO2 na godzinę, zwiększając poziom ciśnienia parcjalnego rozpuszczonego dwutlenku węgla (pCO2) i obniżając stężenie (pH) wody morskiej w procesie zwanym zakwaszeniem oceanów (OA – Ocean Acidification).
Ze wszystkich organizmów fotosyntetyzujących na Ziemi, morskie organizmy odpowiadają za około połowę globalnego wiązania węgla (Paul Falkowski & John Raven, 2013). W większości oceanów dominującymi fotoautotrofami są gatunki fitoplanktonowe: jednokomórkowe mikroglony i sinice, których habitaty występują przede wszystkim na otwartych wodach oceanów. Natomiast duże glony, makroglony, oraz trawy morskie preferują głównie siedliska przybrzeżne. Na te organizmy wpływa zarówno wzrost ciśnienia parcjalnego dwutlenku węgla (pCO2) , jak i spadek stężenia wód (pH) wraz z trwającym zakwaszeniem oceanu (OA – Ocean Acidification).
Ocieplenie oceanu prowadzi do spadku rozpuszczalności tlenu w górnej warstwie oceanu, a to oznacza jego odtlenianie. A powstająca w niej stratyfikacja hamuje wentylację oceanu, czyli mieszanie powierzchniowych wód natlenionych z wodami głębszymi pelagicznymi i bentosowymi. A to z kolei prowadzi do odtleniania głębszych warstw oceanu. Ponadto, ludzie prowadząc działalność rolnictwa intensywnego doprowadzają często do tego, że ich nawozy azotanowe i fosforanowe stymulują rozwój bakterii i sinic, które w produkcji pierwotnej netto usuwają tlen z otoczenia wód morskich przybrzeżnych doprowadzając do ich odtleniania i wymierania wielu morskich gatunków przybrzeżnych.
W swoich wynikach badań, powyżej opisany zespół naukowy zauważył, że promieniowanie słoneczne ultrafioletowe oraz / lub podwyższona temperatura wyraźnie powodują zmniejszenie zwapnienia pośród glonów wapiennych. Natomiast u okrzemek został stwierdzony większy wzrost ich budowy krzemianowej przy podwyższonym poziomie CO2, ale i przy niewielkim nasłonecznieniu. Jednak zbyt intensywne światło słoneczne hamuje również rozwój tych glonów krzemianowych (Sunke Schmidtko i inni, 2017; Denise Breitburg i inni, 2018).
—
Referencje:
- Feely R. et al., 2006 ; Carbon Dioxide and Our Ocean Legacy ; Smithsonian Institution ; https://www.pmel.noaa.gov/pubs/PDF/feel2899/feel2899.pdf
- Bennett J., 2006 ; Ocean Acidification ; Smithsonian ; https://ocean.si.edu/ocean-life/invertebrates/ocean-acidification
- Riebesell U. et al., 2016 ; Competitive fitness of a predominant pelagic calcifier impaired by ocean acidification ; Nature Geoscience ; https://www.nature.com/articles/ngeo2854
- Gao K. et al., 2019 ; Effects of Ocean Acidification on Marine Photosynthetic Organisms Under the Concurrent Influences of Warming, UV Radiation, and Deoxygenation ; Global Change and the Future Ocean ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2019.00322/full