Zakwaszenie wód oceanów i mórz w przeszłości, dziś i w przyszłości

Rozkład czasowy, w jakim procesy chemiczne oceanu reagują na zmiany w koncentracji dwutlenku węgla w powietrzu, zbadano w tzw. eksperymencie numerycznym, który został opisany w artykule Bärbela Hönischa i jego zespołu badawczego (Bärbel Hönisch, 2012). (patrz rys. 6 w artykule Nauka o Klimacie Zakwaszenie oceanu szkodzi morskim stworzeniom. Został w nim przedstawiony zaawansowany model środowiska Ziemi, w którym zostały wykorzystane następujące procesy fizykochemiczne:

a) procesy zachodzące w atmosferze, oceanach, na powierzchni lądów

b) oddziaływanie wody i lodu morskiego

c) procesy biochemiczne itd. (projekt GENIE).

Obliczenia w tym modelu pokazały podwojenie stężenia CO2 z czasów sprzed początku rewolucji przemysłowej do co najmniej drugiej połowy XXI wieku. Z 278 ppm do 556 ppm. Niezależnie od tego, ile czasu przebiega ten proces (rys. 1 A), powoduje on znaczący spadek pH (rys. 1 B).

Rysunek 1. Wyniki symulacji reakcji oceanu na podwojenie koncentracji dwutlenku węgla (z 278 do 556 ppm). Różne kolory linii oznaczają kolejne scenariusze, różniące się tempem, w jakim rosną stężenia CO2. A – założone zmiany koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze, B – obliczone zmiany pH wody na powierzchni oceanów, C – obliczone średnie nasycenie wody węglanem wapnia. Uwaga: skala pozioma jest logarytmiczna, każda linia oznacza 10 razy tyle lat, co poprzednia. Źródło: (Bärbel Hönisch)

Sprzed okresu,  w którym nastąpiło Paleoceńsko-Eoceńskie Maksimum Termiczne ok. 60 milionów lat temu stężenie jonów węglanowych było dość wysokie na tyle, że nie brakowało ich do budowy muszli, pancerzyków i tkanek wielu drobnych zwierząt bezkręgowych takich jak skorupiaki, małże, kokolitofory, koralowce, mięczaki, otwornice, okrzemki itp. Jednak wszystko się zmieniło raptownie gdy temperatury skoczyły w górę wraz ze wzrostem koncentracji dwutlenku węgla gdzieś ok. 55-56 milionów lat temu. Wówczas stężenie jonów węglanowych dramatycznie obniżyło się na korzyść wodorowych i węglowodorowych.

Zdaniem Donalda Penmana i jego grupy naukowej (Donald Penman, 2014), był to bardzo szybki zwrot akcji w skali geologicznej, ale w przeciwieństwie do dzisiejszego wzrostu temperatury i koncentracji CO2, trwał on w przeciągu co najmniej kilku milionów lat, a nie kilkuset lat, na co zapowiada się przyszłość dzisiejsza. Na rys. 6 są przedstawione skamieniałości glonów Discoaster sprzed PETM i w trakcie PETM. Widać wyraźną różnicę pomiędzy tymi samymi glonami. Jeden pochodzi z wód zasadowych, a drugi z zakwaszonych.

Rysunek 2. Skamieniałości wytwarzających wapienne szkielety zewnętrzne glonów z rodzaju Discoaster sprzed (po lewej) oraz z okresu (po prawej) Paleo-Eoceńskiego Maksimum Termicznego. Widoczna erozja skamieliny z okresu PETM jest zgodna z występującym w tym okresie zakwaszaniem oceanu. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości profesor Patrizii Ziveri. (źródło)

W ostatnim wyjątkowo ciepłym interglacjale, trwającym od 130 do 115 tysięcy lat koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze oscylowała pomiędzy 280 a 300 ppm. I była to odpowiednia stabilizacja dla tego gazu nie zakłócająca procesów fizykochemicznych zarówno w atmosferze, jak i na lądach, a zwłaszcza w oceanach. Gdyż to właśnie oceany są mocno uczulone na stopień zakwaszania, a dwutlenek węgla ma podatność do reakcji z wodą, czego efektem jest powstawanie kwasu węglowego (H2CO3).

Kwas węglowy w stabilnym fizykochemicznym roztworze wodnym jakim jest ocean, o mniejszym lub większym stopniu zasolenia, działa obustronnie. Z powrotem ku tworzeniu cząsteczek dwutlenku węgla i wody lub też dysocjuje na jony: kation wodorowy H+ i kation węglowodorowy HCO3. A dalsza elektrolityczna dysocjacja HCO3 powoduje powstanie jonów: nowego kationu wodorowego H+ i anionu węglanowego CO32- . I to właśnie ten ostatni anion obok anionu wapniowego Ca2+ jest niezbędnym składnikiem budulcowym do budowy muszli, pancerzyków i tkanek u ogromnej liczby skorupiaków, małży, mięczaków i innych małych organizmów wodnych tworzących w oceanach i morzach świata swoisty zooplankton czy bentos.

Można tez powiedzieć, że w normalnie funkcjonującym i niezaburzonym roztworze wodnym, czyli przesyconym jonami węglanowymi, takim jak ocean o zasadowym pH bliskim 8,2 węglanowy anion jest CO32- swoistym buforem przeciw obniżaniu się pH i kontrolowaniu stopnia ich kwasowości.

CO2 + H2O <-> H2CO3 <-> H+ + HCO3 <-> H+ + CO32-

Trzeba też wiedzieć, że dostawy kationów wodorowych HCO3 i anionów wapniowych Ca2+ pochodzą z procesów wietrzenia chemicznego, czyli kruszenia skał na lądach. Jony powyższe dostają się do wód rzek i spływają wraz z nimi do mórz i oceanów. Takie procesy przebiegały jeszcze przynajmniej przed nastaniem rewolucji przemysłowej.

Kationy HCO3 w wodzie dysocjowały szybko do anionów wodorowęglanowych CO32- i wówczas wraz z anionami wapniowymi Ca2+ stawały się podstawowymi i stabilnymi składnikami budulcowymi dla drobnych bezkręgowców do budowy swoich pancerzyków, muszli i tkanek. W sumie wytwarzał się w ten sposób przyjazny dla środowiska wodnego w oceanach węglan wapnia CaCO3.

Warto tez wiedzieć, że przed 1750 r. stężenie kationów wodorowych było o połowę niższe. Gdyż do oceanów nie trafiał masowo dwutlenek węgla, z którego w reakcji elektrolitycznej dysocjacji powstają dwa kationy wodorowe (czynniki kwasowe), a nie jeden kation, jak to miało miejsce jeszcze przynajmniej w 1900 roku.

Rysunek 3. Schemat powstawania skorupek stworzeń morskich. Produkty wietrzenia skał (w tym wapń) spływają do morza niesione przez rzeki. Jony wapniowe i węglanowe są absorbowane przez żyjątka, które łączą je w trwałe kryształy węglanu wapnia. (źródło)

 

Wprowadzanie do wody nadmiernych ilości CO2 pochodzenia antropogenicznego jest przyczyną powstawania wolnych kationów H+, które z kolei eliminują z roztworu aniony CO32-. I to właśnie spadek dostępności jonów węglanowych CO32-, a nie wzrost ilości jonów wodorowych stanowi problem dla morskiego życia, podkreśla w raporcie z 2005 r. magazyn Royal Society.

Przed wysyceniem oceanów kwasem węglowym było więcej kationów HCO3 niż dwutlenku węgla w oceanach. I w tamtych czasach proporcjonalnie stosunek kationów do anionów był mniej więcej równoważny. Tak więc, oceany były bardziej zasadowe niż kwasowe.

Z pewnością jeszcze w latach 1900-1950 oceany świata były bardziej zasadowe. Ich kwasowość pewnie wahała się między 15 a 25 %, a może i mniej. Koncentracja dwutlenku węgla w ciągu 50 lat w atmosferze wówczas rosła w granicach 296-311 ppm. A więc wynosiła ponad 90 ppm mniej niż dziś. To bardzo dużo.

A więc, oceany były z pewnością jeszcze bardziej zasadowe niż kwasowe dzisiaj, gdyż po prostu CO2 nie był tak intensywnie w nich absorbowany jak to jest dzisiaj. A wiadomo, że oceany, jak i lądy, emitują i pochłaniają dwutlenek węgla. Tyle, że jeszcze 70-120 lat temu ten równoważny proces fizyczny nie był jeszcze zakłócony, bo atmosfera nie była jeszcze przesycona dwutlenkiem węgla. To znaczy koncentracja CO2 nie była jeszcze tak znacząco wysoka i szkodliwa jak dziś.

Wówczas pH oceanów wynosiło 8,2, a dziś przez 50-60 czy 120 lat, a przynajmniej od początku rewolucji przemysłowej, spadło do 8,1. A przyczyną jest właśnie nadmiar dwutlenku węgla w atmosferze, który pochodzi ze spalania paliw kopalnych, produkcji cementu, wylesiania oraz z osuszania obszarów bagiennych.

Kwasowość w oceanach w tej chwili sięgnęła 30 %. Globalne ocieplenie, czyli gromadzenie się energii termicznej w oceanach, i tej pochodzącej od Słońca (oceany absorbują ponad 90 % fal promieniowania słonecznego, gdyż mają bardzo niskie albedo, czyli bardzo niski stopień odbicia fal słonecznych), i tej pochodzącej z Ziemi, która jest uwięziona w troposferze.

Oczywiście jakaś część promieni ziemskich w podczerwieni uchodzi w kosmos, jednak większość jest wpierw pochłaniana przez gazy cieplarniane, zwłaszcza dwutlenek węgla oraz przez chmury wysokie (pierzaste), a następnie jest wyemitowywana ku powierzchni Ziemi, czyli ku lądom i oceanom.

Oceany mające bardzo niskie albedo intensywnie więc wchłaniają energię termiczną w podczerwieni i słoneczną. I to coraz głębiej. A dwutlenek węgla, który trafia w nadmiarze z atmosfery do oceanów przyczynia się do ich coraz większego zakwaszenia.

A ostatnie doniesienia są też takie, że CO2 dodatkowo odtlenia je. Występuje wówczas w oceanach silna stratyfikacja termiczna. I tam gdzie nie występują intensywne cyklony tropikalne, tam intensywnie wody nie mieszają się w taki sposób by dotlenić wody głębinowe.

Ma to skutki opłakane dla ekosystemów bentonicznych. Brak tlenu z atmosfery i wód powierzchniowych przyczynia się coraz częściej do zamierania życia na dnach oceanów. Najbardziej zabójczy dla wszystkich warstw oceanicznych na różnych głębokościach jest jednak wzrost zakwaszenia (Matthew Long, 2016).

Analityczne prace badawcze przeprowadzone przez Richarda Feely w 2009 r. i opublikowane w czasopiśmie „Oceanography”, ustalają prognozy zmiany kwasowości oceanów do końca stulecia przy koncentracji CO2 w atmosferze wynoszącej 800 ppm. A w 2095 roku pH powierzchni oceanów spadnie wówczas aż do 7,8 (dla porównania – w XIX wieku wynosiło ono 8,2). A w Arktyce obniży się nawet do niższego poziomu. Prof. Jean-Pierre Gattuso, 2009  z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych stwierdził, że

„już w przeciągu kilkunastu lat woda w Arktyce może stać się tak kwasowa, że będzie rozpuszczać muszle żywych zwierząt”.

Na nieco płytszych głębokościach najbardziej wrażliwymi ekosystemami narażonymi na tak szkodliwe chemiczne procesy są rafy koralowe. W normalnie niezakłóconym chemicznie oceanie, glony zwane zooksantelami żyją w ścisłej symbiozie z koralowcami. Glony koralowcom dostarczają tlen i cukier, a koralowce glonom zapewniają schronienie i dwutlenek węgla. Harmonia ta przebiega w zgodnym rytmie gdy środowisko wodne jest przy względnie wysokim pH. Tak się jednak niestety nie dzieje już w wielu obszarach Ziemi.

Wpływ zakwaszenia oceanów przyczynia się do blaknięcia raf koralowych. Wzrost temperatury powyżej 28 stopni Celsjusza oraz wzrost pH do 8,1 powoduje, że glony nie są w stanie tym produkować cukrów i tlenu, dlatego też koralowce pozbywają się ich i giną z głodu. „To równia pochyła, po której rafy osuną się w muł”, stwierdza profesor Sophie Dove, 2010 z Australii, która zajmuje się badaniami wpływu zmian klimatu na rafy koralowe. Mówi: „W zbiornikach testowych w których realizowaliśmy scenariusz wzrostu temperatury o 4,5°C i 600 ppm CO2 w powietrzu, wszystkie poza jednym koralowcem obumarły i pokryły się żerującymi na ich resztkach algami. Niektóre ze szkieletów korali zaczęły się rozpuszczać.”

Procesy coraz silniejszego zakwaszania wód oceanicznych odbijają się ujemnie również na innych mieszkańcach raf koralowych, które przystosowały się do warunków życia wśród nich. Wpływ ocieplenia, zakwaszenia i także odtlenienia przyczynia się do powstawania coraz więcej martwych stref, w których do niedawna rozwijało się i tętniło życie podwodne.

Zgodnie z prawem angielskiego chemika Williama Henry’ego, przyczyną tejże stratyfikacji jest zmniejszona gęstość wody w górnej, szybko nagrzewającej się warstwie oceanów oraz wzrost temperatury przyczyniający się do zmniejszenia liczby rozpuszczonych gazów, a zwłaszcza tlenu niezbędnego do życia dla mieszkańców wód głębinowych.

Przyszłość oceanów jest napisana ponurym scenariuszem. pH oceanów wciąż nieustannie spada. Do warunków zakwaszonego i coraz silniej ocieplającego się środowiska wodnego niewiele gatunków jest w stanie przystosować się. Do takich nielicznych gatunków zaliczane są np. meduzy, które już ekspansywnie rozprzestrzeniają się na całym globie ziemskim wypierając z nisz ekologicznych gatunki stenotopowe. Będąc w odwrotności gatunkami eurytopowymi stanowią nie lada zagrożenie dla wszystkich ekosystemów świata we wszystkich szerokościach geograficznych (Mario Lebrato & Daniel Jones, 2011).

Można zadać sobie pytanie, jaką meduzy mają tolerancję ekologiczną na wzrost stężenia kwasu węglowego H2CO3 i kationów wodorowęglanowych HCO3 oraz kationów wodorowych H+?! Bo niestety wiele gatunków bentonicznych i pelagialnych, ale nie wynurzających się na powierzchnię ku atmosferycznemu powietrzu i ściśle uzależnionych od gigantycznych roztworów fizykochemicznych jak oceany i morza Ziemi są w najbliższej przyszłości skazane na zagładę w coraz silniej zakwaszającym się środowisku naturalnym akwenów oceanicznych i morskich.

http://naukaoklimacie.pl/fakty-i-mity/mit-zakwaszanie-oceanu-nie-szkodzi-morskim-stworzeniom-119

http://naukaoklimacie.pl/fakty-i-mity/mit-wzrost-emisji-co2-nie-ma-wplywu-na-oceany-15

http://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/20-faktow-o-zakwaszaniu-oceanow-42

http://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/kolejny-problem-zmiany-klimatu-odtlenianie-oceanow-167

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *