Изменения температуры и химического состава океана

Изменения температуры и химического состава океана

Земной океан огромен — как по площади (покрывает более 70 % поверхности Земли), так и по объему (примерно 1,3 миллиарда км3). Это огромные цифры. Учитывая размеры океана, неудивительно, что он играет решающую роль в климатической системе.

В этой статье мы рассмотрим, как человеческая деятельность, а именно продолжающийся выброс парниковых газов, в первую очередь двуокиси углерода (CO2), значительно изменяет океан и как эти изменения в конечном итоге могут повлиять на морскую жизнь и человеческое общество. Если выбросы будут и дальше продолжать расти, состояние океана ухудшится до такой степени, что условия станут невыносимыми для организмов, имеющих раковины, и в целом для всей морской пищевой цепи. Таким образом, это будет угрожать морским экосистемам и рыболовству — с большими последствиями для всего мирового продовольственного снабжения.

Содержание:

Океан

Океан и атмосфера взаимосвязаны, и изменения в одной системе приводит к изменению в другой.

Как и любая физическая система океан и атмосфера стремятся к динамическому равновесию. Слово «динамический» означает, что эти среды постоянно обмениваются теплом, водяным паром до тех пор, пока не придут в равновесие друг с другом. Важно отметить то, что когда океан и атмосфера достигают равновесия, это совсем не означает, что они перестают взаимодействовать друг с другом — совсем наоборот. На самом деле атмосфера постоянно взаимодействует с поверхностными слоями океана. Это означает, что в состоянии динамического равновесия океан и атмосфера всегда обмениваются частицами, но баланс отданных и приобретенных частиц остается прежним.

А вот деятельность человека выводит эту систему из равновесия, и климатической системе необходимо добиваться нового равновесного состояния. Люди производят парниковые газы главным образом в результате сжигания ископаемых видов топлива, таких как уголь, нефть и природный газ, а также производят вырубку лесов. Выбросы парниковых газов происходят в таких больших количествах, что они меняют физический состав как атмосферы, так и океана. Это вызывает изменение климата Земли. Здесь мы остановимся на двух конкретных воздействиях парниковых газов на океан — температуре и химическом составе — и на том, как они влияют на морскую флору и фауну и, в конечном счете, на жизнь людей.

Смог

Динамический обмен между атмосферой и океаном включает в себя не только обмен газообразным водяным паром, но и углекислым газом. С начала Промышленной революции (около 1750 года) океан поглотил около 30 % CO2, выделенного в процессе человеческой деятельности, или около 525 миллиардов тонн CO2. И по мере того как все больше и больше CO2 выбрасывается в атмосферу, около трети его поглощается мировым океаном, что частично помогает восстанавливать равновесное состояние.

Изменение климата и температура океана

Избыток парниковых газов в атмосфере усиливает парниковый эффект. Поскольку эти газы эффективно поглощают тепло вблизи поверхности Земли, атмосфера и поверхность Земли принимают часть этого дополнительного тепла, а океан поглощает все остальное. Надо учесть, что теплоемкость океана примерно в 1000 раз больше, чем воздуха. Теплоемкость — это мера того, сколько тепловой энергии необходимо для изменения температуры объекта на определенную величину. Материалы с высокой теплоемкостью, такие как вода, требуют большого количества тепла для очень небольшого повышения температуры.

В глобальном масштабе на долю океана приходится более 90 % увеличения теплоемкости всей Земли в период с 1961 по 2003. Значительное увеличение накопления тепла сильно повлияет на сезонный климат, циркуляцию океанских течений, морскую биологию и биогеохимию.

Дополнительное тепло увеличивает среднюю температуру поверхности моря. С 1850 по 2005 год увеличение средней температуры поверхности моря составляло около 0,04 °C за десятилетие. А за последние 50 лет поверхность моря потеплела на 0,64 °C. И такая тенденция сохранится в двадцать первом веке с учетом некоторых особенностей в различных регионах.

Куб льда
За 23 года (до 2021 г.) Земля потеряла рекордные 28 триллионов тонн льда. Этого количества хватило бы, чтобы покрыть всю Великобританию слоем льда толщиной почти 100 метров.
Примерно так, как на изображении выше, выглядел бы куб изо льда весом в 1 триллион тонн, нависший над Нью-Йорком. Каждая сторона куба имела бы длину 10 км. За последние два с лишком десятка лет наша планета потеряла почти тридцать таких «кубиков». За 23-летний период ежегодная потеря льда увеличилась на 65 % — с 0,8 триллиона тонн в 1990-е до 1,3 триллиона тонн сейчас. Потеря 68 % растаявшего льда в мире связана с потеплением атмосферы, а остальные 32 % — с повышением температуры океанских вод.
Источник

Региональные различия включают усиление потепления в Арктике, в Индийском океане и вдоль экватора в восточной части Тихого океана. В то же время более низкие темпы потепления будут в Северо-Западной Атлантике и в Южном океане.

В Атлантике наблюдается также неравномерные изменения в потеплении: похолодание на северо-западе и потепление на северо-востоке.

В тропической части Тихого океана наблюдается общая тенденция к потеплению и увеличение изменений в течении Эль-Ниньо.

Поскольку океан огромен и обладает такой высокой теплоемкостью, ему требуется время, чтобы поглотить избыточное тепло, а это означает, что между выбросами парниковых газов и наблюдаемыми изменениями существует некоторый временной промежуток. Получается, что даже если выбросы полностью прекратятся сегодня, пройдет несколько десятилетий, прежде чем океан достигнет равновесия и климат начнет стабилизироваться.

Ученые наблюдают глобальные преобразования снежно-ледяного покрова по всему земному шару, и они также связаны с деятельностью человека (как и повышение температуры). Сочетание повышения температуры и усиленного таяния снежно-ледяного покрова привело к повышению уровня моря. Большая часть этого повышения, возможно, до 75 %, обусловлена тепловым расширением океана. Можно подумать, что повышение уровня моря в результате изменения климата вызвано только таянием айсбергов. Но это не так. Физические объекты расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении, и вода ведет себя точно так же.

Здесь необходимо провести важное различие между наземным льдом и морским льдом. Наземный лед — это лед, который полностью находится на суше. Наиболее значительные наземные ледяные щиты находятся в Гренландии и Антарктиде. Морской же лед плавает в океанской воде — например, арктический морской лед, покрывающий Северный полюс в бассейне Северного Ледовитого океана.

Ледник Брасвель
Водопады стекают с тающего ледника Брасвель на архипелаге Шпицберген.Источник

Океан поглощает большую часть поступающей световой энергии от солнца, в то время как яркий снег и лед отражают большую часть света. Но таяние морского льда никак не влияет на уровень моря. Таяние же наземного льда повышает уровень моря. Для сравнения, если бы ледяные щиты Гренландии и Западной Антарктики полностью растаяли, средний уровень мирового океана поднялся бы примерно на шесть или семь метров! Напротив, когда арктический морской лед подвергается сезонному таянию, уровень моря вообще не повышается.

Кроме того, океан также претерпевает изменения в солености. Температура и соленость играют важную роль в циркуляции океанских течений. В сочетании с изменениями температуры это явление вызывает сильную озабоченность. Вода движется в океанских течениях не только в горизонтальном направлении по поверхности, но и вертикально от поверхности вглубь океана.

Это движение происходит из-за разности температур и солености воды — более холодная и соленая вода более плотная, а плотные жидкости опускаются ниже менее плотных. Это всемирное течение называется термохалинной циркуляцией (thermohaline circulation), или океанской конвейерной лентой. Некоторые ученые полагают, что пресная вода из тающих ледяных щитов при поступлении в океан уменьшит соленость и нарушит термохалинную циркуляцию. До сих пор нет убедительных доказательств того, что изменение климата изменило океанские течения, но это по-прежнему вызывает вопросы о будущем Океана.

Заметное опреснение произошло в высокоширотных Арктических регионах на всех глубинах как в южном, так и в северном земных полушариях. Опреснение особенно выражено в водах на средних глубинах в Лабрадорском море и в вытекающих глубоководных потоках из Северных морей через Фарерско-Шетландский канал и Датский пролив. В отличие от этого, более высокая соленость зафиксируется в водах на средних глубинах (1000-1200 м), вытекающих из Средиземного моря.

Ожидается, что опреснение и дальше продолжится в Арктике из-за потери льда. Опреснение также произошло в субтропических водах Индийского океана. Наблюдается крупномасштабное опреснение вод в Южном океане вблизи Антарктиды, включая поверхностные воды Моря Росса и антарктические придонные воды, прилегающие к значительной части Восточной Антарктиды на границе моря Росса.

Точные причины общего опреснения неизвестны, но есть предположение, что большой вклад в это вносит таяние ледникового покрова Западной Антарктики, а также изменение в ледовом поле моря Уэдделла.

Айсберг
Залив Уоддингтон (Waddington Bay), Антарктида.
Этот айсберг был найден в Заливе Уоддингтон, около Антарктического полуострова, в январе 2008 года. Из-за неравномерности таяния льда появляются такие вот «колонны» в айсберге.

Ученые также обеспокоены тем, как эти изменения в океане повлияют на другие параметры климатической системы. Значительное увеличение температуры поверхности моря, например, может привести к более сильным ураганам, потому что штормы частично черпают энергию из более теплых вод. Климатические модели также предполагают, что более высокие максимальные скорости ветров в сочетании с интенсивными осадками приведут к увеличению общего количества сильных штормов.

Эксперты подсчитали, что каждый сантиметр повышения уровня моря увеличивает риск выселения с прибрежных районов, находящихся в низменности, примерно одного миллиона человек.

Более высокий уровень моря и большие скорости ветров также увеличат масштабы продолжающейся береговой эрозии, что крайне актуально для прибрежных стран.

Изменение климата и химический состав океана

Море

Как отмечалось ранее, в дополнение к потеплению океан поглощает значительную долю CO2, выделяемого в результате деятельности человека. Это меняет химический состав океана. Когда океан растворяет атмосферный CO2, растворенный CO2 вступает в реакцию с водой (H2O) с образованием угольной кислоты (H2CO3). В результате морская вода становится более кислой. Это называется подкислением океана.

Подкисление океана иногда называют “злым близнецом изменения климата”, и не без оснований: это значительное и вредное последствие избытка углекислого газа в атмосфере, которое мы не видим и не ощущаем, потому как его последствия происходят под водой.

Несмотря на то, что океан огромен, большое количество углекислого газа может оказать на него серьезное воздействие. В течение миллионов лет обмен CO2 между поверхностью океана и атмосферой оставался постоянным. За последние же 150 лет люди значительно увеличили количество CO2 в атмосфере за счет сжигания ископаемого топлива и изменения методов землепользования. В результате океан поглотил около 30 % этого дополнительного углерода. Океанская вода стала почти на 30 % кислее — этот процесс происходит быстрее, чем любое известное изменение в химическом составе океана за последние 66 миллионов лет, а возможно, и за последние 300 млн. лет.

И прогнозы показывают, что к концу текущего столетия поверхностные воды океана могут стать более чем в два раза кислее, чем в конце прошлого XX века, если выбросы углекислого газа кардинально не сократятся.

Раньше ученые не беспокоились об этом процессе, потому что всегда предполагали, что реки переносят достаточное количество растворенных минеральных веществ из горных пород в океан, чтобы поддерживать стабильный рН океана.(Ученые называют этот стабилизирующий эффект “буферизацией”.) Кислотность — это мера (в единицах рН) концентрации ионов водорода в растворе, мера того, насколько кислотным или щелочным является раствор, в данном случае — океанская вода.

Огромное количество углекислого газа растворяется в океане настолько быстро, что эта естественная буферизация просто не справляется с окислением, что привело к относительно быстрому снижению рН в поверхностных водах. По мере того как эти поверхностные слои вод постепенно смешиваются с глубинными водами, изменения затрагивают весь океан.

Химия подкисления

Химия подкисления
Этот график показывает рост уровня углекислого газа (СО2) в атмосфере, повышение уровня CO2 в океане, и уменьшение рН в воде у побережья Гавайских островов

Собственно говоря, проблема закисления океана — это простая химия. О том, что происходит, когда углекислый газ растворяется в морской воде, нужно знать две вещи. Во-первых, рН морской воды становится ниже по мере того, как она становится более кислой. Во-вторых, этот процесс связывает карбонатные ионы и уменьшает их количество – те самые ионы, которые позарез необходимы кораллам, устрицам, мидиям и многим другим организмам для создания раковин и скелетов.

Угольная кислота (H2CO3) относительно нестабильна и распадается на ион бикарбоната (HCO3) и ион водорода (H+). Такое преобразование CO2 в бикарбонат изымает молекулу CO2 из раствора морской воды, освобождая место для растворения в ней другой молекулы, но уже атмосферного CO2. Это свойство морской воды позволяет ей поглощать большее количество CO2 из атмосферы, чем эквивалентный объем пресной озерной или речной воды. Ионы водорода (H+), другой продукт процесса преобразования, делают морскую воду более кислой.

По мере увеличения концентрации ионов водорода рН воды снижается. Некоторые из свободных ионов водорода вступают в реакцию с карбонатными ионами  (CO32-), образуя больше бикарбонатных ионов, нарушая баланс в пользу бикарбоната, уменьшая количество карбонатных ионов в морской воде.

Шкала ph
рН = 0 соответствует концентрации ионов водорода, равной 1 моль на литр — это самый “кислый” уровень рН. При «нейтральном» рН = 7 концентрация ионов водорода в 10 миллионов раз ниже. И при самом «щелочном» (или, по-научному, «основном») значении рН, показанном на этой шкале и равном 14, количество ионов водорода в том же объеме еще в 10 миллионов раз меньше, чем при «нейтральном» рН = 7.

Важно уточнить, что этот процесс не приведет к тому, что океан полностью превратится в кислоту. Термин подкисление относится к относительному изменению уровня кислотности океана. Хотя рН снижается в результате этого процесса, рН океана  останется все равно выше 7,0. Однако организмы в океане адаптированы к строго определенным условиям, и даже небольшие изменения рН могут привести к серьезным последствиям.

Океан до начала промышленной революции имел рН около 8,1 или 8,2, в зависимости от широты. К настоящему времени рН океана снизился примерно на 0,1 единицы. Это может показаться не очень большим, но это означает увеличение кислотности на 26 %! При продолжающихся выбросах CO2 эта ситуация будет продолжать ухудшаться. Если мы продолжим добавлять углекислый газ нынешними темпами, рН морской воды может снизиться еще на 0,3 или 0,4 единицы к 2100 году, а к 2300 году эта цифра может достигнуть 0,7.

Почему кислотность имеет такое важное значение

морское ушко
Черное морское ушко Haliotis rubra на мысе Ошибки, остров Мария, Тасмания.

Растущая концентрация углекислого газа в атмосфере повышает температуру поверхности океана и вызывает подкисление океана. Хотя потепление и подкисление — это разные явления, все они отрицательно влияют на морские экосистемы. Изменения в океане происходят не везде с одинаковой скоростью: существует значительная зависимость от температуры, географической широты и глубины водных толщ.

Скорость, с которой вода поглощает CO2, уменьшается с увеличением температуры воды. Это означает, что полярные регионы, такие как Аляска, где океанская вода относительно холодная, могут поглощать больше CO2, чем более теплые тропики. В результате полярные поверхностные воды, как правило, окисляются быстрее, чем в других широтах, и в среднем более теплые районы океана вместо того, чтобы поглощать CO2, выделяют его в атмосферу.

Разная степень подкисления океана в различных районах могут быть частично объяснена влиянием океанских течений. Из-за преобладающего характера ветра и других природных явлений из глубины океана могут подниматься богатые питательными веществами глубинные воды. В естественных условиях поступление богатых питательными веществами прохладных глубоководных вод в верхние слои полезно для прибрежных экосистем. Но в регионах с подкисленными водами вливание более прохладных глубоководных вод (которые также, как правило, более кислые) усиливает эффект подкисления.

В других регионах, обычно в тропиках, повышение температуры поверхностных вод замедляет обмен углеродом между глубинными и поверхностными водами. Здесь ветер играет ключевую роль: он перемешивает верхние и более глубинные слои воды и переносит насыщенные CO2 поверхностные воды вглубь океана. С повышением температуры поверхности ветрам труднее смешивать эти слои. Следовательно, в местах с более теплыми водами верхние слои становятся более насыщенными CO2 и неспособны поглощать больше углекислого газа, а в нижних слоях становится меньше кислорода (явление известное как дезоксигенация).

Воздействие подкисления на морскую флору и фауну

PН океана колеблется в определенных пределах в результате естественных процессов, и океанические организмы хорошо приспособлены к выживанию в условиях этих изменений. Некоторые морские виды могут адаптироваться к более экстремальным изменениям, но многие пострадают, а некоторые, вероятно, даже вымрут.

Возможно, мы, правда, не знаем это наверняка, но во время последнего великого подкисления океана 55 миллионов лет назад произошло массовое вымирание некоторых видов, включая глубоководных беспозвоночных. Более кислый океан не уничтожит всю морскую жизнь, но увеличение кислотности морской воды на 30 процентов, которое мы наблюдаем, уже влияет на многие морские организмы.

Подкисление океана в сочетании с другими климатическими воздействиями, такими как потепление воды, дезоксигенация, таяние льда и береговая эрозия, представляют реальную угрозу для многих морских видов.

Изменения рН океана могут существенно повлиять на некоторые формы морской жизни, особенно те, которые зависят от наличия карбоната кальция (кальцита — CaCO₃) для образования раковин или скелетов (так называемая кальцификация). Это такие организмы как моллюски, мидии, крабы, кораллы, морские гребешки и некоторые виды планктона (например, кокколитофоры). По мере того как океан становится более кислым, в морской воде становится меньше карбоната кальция, который эти организмы используют для строительства раковин.

Если океан станет достаточно кислым, эти организмы не смогут образовывать свои раковины. Имеются данные наблюдений, свидетельствующие о том, что более кислые воды, возможно, уже влияют на некоторых животных в отдельных регионах. У одного вида микроскопического планктона в океанских водах вокруг Антарктиды сейчас вес раковин на 30-35 % меньше тех, чем у его далеких предков, останки которых обнаружили в морских отложениях.

Коралловые рифы

Риф
Иногда называемые тропическими лесами моря, коралловые рифы образуют одну из самых разнообразных экосистем Земли. Они занимают менее 0,1 % от мирового океана — район, примерно в половину площади Франции, но обеспечивают дом для 25 % всех морских видов, включая рыб, моллюсков, червей, ракообразных, иглокожих, губок, оболочников и других кишечнополостных. Чаще всего они встречаются на небольших глубинах в тропических водах, но глубоководные и холодностойкие коралловые рифы существуют в меньших масштабах и в других районах. Коралловые рифы сократились на 50 % с 1950 года, отчасти потому, что они чувствительны к условиям обитания. Они находятся под угрозой исчезновения из-за чрезмерного сброса биогенных веществ (азота и фосфора), повышения температуры, подкисления океана и вредных методов землепользования.

Коралловые рифы представляют собой яркий пример последствий изменения климата. Рифы обеспечивают значительную долю биоразнообразия Земли — их называют «тропическими лесами морей”. По оценкам ученых, 25 % всех морских видов обитают в коралловых рифах и вокруг них, что делает их одной из самых разнообразных сред обитания в мире.

Коралловые рифы действуют как питомники для многих видов рыб, обеспечивая мелкой рыбе дом и давая возможность им расти. Разнообразие коралловых рифов настолько богато, что мы не можем точно сказать сколько их всего. Каждый год открываются все новые виды.

Кораллы важны для нас по многим причинам. С практической точки зрения они помогают защищать береговые линии от штормов, поддерживают рыболовство, необходимое многим людям. А сложные химические соединения, обнаруженные в коралловых рифах, имеют многообещающие перспективы в современной медицине.

Кораллы, строящие рифы, возводят свои собственные дома из карбоната кальция, образуя сложные рифы, обеспечивая среду обитания для самих себя и для многих других организмов. Подкисление может ограничить рост кораллов, разъедая уже существующие коралловые скелеты и одновременно замедляя рост новых. В результате образуются более слабые рифы, уязвимые для эрозии. Эта эрозия будет происходить не только от штормовых волн, но и от животных, которые питаются кораллами. Недавние исследования показывают, что примерно к 2080 году вода в океане станет настолько кислой, что даже здоровые коралловые рифы будут разрушаться быстрее, чем они смогут восстанавливаться.

На Большом Барьерном рифе Австралии количество кораллов сократилось на 14,2 % с 1990 года — такого снижения не наблюдалось в течение последних 400 лет.

Большой барьерный риф
Большой Барьерный риф является крупнейшей в мире системой коралловых рифов, состоящей из более чем 2900 отдельных рифов и 900 островов протяженностью более 2300 километров на площади около 344 400 км2. Риф расположен в Коралловом море, у побережья Квинсленда, Австралия. Большой Барьерный риф виден из космоса и является самой большой в мире единой структурой, созданной живыми организмами.
Подводный мир
Барьерный риф является домом для более чем 9000 известных видов. Их, вероятно, будет гораздо больше — постоянно делаются новые открытия. Содержащееся в Рифе биоразнообразие является замечательным. Есть дельфины, черепахи, крокодилы и акулы. Есть также ядовитые морские змеи, ярко окрашенные черви и крупные водоросли. Эти виды взаимодействуют, образуя сложную и хрупкую экосистему, выживание которой зависит от кораллового рифа. Тем не менее, сегодня коралл — и, следовательно, все организмы, которые зависят от него, — находятся в серьезной опасности.
Коралл состоит из множества мелких животных. Эти крошечные животные строят твердый внешний скелет. Когда коралл здоров, он имеет симбиотические отношения с водорослями. Коралл производит флуоресцентные химические вещества, которые защищают водоросли от яркого солнца — почти как солнцезащитный крем. Водоросли обеспечивают кораллы пищей и кислородом (побочным продуктом фотосинтеза), а коралл защищает и обеспечивает водоросли питательными веществами. Водоросли также придают кораллу его многоцветие.
Изменение климата — не единственная угроза рифу. Химический сток и другие формы загрязнения, развитие прибрежных районов и чрезмерный вылов рыбы — все это наносит вред кораллам и сокращает биоразнообразие.

Подкисление также может повлиять на кораллы еще до того, как они начнут мастерить свои дома. Были изучены личинки нескольких видов кораллов. Более кислая вода не вредила их развитию, пока они существовали в виде планктона. Однако в кислой воде личинкам было сложнее найти подходящее место для поселения, чтобы начать строить себе жилище. Иными словами, многие из этих личинок не доживут до зрелого возраста.

Количество возможных проблем, с которыми сталкиваются кораллы, зависит от их вида. Некоторые виды кораллов для построения своих скелетов могут использовать бикарбонат вместо карбоната, что дает им больше возможностей в окисляющемся океане. Некоторые могут выживать без скелета и вернуться к нормальному построению скелета, как только у воды станет более комфортный рН. Другие могут существовать в более широком диапазоне рН.

Кораллы сосуществуют с водорослями в отношениях, называемых симбиозом. Это означает, что организмы сотрудничают друг с другом. Водоросли, называемые зооксантеллами, живут внутри кораллов, которые обеспечивают их прочной внешней оболочкой из карбоната кальция. В обмен на эту защиту водоросли обеспечивают своего хозяина пищей, получаемой в результате фотосинтеза. Зооксантеллы также придают кораллам их поразительные цвета.

Эти симбиотические отношения сильно зависят от температуры окружающей воды. Когда вода становится слишком теплой, зооксантеллы удаляются из ткани коралла, в результате чего кораллы теряют свой цвет. Этот процесс известен как обесцвечивание кораллов.

Обесцвечивание кораллов не всегда означает гибель кораллового рифа. Кораллы могут со временем восстановить свои зооксантеллы, но для этого им требуются более низкие температуры.

Сочетание повышения температуры океана и повышенной кислотности, вероятно, вызовет серьезные изменения в коралловых рифах в течение следующих нескольких десятилетий и столетий.

Устрицы, мидии, морские ежи и морские звезды

Морская звезда
Морские звезды среди мидий, которыми они питаются

Как правило, у панцирных животных, включая мидий, моллюсков, ежей и морских звезд, будут такие же проблемы с постройкой своих раковин в более кислой воде, как и у кораллов. Ожидается, что к концу столетия мидии и устрицы будут выращивать раковины, меньше нынешних, на 25 и на 10 % соответственно.

Ежи и морские звезды изучены не так хорошо, но они используют для строительства своих тел кальцит с высоким содержанием магния, разновидности карбоната кальция, который растворяется даже быстрее, чем арагонитовая форма карбоната кальция, используемая кораллами. Это означает, что ежи и звезды будут иметь более слабую оболочку, что увеличивает их вероятность быть съеденными.

Хотя результаты являются предварительными и исследования продолжаются, недавний спад популяции тихоокеанской устрицы, по-видимому, связан с подкислением океана. Начиная с 2005 года и продолжаясь в 2006, 2007 и 2008 годах, два крупнейших предприятия по разведению устриц в штате Вашингтон, США сообщили о снижении производства устриц примерно на 80 %.

По одной из гипотез, более кислая морская вода из глубин океана поступает в прибрежные районы. Это происходит потому, что, когда ветры отгоняют поверхностные воды от берега, им на замену поднимаются глубинные воды. Количество CO2, содержащегося в глубинной воде, увеличилось из-за подкисления океана, происходит коррозия раковин у личинок устриц, что не позволяет им выжить при высоких уровнях кислотности. Подкисленная морская вода разъедает их оболочки быстрее, чем они могут их образовывать. Поверхностные воды в регионе вблизи границы Калифорнии и штата Орегон, недалеко от устричных инкубаториев, достигли рекордно низкого уровня рН 7,75 в 2007 году.

Конечно, потеря этих организмов будет иметь большие последствия для пищевой цепочки, поскольку они являются пищей и средой обитания для многих других животных.

Зоопланктон

 Limacina Helicina
Limacina Helicina — это вид небольших плавающих планктонных морских улиток, которые принадлежат к группе, широко известной как морские бабочки (Thecosomata). Limacina Helicina является ключевым видом зоопланктона в арктических экосистемах.

Планктон — это форма морской жизни, которая включает в себя множество различных видов. Существует два основных типа зоопланктона, которые строят раковины из карбоната кальция: фораминиферы и птероподы — и эти виды настолько распространены, что образуют основу морской пищевой цепи. Столкнувшись с воздействием более кислых вод, они могут исчезнуть, что неизбежно повлияет на более крупных животных, которые питаются ими, и, таким образом, будет затронута вся пищевая цепочка океана.

Они также имеют решающее значение для углеродного цикла — процесса, в котором углерод (в виде углекислого газа и карбоната кальция) кочует между воздухом, сушей и морем. Океаны содержат наибольшее количество активно циркулирующего углерода и очень важны для его хранения. Когда раковинный зоопланктон (а также раковинный фитопланктон) погибает и опускается на морское дно, его раковины, состоящие из карбоната кальция, откладываются в виде осадка на дне и хранятся в таком виде там до скончания веков. Это важный способ удаления углекислого газа из атмосферы, замедляющий повышение температуры, вызванное парниковым эффектом.

Эксперимент
В лабораторном эксперименте раковину морской бабочки поместили в морскую воду с повышенной кислотностью. Там она медленно растворилась за 45 дней

Эти крошечные организмы размножаются так быстро, что могут адаптироваться к кислотности лучше, чем крупные, медленно размножающиеся животные. Однако эксперименты в лаборатории и в районах океана, где с морского дна просачивается углекислый газ (рН в таких районах низкий по естественным причинам), показали, что фораминиферы плохо справляются с повышенной кислотностью — их раковины быстро растворяются. Одно из исследований даже показало, что фораминиферы в тропических регионах вымрут к концу столетия.

Распад раковин птероподов уже происходит в Южном океане, где из глубин на поверхность поднимается более кислая вода, ускоряя эффект окисления, вызванный выработанным в результате деятельности человека углекислым газом. Как и кораллы, эти морские улитки особенно восприимчивы к кислотной среде, потому что их раковины сделаны из арагонита, менее стойкой формы карбоната кальция, растворимость которого в морской воде на 50% выше, чем у других форм карбоната кальция. Арагонит и кальцит имеют одинаковую химическую формулу — CaCO3, но их атомы сложены в разных конфигурациях. То есть они полиморфные. Арагонит имеет ромбическую структуру, а кальцит — тригональную структуру. Многие раковины моллюсков используют арагонит внутри и кальцит снаружи.

Поскольку более холодная вода содержит меньше карбонатов, воды вокруг Антарктиды уже имеют самую низкую концентрацию CaCO3. По прогнозам, к 2030-му году морская вода там может стать достаточно кислой, чтобы растворить раковины некоторых морских обитателей. Это серьезная проблема, потому что некоторые важные виды планктона зимой проходят стадии личиночного развития, и если вода в это время года будет слишком кислой, это может нарушить пищевую цепочку в водах вокруг Антарктиды.

До сих пор абсолютно неизвестно, повлияет ли подкисление на популяцию медуз. Есть вполне обоснованное опасение, что они выживут и останутся невредимыми. Медузы конкурируют с рыбой и другими хищниками за пищу — в основном за более мелкий зоопланктон, — а также сами поедают молодь рыб. Если медузы будут процветать в теплых и более кислых условиях, в то время как большинство других организмов будет страдать, вполне возможно, что в некоторых экосистемах медузы будут доминировать (явление, уже наблюдаемое в некоторых частях океана).

Растения и  водоросли

Водоросли
Посидония (Posidonia oceanica), широко известная как Нептун трава, является эндемическим видом водорослей Средиземного моря. Она образует большие подводные луга, которые являются важной частью экосистемы. Посидония обладает очень высокой способностью поглощать углерод, способной в год поглощать в 15 раз больше углекислого газа, чем участок тропического леса Амазонки аналогичного размера.

В условиях кислой среды могут процветать некоторые растения и многие водоросли. Эти организмы черпают энергию из сочетания солнечного света и углекислого газа — так что увеличение содержания углекислого газа в воде не вредит им, а наоборот, помогает.

Морские травы образуют мелководные экосистемы вдоль побережий, которые служат питомниками для многих крупных рыб и могут быть домом для тысяч различных организмов. В созданных в лабораторных условиях более кислых средах морская трава лучше воспроизводилась, выше росла, формировала более глубокие корни.

Однако в природе морская трава чувствует себя намного хуже из-за ряда других причин, особенно загрязнения прибрежных морских вод, и маловероятно, что это повышение подкисления полностью компенсирует вред, причиненный другими негативными факторами.

Действительно, некоторые виды водорослей лучше растут в условиях повышенной кислотности, вызванной повышением содержания двуокиси углерода. Но коралловым водорослям, которые строят скелеты из карбоната кальция и помогают цементировать коралловые рифы, живется не так уж и хорошо. Большинство видов коралловых водорослей строят оболочки из кальцитовой формы карбоната кальция с высоким содержанием магния, более растворимой, чем арагонит или обычные кальцитовые формы.

Коралловые водоросли
Мезофиллум простой (Mesophyllum expansum) — вид красной водоросли, относящийся к семейству Hapalidiaceae. Этот вид коралловых водорослей широко распространен в Средиземном море. Mesophyllum expansum может достигать в диаметре около 30 сантиметров. Эти организмы иногда можно наблюдать вблизи поверхности воды, а иногда они встречаются на глубине 70 метров.

В результате одного исследования установлено, что в условиях кислой среды коралловые водоросли занимали на 92 % меньше площади, чем в нормальных условиях, что даёт возможность другим типам водорослей – тем, которые не нуждаются в кальците, буквально задушить коралловые рифы.

Рыба

Рыбы-клоуны
Ярко-оранжевые рыбы-клоуны прячутся между щупальцами актиний

Хотя у рыб нет раковин, они все равно будут ощущать последствия подкисления. Поскольку окружающая вода имеет более низкий уровень рН, клетки рыбы часто приходят в равновесие с морской водой, поглощая угольную кислоту. Это приведет к изменению рН крови рыбы, состоянию, называемому ацидозом (нарушение кислотно-щелочного состояния в организме).

Хотя в этом случае рыба находится в гармонии с окружающей средой, многие химические реакции, происходящие в ее организме, изменятся. Даже небольшое изменение рН может иметь огромное значение для выживания. У людей, например, падение рН крови на 0,2-0,3 единицы может вызвать судороги, кому и даже смерть.

Точно так же и организм рыбы чувствителен к рН, и ему нужны сверхусилия, чтобы привести свою химию в норму. Для этого потребуется дополнительная энергия для вывода избытка углекислоты из крови через жабры, почки и кишечник. Может показаться, что для этого не потребуются высокие энергозатраты, но даже небольшое их увеличение уменьшает энергию, необходимую рыбе для выполнения других задач, таких как переваривание пищи, бегство от хищников, добывание пищи и размножение. Кроме того, дополнительные энергозатраты могут замедлить рост рыб.

Также, даже немного более кислая вода может повлиять на умственные способности рыб. В то время как рыба-клоун обычно слышит и избегает шумных хищников, в более кислой воде они теряют бдительность и не спасаются от угрожающего шума. Рыбы-клоуны также уплывают дальше от дома и с трудом находят обратный путь. Это может происходить из-за того, что подкисление, которое изменяет рН тела и мозга рыбы, изменяет то, как мозг обрабатывает информацию. Кроме того, у кобии (разновидности популярной промысловой рыбы) в подкисленной воде вырастают более крупные отолиты — маленькие ушные кости, которые влияют на слух и способность держать равновесие. Эти модификации влияют на их способность ориентироваться и избегать хищников.

Хотя многое еще неясно и только предстоит изучить, имеющиеся факты свидетельствуют о том, что мы наблюдаем непредсказуемые изменения в поведении животных в связи с окислением среды их обитания.

Способность адаптироваться к повышенной кислотности будет варьироваться от одного вида рыбы к другому, и неизвестно какие качества помогут им адаптироваться, а какие нет. Кроме того, смена доминирующих видов рыб может иметь серьезные последствия для пищевой сети и для рыболовства.

Взгляд в будущее

Интенсивное движение

Если количество углекислого газа в атмосфере стабилизируется, в конечном итоге произойдет его буферизация (или нейтрализация) и рН океана вернется к норме. Вот почему в прошлом были периоды с гораздо более высоким уровнем углекислого газа, но не было никаких признаков подкисления океана: скорость увеличения концентрации углекислого газа была медленнее, поэтому у океана было время для буферизации и адаптации. Но на этот раз рН падает слишком быстро. Буферизация займет тысячи лет, что является слишком большим периодом времени для морских организмов, страдающих сейчас и которые будут страдать в ближайшем будущем.

Пока еще нам видно немного признаков окисления. Но они будут только возрастать по мере того, как в морской воде будет растворяться все больше и больше углекислого газа. Что можно сделать, чтобы остановить это?  Ответ один – сократить выбросы углекислого газа.

В 2013 году содержание углекислого газа в атмосфере превысило 400 частей на миллион (ppm — parts per million) — больше, чем когда-либо за последний миллион лет (а может быть, даже 25 миллионов лет). «Безопасный» уровень углекислого газа составляет около 350 частей на миллион — рубеж, который мы преодолели еще в 1988 году. Если бы не поглощение углекислоты океаном, содержание углекислого газа в атмосфере было бы еще выше — ближе к 475 ppm.

Наиболее реалистичным способом снизить это число, или хотя бы не допустить его увеличения — было бы сократить выбросы углекислого газа за счет сжигания меньшего количества ископаемого топлива и поиска большего количества поглотителей углерода, таких как мангровые заросли, морские водоросли и травянистые болота. Эта программа известна как Blue Carbon. Если бы мы это сделали, то через какое-то время содержание углекислого газа в атмосфере и океане снова стабилизировалось бы.

Даже если бы мы прекратили выделять весь углерод прямо сейчас, подкисление океана не закончилось бы сразу. Это связано с тем, что существует задержка между изменением объема наших выбросов и тем временем, когда мы начинаем ощущать последствия. Это похоже на попытку остановить автомобиль: даже если вы нажмете на тормоза, автомобиль все равно проедет десятки или сотни метров, прежде чем остановится. То же самое происходит и с выбросами – климат будет продолжать меняться, атмосфера будет продолжать нагреваться и океан будет продолжать окисляться. Углекислый газ обычно сохраняется в атмосфере в течение сотен лет. В океане этот эффект усиливается по мере того, как более кислые океанские воды смешиваются с глубинными водами в течение цикла, который также длится сотни лет.

Как вывод

Океан является важнейшим компонентом климатической системы Земли, и, несмотря на свои огромные размеры, он весьма чувствителен к внешним факторам. Деятельность человека, которая приводит к выбросу большого количества парниковых газов (особенно CO2), в настоящее время явно изменяет физические и химические свойства океана. Нагрев океана возрос. Уровень его кислотности увеличился примерно на 26 %. Эти изменения негативно влияют на некоторые морские организмы, делающие раковины из карбоната кальция. Такие изменения нанесут ущерб биоразнообразию морских экосистем, сократят туристическую деятельность, нарушат естественную пищевую цепочку океанов, расстроят углеродный цикл Земли и будут способствовать сокращению рыболовства, тем самым угрожая мировому снабжению продовольствием. Поэтому глобальное изменение климата можно рассматривать как угрозу океану, экономике и нашему общему благополучию.

Использованы материалы:

1. Changes in Ocean Temperature and Chemistry
2. Ocean Acidification

c-sin






Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *