Закисление океана в Северном Ледовитом океане
Северный Ледовитый океан занимает площадь 14 056 000 квадратных километров и поддерживает разнообразную и важную социально-экономическую пищевую сеть организмов, несмотря на то, что средняя температура воды в нем составляет 32 градуса по Фаренгейту. [1] За последние три десятилетия Северный Ледовитый океан претерпел радикальные изменения из-за изменения климата. [1] Одним из изменений является уровень кислотности океана, который постоянно растет вдвое быстрее, чем в Тихом и Атлантическом океанах. [2] Закисление Северного Ледовитого океана является результатом обратной связи с механизмами климатической системы и оказывает негативное воздействие на экосистемы Северного Ледовитого океана и организмы, живущие в них.
Процесс
[ редактировать ]Закисление океана вызвано уравновешиванием атмосферы с океаном — процессом, который происходит во всем мире. Углекислый газ в атмосфере уравновешивается и растворяется в океане. В ходе этой реакции углекислый газ реагирует с водой с образованием угольной кислоты . Затем угольная кислота диссоциирует на ионы бикарбоната и ионы водорода. [3] Эта реакция приводит к снижению pH воды, эффективно подкисляя ее. [3] Закисление океана происходит во всех океанах по всему миру. С начала промышленной революции Мировой океан поглотил около 525 миллиардов тонн углекислого газа. [1] За это время pH мирового океана в совокупности снизился с 8,2 до 8,1, при этом климатическое моделирование предсказывает дальнейшее снижение pH на 0,3 единицы к 2100 году. [1] Однако Северный Ледовитый океан пострадал больше из-за низких температур воды и повышения растворимости газов по мере снижения температуры воды. Холодные воды Арктики способны поглощать большее количество углекислого газа по сравнению с более теплыми водами Тихого и Атлантического океанов. [4]
Химические изменения, вызванные закислением Северного Ледовитого океана, имеют негативные экологические и социально-экономические последствия. С изменениями в химии окружающей среды арктические организмы сталкиваются с новыми стрессорами. Эти стрессоры могут оказывать разрушительное воздействие на эти организмы, причем некоторые из них страдают больше, чем другие. Кальцицирующие организмы, по-видимому, больше всего страдают от этого изменения состава воды, поскольку для выживания они полагаются на наличие карбонатов. Концентрация растворенного карбоната снижается с увеличением содержания углекислого газа и снижением pH воды. [5]
Экологические пищевые сети также изменяются в результате подкисления. Подкисление снижает способность многих рыб к росту, что влияет не только на пищевые сети, но и на людей, которые зависят от этого рыболовства. [1] Экономические последствия возникают в результате изменения пищевых сетей, что приводит к сокращению популяций популярных рыб. Эти популяции рыб обеспечивают рабочие места людям, работающим в рыбной промышленности . [6] Как очевидно, закисление океана не имеет каких-либо положительных преимуществ, и в результате оно заняло первое место в списке приоритетов в Соединенных Штатах и других организациях, таких как Научный комитет по океаническим исследованиям, Межправительственная океанографическая комиссия ЮНЕСКО , Программа океанического углерода и биогеохимии. , Проект комплексных исследований морской биогеохимии и экосистем и Консорциум по лидерству в океане. [1]
Причины
[ редактировать ]
Уменьшение морского льда
[ редактировать ]За последние несколько десятилетий арктический морской лед значительно сократился: минимальная площадь морского льда составила 4,32 миллиона км2. 2 в 2019 году, [7] резкое снижение на 38% по сравнению с 1980 годом, когда минимальная площадь составляла 7,01 млн км². 2 . [8] Морской лед играет важную роль в здоровье Северного Ледовитого океана, и его сокращение оказало пагубное воздействие на химический состав Северного Ледовитого океана. Все океаны уравновешиваются атмосферой, вытягивая углекислый газ из атмосферы в океан, что снижает pH воды. [9] Морской лед ограничивает газообмен между воздухом и морем углекислым газом. [10] защищая воду от полного воздействия атмосферы. Низкий уровень углекислого газа важен для Северного Ледовитого океана из-за интенсивного охлаждения, стока пресной воды и фотосинтеза морских организмов. [10] Сокращение количества морского льда позволило большему количеству углекислого газа прийти в равновесие с арктической водой, что привело к увеличению подкисления. Уменьшение количества морского льда также привело к тому, что зимой в Северный Ледовитый океан попало больше воды Тихого океана, называемой зимней тихоокеанской водой. Вода Тихого океана богата углекислым газом, и с уменьшением количества морского льда больше воды Тихого океана может попасть в Северный Ледовитый океан, унося с собой углекислый газ. Эта тихоокеанская зимняя вода еще больше подкислила Северный Ледовитый океан, а также увеличила глубину закисленной воды. [2]
Плавление гидратов метана
[ редактировать ]Изменение климата вызывает дестабилизацию множества климатических систем в Северном Ледовитом океане. Одной из систем, на которую влияет изменение климата, являются гидраты метана. Гидраты метана расположены вдоль окраин континентов и стабилизируются высоким давлением, а также равномерно низкими температурами. Изменение климата начало дестабилизировать эти гидраты метана в Северном Ледовитом океане, снижая давление и повышая температуру, позволяя гидратам метана таять и выделять метан в арктические воды. [11] Когда метан попадает в воду, он может либо использоваться посредством анаэробного метаболизма или аэробного метаболизма микроорганизмами в океанских отложениях , либо выбрасываться из моря в атмосферу. [11] Наибольшее влияние на закисление океана оказывает аэробное окисление микроорганизмами в толще воды. [11] Углекислый газ образуется в результате реакции метана и кислорода в воде. Затем углекислый газ уравновешивается водой, образуя угольную кислоту , которая затем уравновешивается с высвобождением ионов водорода и бикарбоната , что еще больше способствует закислению океана.
Воздействие на арктические организмы
[ редактировать ]Организмы в арктических водах испытывают сильный экологический стресс, например, из-за чрезвычайно холодной воды. Считается, что эта среда с высоким уровнем стресса приведет к тому, что факторы закисления океана будут оказывать более сильное воздействие на эти организмы. Это также может привести к тому, что эти эффекты появятся в Арктике раньше, чем в других частях океана. Существуют значительные различия в чувствительности морских организмов к усилению закисления океана. Кальцифицирующие организмы обычно демонстрируют более сильную отрицательную реакцию на закисление океана, чем некальцифицирующие организмы по многочисленным переменным реакции, за исключением ракообразных , которые кальцифицируются, но, по-видимому, не подвергаются негативному воздействию. [12] Это связано, главным образом, с процессом морской биогенной кальцификации , который используют кальцифицирующие организмы.
Кальцинирующиеся организмы
[ редактировать ]Карбонат-ионы (CO 3 2- ) необходимы морским кальцифицирующим организмам, таким как планктон и моллюски, поскольку они необходимы для производства карбоната кальция ( CaCO 3 ) раковины и скелеты. [13] По мере закисления океана повышенное поглощение CO 2 морской водой увеличивает концентрацию ионов водорода , что снижает pH воды. [14] Это изменение химического равновесия неорганической углеродной системы снижает концентрацию этих карбонат-ионов. Это снижает способность этих организмов создавать свои оболочки и скелеты.
Двумя полиморфными модификациями карбоната кальция, которые производятся морскими организмами, являются арагонит и кальцит . Это материалы, из которых состоит большая часть оболочек и скелетов этих кальцинирующих организмов. Арагонит, например, входит в состав почти всех раковин моллюсков, а также экзоскелета кораллов. [13] Образование этих материалов зависит от состояния насыщения CaCO 3 в океанской воде. Воды, насыщенные CaCO 3 благоприятствует осаждению и образованию Оболочки и скелеты CaCO 3 , но недонасыщенные воды вызывают коррозию CaCO 3 Оболочки . При отсутствии защитных механизмов произойдет растворение карбоната кальция. Поскольку более холодная арктическая вода поглощает больше CO 2 , концентрация CO 3 2- снижается, поэтому насыщенность карбонатом кальция ниже в океанах высоких широт, чем в тропических или умеренных океанах. [10]
Недостаток CaCO 3 приводит к растворению оболочек кальцинирующих организмов, что может иметь разрушительные последствия для экосистемы. [15] По мере растворения оболочек организмы с трудом поддерживают надлежащее здоровье, что может привести к массовой смертности. Утрата многих из этих видов может привести к серьезным последствиям для морской пищевой сети Северного Ледовитого океана, поскольку многие из этих морских кальцифицирующих организмов являются ключевыми видами. Лабораторные эксперименты с различной морской биотой в условиях повышенной Среда CO 2 показывает, что изменения насыщенности арагонита вызывают существенные изменения в общей скорости кальцификации для многих видов морских организмов, включая кокколитофоры , фораминиферы , крылоногие , мидии и моллюски . [10]
Хотя доказано, что недонасыщенность арктических вод влияет на способность организмов осаждать свои раковины, недавние исследования показали, что скорость кальцификации кальцинаторов, таких как кораллы , кокколитофоры, фораминиферы и двустворчатые моллюски, снижается с увеличением р. CO 2 , даже в перенасыщенной по отношению к морской воде СаСО 3 . Кроме того, увеличение р CO 2 оказывает комплексное воздействие на физиологию, рост и репродуктивный успех различных морских кальцификаторов. Было обнаружено, что [16]
Жизненный цикл
[ редактировать ]
Толерантность к CO 2 , по-видимому, различается у разных морских организмов, а также Толерантность к CO 2 на разных стадиях жизненного цикла (например, личинка и взрослая особь). Первой стадией жизненного цикла морских кальцификаторов, подвергающихся серьезному риску из-за высокого содержания CO 2 , является стадия планктонной личинки. На развитие личинок некоторых морских видов, в первую очередь морских ежей и двустворчатых моллюсков , сильно влияет повышение уровня морской воды. СО 2 . [16] В ходе лабораторных испытаний многочисленные эмбрионы морских ежей были выращены в различных условиях. концентрации CO 2 до тех пор, пока они не перейдут на личиночную стадию. Было обнаружено, что по достижении этой стадии размеры личинок и конечностей были значительно меньше, а также отмечалась аномальная морфология скелета с увеличением p. СО 2 . [16] Подобные находки были обнаружены в Обработанные CO 2 личинки мидий показали уменьшение размеров личинок примерно на 20% и морфологические аномалии, такие как выпуклые шарниры, более слабые и тонкие раковины и выпячивание мантии. [17] Размер тела личинок также влияет на скорость встречи и выведения частиц пищи, и если панцири личинок меньше или деформированы, эти личинки более склонны к голоданию. Структуры CaCO 3 также выполняют жизненно важные функции для кальцинированных личинок, такие как защита от хищников, а также играют роль в питании, контроле плавучести и регулировании pH. [16]
Еще одним примером вида, на который может серьезно повлиять закисление океана, являются птероподы, представляющие собой пелагические моллюски с панцирем, играющие важную роль в пищевой сети различных экосистем. Поскольку они имеют арагонитовую оболочку, они могут быть очень чувствительны к закислению океана, вызванному увеличением антропогенного загрязнения. CO2 Выбросы . Лабораторные испытания показали, что кальцификация приводит к снижению на 28% значения pH Северного Ледовитого океана, ожидаемого к 2100 году, по сравнению с нынешним значением pH. Это снижение кальцификации на 28% в условиях более низкого pH находится в пределах диапазона, зарегистрированного для других кальцифицирующих организмов, таких как кораллы. [5] В отличие от морских ежей и личинок двустворчатых моллюсков, кораллы и морские креветки более серьезно страдают от закисления океана после заселения, когда они развиваются в стадию полипа. По данным лабораторных исследований морфология CO 2 , был нарушен и деформирован по сравнению с радиальным строением контрольных полипов. Эндоскелет кораллов, обработанных [16]
Эту вариативность воздействия закисления океана на разные стадии жизненного цикла разных организмов можно частично объяснить тем, что у большинства иглокожих и моллюсков синтез панциря и скелета начинается на личиночной стадии, а у кораллов – на стадии расселения. [16] Следовательно, эти этапы очень чувствительны к потенциальным последствиям закисления океана. Большинство кальцификаторов, таких как кораллы, иглокожие, двустворчатые моллюски и ракообразные, играют важную роль в прибрежных экосистемах в качестве ключевых видов, биотурбаторов и инженеров экосистем. [16] Пищевая сеть в Северном Ледовитом океане несколько усечена, то есть коротка и проста. Любое воздействие на ключевые виды пищевой цепи может привести к экспоненциально разрушительным последствиям для остальной части пищевой цепи в целом, поскольку у них больше не будет надежного источника пищи. Если у этих более крупных организмов больше не будет источника питательных веществ, они тоже в конечном итоге вымрут, и это повлияет на всю экосистему Северного Ледовитого океана. Это окажет огромное влияние на жителей Арктики, зарабатывающих на жизнь ловлей арктической рыбы, а также экономические последствия, которые повлекут за собой столь серьезную нехватку продовольствия и доходов для этих семей.
Влияние на местные сообщества
[ редактировать ]Закисление океана оказывает воздействие не только на водную жизнь, но также на человеческие сообщества и общие средства к существованию людей, живущих вблизи этих вод. Например, из-за того, что ракообразные не могут образовывать панцири и скелеты из-за уменьшения количества карбонат-ионов, популяции крабов в некоторых районах Северного полушария значительно сократились. Это привело к тому, что многочисленные рыболовные промыслы в этих районах были закрыты из-за многомиллионных убытков. Кроме того, повышение температуры привело к быстрому увеличению числа токсичных водорослей, которые, как известно, производят нейротоксин, называемый домоевой кислотой , который может накапливаться в телах некоторых моллюсков. [18] При попадании в организм человека этот токсин может вызвать серьезные проблемы со здоровьем, что привело к закрытию многих дополнительных рыболовных промыслов. [19]
Методы снижения закисления
[ редактировать ]Поскольку углеродный цикл тесно связан с проблемой закисления океана, наиболее эффективным методом минимизации последствий закисления океана является замедление изменения климата. Антропогенные выбросы CO 2 можно сократить с помощью таких методов, как ограничение использования ископаемого топлива и использование возобновляемых источников энергии. В конечном итоге это снизит количество CO 2 в атмосфере и уменьшит его количество, растворенное в океанах. Более интрузивные методы смягчения подкисления включают метод, называемый усиленным выветриванием , при котором порошкообразные минералы, такие как силикат, наносятся на поверхность суши или океана. [20] Порошкообразные минералы способствуют ускоренному растворению, высвобождению катионов, преобразованию CO 2 в бикарбонат и повышению pH океанов. [20] Другие методы смягчения последствий, такие как удобрение океана железом , все еще требуют дополнительных экспериментов и оценок, чтобы считаться эффективными. [21] В частности, было показано, что удобрение океана железом увеличивает подкисление в глубинах океана, лишь слегка снижая подкисление на поверхности. [21]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж Роббинс, Лиза Л.; Йейтс, Кимберли К.; Фили, Ричард; Фабри, Виктория (2010). «Мониторинг и оценка закисления океана в Северном Ледовитом океане – обзорный доклад» . Отчет об открытом файле . дои : 10.3133/ofr20101227 .
- ^ Jump up to: а б Ци, Ди, Лици; Гао, Чжунюн; Фили, Ричард А.; Сунь, Хэн; Чэнь, Мин; части Северного Ледовитого океана». и изменение климата . 7 (3): 195–199 Юаньхуэй, Вэй-Цзюнь (27 февраля 2017 г.). « кислотности воды в западной . Природа Увеличение : 10.1038/ nclimate3228 ISSN 1758-678X .
- ^ Jump up to: а б Дони, Скотт С .; Фабри, Виктория Дж.; Фили, Ричард А.; Клейпас, Джоан А. (январь 2009 г.). «Закисление океана: другая проблема CO 2 ». Ежегодный обзор морской науки . 1 (1): 169–192. Бибкод : 2009ARMS....1..169D . дои : 10.1146/annurev.marine.010908.163834 . ISSN 1941-1405 . ПМИД 21141034 .
- ^ МакГилкрист, Джорджия; Навейра Гарабато, AC; Цубоучи, Т.; Бэкон, С.; Торрес-Вальдес, С.; Азецу-Скотт, К. (01 апреля 2014 г.). «Поглотитель углерода Северного Ледовитого океана» . Глубоководные исследования. Часть I: Статьи океанографических исследований . 86 : 39–55. Бибкод : 2014DSRI...86...39M . дои : 10.1016/j.dsr.2014.01.002 . ISSN 0967-0637 .
- ^ Jump up to: а б Комо, С.; Горский, Г.; Джеффри, Р.; Тейссье, Ж.-Л.; Гаттузо, Ж.-П. (4 сентября 2009 г.). «Воздействие закисления океана на ключевого арктического пелагического моллюска (Limacina helicina)» . Биогеонауки . 6 (9): 1877–1882. Бибкод : 2009BGeo....6.1877C . дои : 10.5194/bg-6-1877-2009 . hdl : 10453/14721 . ISSN 1726-4170 .
- ^ Матис, Дж. Т.; Кули, СР; Люси, Н.; Кольт, С.; Экстром, Дж.; Херст, Т.; Хаури, К.; Эванс, В.; Кросс, Дж. Н.; Фили, РА (01 августа 2015 г.). «Оценка риска закисления океана для рыболовного сектора Аляски» . Прогресс в океанографии . Синтез арктических исследований (СОАР). 136 : 71–91. Бибкод : 2015Проце.136...71М . дои : 10.1016/j.pocean.2014.07.001 . hdl : 11122/11990 . ISSN 0079-6611 .
- ^ «SOTC: Морской лед | Национальный центр данных по снегу и льду» . nsidc.org . Проверено 19 марта 2020 г.
- ^ «SVS: Ежегодный минимум арктического морского льда 1979–2015 гг. С графиком площади» . svs.gsfc.nasa.gov . 10 марта 2016 г. Проверено 19 марта 2020 г.
- ^ Ямамото, А.; Кавамия, М.; Исида, А.; Яманака, Ю.; Ватанабэ, С. (29 июня 2012 г.). «Влияние быстрого сокращения морского льда в Северном Ледовитом океане на скорость закисления океана» . Биогеонауки . 9 (6): 2365–2375. Бибкод : 2012BGeo....9.2365Y . дои : 10.5194/bg-9-2365-2012 . ISSN 1726-4189 .
- ^ Jump up to: а б с д Ямамото-Каваи, Митиё; Маклафлин, Фиона А.; Кармак, Эдди С.; Нишино, Сигето; Симада, Кодзи (20 ноября 2009 г.). «Недонасыщенность арагонита в Северном Ледовитом океане: последствия закисления океана и таяния морского льда». Наука . 326 (5956): 1098–1100. Бибкод : 2009Sci...326.1098Y . дои : 10.1126/science.1174190 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 19965425 . S2CID 5624841 .
- ^ Jump up to: а б с Биастох, А.; Треуде, Т.; Рюпке, Л.Х.; Рибеселл, У.; Рот, К.; Бурвич, Е.Б.; Парк, В.; Латиф, М.; Бёнинг, CW; Мадек, Г.; Воллманн, К. (2011). «Повышение температуры Северного Ледовитого океана приводит к дестабилизации газовых гидратов и закислению океана» . Письма о геофизических исследованиях . 38 (8): н/д. Бибкод : 2011GeoRL..38.8602B . дои : 10.1029/2011GL047222 . ISSN 1944-8007 .
- ^ Кроекер, Кристи Дж.; Кордас, Ребекка Л.; Крим, Райан Н.; Сингх, Джеральд Г. (16 августа 2010 г.). «Метаанализ показывает негативное, но изменчивое воздействие закисления океана на морские организмы» . Экологические письма . 13 (11): 1419–1434. Бибкод : 2010EcolL..13.1419K . дои : 10.1111/j.1461-0248.2010.01518.x . ISSN 1461-023X . ПМИД 20958904 .
- ^ Jump up to: а б Орр, Джеймс С.; Фабри, Виктория Дж.; Омон, Оливье; Бопп, Лоран; Дони, Скотт С .; Фили, Ричард А.; Гнанадэсикан, Ананд; Грубер, Николас; Исида, Акио; Йоос, Фортунат; Ки, Роберт М. (сентябрь 2005 г.). «Антропогенное закисление океана в XXI веке и его влияние на кальцифицирующие организмы» . Природа . 437 (7059): 681–686. Бибкод : 2005Natur.437..681O . дои : 10.1038/nature04095 . HDL : 1912/370 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 16193043 . S2CID 4306199 .
- ^ Боггс-младший, Сэм. Принципы седиментологии и стратиграфии (5-е изд.). Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси: Pearson Education, Inc., стр. 145–150.
- ^ Агентство по охране окружающей среды США, штат Огайо (08 сентября 2016 г.). «Влияние закисления океана и прибрежных зон на морскую жизнь» . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 15 апреля 2020 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Курихара, Харуко (23 декабря 2008 г.). «Влияние закисления океана, вызванного CO 2 , на ранние стадии развития беспозвоночных» . Серия «Прогресс в области морской экологии» . 373 : 275–284. Бибкод : 2008MEPS..373..275K . дои : 10.3354/meps07802 . hdl : 10069/20919 . ISSN 0171-8630 .
- ^ Гейлорд, Брайан; Хилл, Тесса М .; Сэнфорд, Эрик; Ленц, Элизабет А.; Джейкобс, Лиза А.; Сато, Кирк Н.; Рассел, Энн Д.; Хеттингер, Аннализе (1 августа 2011 г.). «Функциональное воздействие закисления океана на экологически важные основные виды» . Журнал экспериментальной биологии . 214 (15): 2586–2594. дои : 10.1242/jeb.055939 . ISSN 0022-0949 . ПМИД 21753053 .
- ^ «CO 2 и закисление океана | Союз обеспокоенных ученых» . www.ucsusa.org . Проверено 1 мая 2022 г.
- ^ «Амнестическое отравление моллюсками (ASP) домоевой кислотой | Департамент здравоохранения штата Вашингтон» . doh.wa.gov . Проверено 1 мая 2022 г.
- ^ Jump up to: а б Хартманн, Йенс; Уэст, А. Джошуа; Ренфорт, Фил; Келер, Питер; Де Ла Роша, Кристина Л.; Вольф-Гладроу, Дитер А.; Дюрр, Ганс Х.; Шеффран, Юрген (апрель 2013 г.). «Усиление химического выветривания как геоинженерная стратегия по сокращению выбросов углекислого газа в атмосферу, снабжению питательными веществами и смягчению последствий закисления океана: УЛУЧШЕНИЕ ВЫВЕТРЕНИЯ» . Обзоры геофизики . 51 (2): 113–149. дои : 10.1002/rog.20004 . S2CID 722786 .
- ^ Jump up to: а б Цао, Лонг; Калдейра, Кен (01 марта 2010 г.). «Может ли удобрение океана железом смягчить закисление океана?» . Климатические изменения . 99 (1): 303–311. Бибкод : 2010ClCh...99..303C . дои : 10.1007/s10584-010-9799-4 . ISSN 1573-1480 . S2CID 153613458 .