mitä on merten happamoituminen?
teollisen vallankumouksen alusta, jolloin ihmiset alkoivat polttaa hiiltä suuria määriä, maailman merivesi on vähitellen muuttunut happamammaksi. Ilmaston lämpenemisen tavoin myös tämä merien happamoitumisena tunnettu ilmiö on suora seuraus hiilidioksidin (CO2) määrän kasvusta Maan ilmakehässä.
ennen teollistumista hiilidioksidin pitoisuus ilmakehässä oli 280 miljoonasosaa (ppm). Fossiilisten polttoaineiden käytön lisääntyessä tuo määrä lähestyy nyt 400 ppm: ää ja kasvuvauhti kiihtyy. Tutkijat laskevat, että meri imee tällä hetkellä noin neljänneksen ihmisen päästämästä hiilidioksidista. Kun hiilidioksidi yhdistyy meriveden kanssa, tapahtuu kemiallisia reaktioita, jotka alentavat meriveden pH: ta, mistä nimitys merien happamoituminen johtuu.
tällä hetkellä noin puolet meren antropogeenisestä (ihmisen aiheuttamasta) hiilidioksidista on vesipatsaan ylemmässä 400 metrin syvyydessä, kun taas toinen puoli on tunkeutunut alempaan termokliiniin ja syvänmereen. Tiheyden ja tuulen aiheuttama virtaus auttaa sekoittamaan pinta-ja syvävesiä joillakin korkeilla leveysasteilla ja rannikkoalueilla, mutta suuressa osassa avomerta syvien pH-muutosten odotetaan viivyttävän pinnan pH-muutoksia muutamalla vuosisadalla.
valtamerten happamoituminen ja ilmaston lämpeneminen ovat eri ongelmia, mutta ne liittyvät läheisesti toisiinsa, koska niillä on sama perussyy—ihmisen hiilidioksidipäästöt. Hiilidioksidin pitoisuus ilmakehässä on nyt suurempi kuin se on ollut viimeisten 800 000 vuoden aikana ja mahdollisesti suurempi kuin kertaakaan viimeisen 20 miljoonan vuoden aikana. Ihmiset ovat tähän mennessä hyötyneet siitä, että valtameri kykenee pidättämään valtavia määriä hiiltä, myös suuren osan tästä ylimääräisestä hiilidioksidista. Jos valtameri ei olisi imenyt itseensä niin valtavia määriä hiilidioksidia, ilmakehän pitoisuus olisi vielä suurempi ja ilmaston lämpenemisen ympäristövaikutukset (merenpinnan nousu, muuttuvat sääilmiöt, sään ääri-ilmiöt jne.) ja niihin liittyvät sosioekonomiset vaikutukset olisivat todennäköisesti vielä huomattavampia. Valtameret eivät kuitenkaan voi jatkaa hiilidioksidin sitomista nykyisellä vauhdilla ilman merkittäviä muutoksia kemiassa, biologiassa ja ekosysteemin rakenteessa.
Merten happamoitumisen mittaus: Aiemmat ja nykyiset
tutkijat tietävät, että valtameret sitovat hiilidioksidia ja muuttuvat sen jälkeen happamammiksi tutkimusristeilyjen aikana kerätystä merivedestä tehdyistä mittauksista, jotka tarjoavat laajan alueellisen kattavuuden lyhyen ajan kuluessa, ja automaattisista valtamerten hiilimittauksista kiinteillä kiinnikkeillä, jotka tuottavat pitkän aikavälin korkean resoluution dataa yhdestä paikasta.
näitä tietueita voidaan jatkaa ajassa taaksepäin käyttäen niin sanottuja kemiallisia prokseja, joilla voidaan mitata epäsuorasti meriveden karbonaattikemiaa. Proxy on luonnonarkistosta (jääkairat, koralli, puunrenkaat, merisedimentit jne.) , jota käytetään päättelemään menneitä ympäristöolosuhteita. Esimerkiksi analysoimalla syvien meren sedimenttien pienten fossiilikuorien kemiallista koostumusta tiedemiehet ovat kehittäneet valtamerten pH-tietoja muinaisista ajoista, jolloin ei ollut pH-mittareita. Lisäksi, koska valtameren pintavesi on likimääräisessä kemiallisessa tasapainossa eli tasapainossa sen yläpuolella olevan ilmakehän kanssa, voidaan merien Historiallinen pH-arvo päätellä Grönlannin ja Etelämantereen jääytimistä saaduista ilmakehän hiilidioksiditietokannoista, joissa on ilmakuplia muinaisesta ilmakehästä. Tällaiset todisteet osoittavat, että nykyiset ilmakehän hiilidioksidikeskittymät ja valtameren pH-tasot ovat ennennäkemättömät ainakin viimeisten 800000 vuoden aikana.
mennessään syvemmälle maan historiaan paleoseenin ja Eoseenin rajalle noin 55 miljoonaa vuotta sitten tutkijat ovat löytäneet geokemiallisia todisteita valtavasta hiilidioksidin vapautumisesta, johon liittyy huomattava lämpeneminen ja matalien karbonaattisedimenttien liukeneminen valtamereen. Vaikka tämä hiilidioksidin vapautuminen on jokseenkin yhdenmukaista tämän päivän havaintojen kanssa, se tapahtui useiden tuhansien vuosien aikana, paljon hitaammin kuin se, mitä nyt todistamme, ja näin meret ehtivät osittain puskuroida muutosta. Geologisten tietojen mukaan lajit ovat sopeutuneet, sopeutuneet tai kuolleet sukupuuttoon aikana, jolloin ympäristö on muuttunut nopeasti. Koralli on kokenut suuria sukupuuttoja menneisyydessä (kuten permikauden sukupuutto 250 miljoonaa vuotta sitten), ja uusia koralli lajeja kehittynyt ottamaan niiden tilalle, mutta kesti miljoonia vuosia palauttaa aikaisemmat biologisen monimuotoisuuden.
miten valtamerten happamoituminen vaikuttaa valtamerten kemiaan?
meriveden pH on keskimäärin 8,2, koska se sisältää luonnossa esiintyviä emäksisiä ioneja, jotka ovat peräisin pääasiassa mannerkivien rapautumisesta. Kun merivesi sitoo hiilidioksidia ilmakehästä, syntyy hiilihappoa (KS. laatikko 1), mikä alentaa veden pH: ta.teollistumisen alusta lähtien meren pinnan keskimääräinen pH on laskenut noin 8,1: een.
koska pH-asteikko on logaritminen (1 pH-yksikön muutos merkitsee happamuuden kymmenkertaista muutosta), tämä muutos merkitsee happamuuden nousua 26 prosenttia noin 250 vuoden aikana, mikä on 100 kertaa nopeampaa kuin mikään, mitä valtameri ja sen asukkaat ovat kokeneet kymmenien miljoonien vuosien aikana.
happamoituminen voi vaikuttaa moniin meren eliöihin, mutta erityisesti niihin, jotka rakentavat kuorensa ja luurankonsa kalsiumkarbonaatista, kuten koralli-ja ostereihin, simpukoihin, simpukoihin, etanoihin sekä kasviplanktoniin ja eläinplanktoniin, pikkuruisiin kasveihin ja eläimiin, jotka muodostavat meren ravintoverkon pohjan.
näillä ”merikalastajilla” on kaksi mahdollista uhkaa, jotka liittyvät merien happamoitumiseen: 1) niiden kuoret ja luurangot saattavat liueta helpommin, kun meren pH laskee ja merivesi muuttuu syövyttävämmäksi; ja 2) Kun CO2 liukenee meriveteen, veden kemia muuttuu siten, että vähemmän karbonaatti-ioneja, simpukoiden ja luurankojen pääasiallisia rakennusaineita, on käytettävissä meren eliöiden käyttöön. Simpukoita tai luurankoja rakentavat merieliöt tekevät sen tavallisesti sisäisellä kemiallisella prosessilla, joka muuttaa bikarbonaatin karbonaatiksi muodostaen kalsiumkarbonaattia.
sitä, miten meren happamoituminen tarkalleen hidastaa kalkkeutumisnopeutta eli kuoren muodostumista, ei vielä täysin tunneta, mutta useita mekanismeja tutkitaan. Useimmat hypoteesit keskittyvät ylimääräiseen energiaan, jonka eliö joutuu kuluttamaan rakentaakseen ja ylläpitääkseen kalsiumkarbonaattikuoriaan ja-luurankojaan yhä syövyttävämmässä ympäristössä. Tästä ylimääräisestä energiamenosta huolimatta altistuminen ympäristön ylimääräisille stressitekijöille (meren lämpötilan nousu, hapensaannin heikkeneminen, sairaudet, elinympäristön häviäminen jne.) todennäköisesti pahentaa ongelmaa.
näitä vaikutuksia on jo dokumentoitu monilla merieliöillä, erityisesti trooppisilla koralli-ja syvänmeren koralleilla, joiden kalkkiutumisnopeus on hitaampi happamammissa olosuhteissa. Koralleihin kohdistuvat vaikutukset ovat erittäin huolestuttavia, koska ne tuottavat valtavia kalsiumkarbonaattirakenteita, riuttoja, jotka tarjoavat elinympäristön monille merieläimille, mukaan lukien kaupallisesti tärkeät kala-ja äyriäislajit, jotka käyttävät koralli-alueita taimialueina. Koralli riutat ovat elintärkeitä ihmisille ravinnon ja lääkkeiden lähteinä, suojana myrskyiltä ja ekoturismin keskuksena. Korallien lisäksi koralli on tutkimusten mukaan heikentänyt joidenkin ravintoverkon pohjalla olevien kalkkipitoisten planktonien, pienten kelluvien kasvien ja eläinten kykyä rakentaa ja ylläpitää kuoriaan. Tutkijat ovat myös havainneet useiden kaupallisesti tärkeiden kalojen ja äyriäisten toukkakuolleisuuden lisääntyneen.
mitä voimme odottaa tulevaisuudessa?
valtamerten happamoituminen tapahtuu 30-100 kertaa nopeammin kuin kertaakaan useiden miljoonien viime vuosien aikana, mikä johtuu ilmakehän hiilidioksidin nopeasta kasvunopeudesta, joka on lähes ennennäkemätön geologisen historian aikana. Hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin (IPCC) mukaan talous-ja väestöskenaariot ennustavat, että ilmakehän hiilidioksidipitoisuus voi nousta 500 ppm: ään vuoteen 2050 mennessä ja 800 ppm: ään tai enemmän vuosisadan loppuun mennessä. Tämä ei ainoastaan johda merkittävään lämpötilan nousuun ilmakehässä ja valtamerissä, vaan myös happamoittaa merivettä entisestään, mikä laskee pH: ta arviolta 0,3-0,4 yksikköä vuoteen 2100 mennessä, mikä merkitsee 150 prosentin happamuuden kasvua esiteolliseen aikaan verrattuna. Jos oletetaan” business-as-usual ” IPCC CO2-päästöskenaario, ennustavat mallit valtamerten biogeokemian hankkeesta, että arktisten ja eteläisten valtamerten pintavesistä tulee undersaturated aragoniitti (liukoisempi muodossa kalsiumkarbonaattia) muutaman vuosikymmenen kuluessa, mikä tarkoittaa, että nämä vedet tulevat erittäin syövyttäviä kuoret ja luurankoja aragoniittia tuottavia meren kalkkikiviä, kuten planktonic merietanat tunnetaan pteropods.
vaikka valtamerten happamoituminen on vasta äskettäin noussut tieteelliseksi kysymykseksi, se on herättänyt nopeasti vakavaa huolta meren eliöihin kohdistuvista lyhyen aikavälin vaikutuksista ja merten pitkäaikaisesta terveydestä. Tutkijat arvioivat, että seuraavan muutaman tuhannen vuoden aikana 90 prosenttia ihmisen aiheuttamista hiilidioksidipäästöistä imeytyy valtamereen. Tämä voi mahdollisesti vaikuttaa biologisiin ja geokemiallisiin prosesseihin, kuten fotosynteesiin ja ravinteiden kiertoon, jotka ovat elintärkeitä meriekosysteemeille, joihin ihmisyhteiskunta ja monet luonnonjärjestelmät ovat riippuvaisia. Samalla merten eliöillä on edessään valtava haaste sopeutua merten happamoitumiseen, veden lämpenemiseen ja pinnan alla olevien merten happipitoisuuksien laskuun.