Окислення океану: Карбонатна хімія, що стоїть за ним

Інша проблема з CO2

Більшість інформації про CO2 стосується парникового ефекту: газ утримує вихідну інфрачервоне випромінювання та нагріває планету. Однак приблизно 30% від усіх CO2, які людство викинуло з початку промисловості – близько 525 мільйонів тонн – ніколи не залишалося в атмосфері. Вони безпосередньо розчинилися в океані. Це розчинення запускає чисто хімічну каскаду, незалежну від будь-якого нагрівання, тому що океанографи називають це «іншою проблемою з CO2». Це відбулося б навіть якщо б CO2 не мав жодного впливу на температуру.

З карбоксильної газу до Карбокислого

Коли атмосферний CO2 розчиняється у воді морської води (Закон Генрі), він реагує з водою, утворюючи Карбонову Кислоту, яка миттєво дисоціює на два етапи:

CO2(г) ⇌ CO2(р) Закон Генрі CO2(р) + H2O ⇌ H2CO3 Карбонова Кислота H2CO3 ⇌ H+ + HCO3⁻ Бікарбонат, pKa ≈ 6.3 HCO3⁻ ⇌ H+ + CO3²⁻ Карбонат, pKa ≈ 10.3 Кожен з цих етапів вивільняє вільні іони водню, що й знижує pH. Океан завжди проводив цю реакцію — це не нова хімія. Що нового — це швидкість: поточне зниження pH відбувається приблизно в 100 разів швидше, ніж будь-який природний перехід, який видно у геологічному записі, занадто швидко для більшості морських екосистем адаптуватися на еволюційних часових масштабах.

CO2(g)  ⇌ CO2(aq)                    Henry's Law
CO2(aq) + H2O ⇌ H2CO3                carbonic acid
H2CO3   ⇌ H+ + HCO3⁻                 bicarbonate, pKa ≈ 6.3
HCO3⁻   ⇌ H+ + CO3²⁻                 carbonate,   pKa ≈ 10.3

Захист, який з’їдає власні активи

Допоміжна буфера стійко до змін pH у морській воді за допомогою карбонатного бар’єрного реакцію: надлишок іонів водню об’єднується з розчиненими в ній карбонат-іонами, перетворюючи їх на бікарбонат – CO3²⁻ + H+ → HCO3⁻. Це справді захисно в короткостроковій перспективі, підтримуючи pH стабільнішим, ніж це було б у простому розчині кислоти та води. Але воно працює за рахунок виснаження запасів вільно карбонат-іонів у океані, і саме ці іони використовують організми, що будують раковини, щоб виростити арагтонit та кальцит. Допромисловий рівень pH на поверхні складався приблизно з 8,2; сьогодні він становить близько 8,1 – зменшення в 0,1 одиниці, яке, оскільки pH є логарифмічним, відповідає збільшенню на 26% концентрації іонів водню.

Насиченість розчинених іонів: число, що дійсно має значення для панцирів

Чи росте мінеральний пакунок або він розчиняється, не визначається безпосередньо pH, а визначається насиченістю Ω, яка порівнює добуток розведених іонів кальцію та карбонату з розчинною силою мінералу:

Ω_арга = [Ca²⁺][CO₃²⁻] / K*sp Ω > 1 → схиляється до утворення (росту панцирів) Ω = 1 → рівновага Ω Зі зростанням атмосферного CO2 — від промислової епохи 280 ppm до сучасних приблизно 425 ppm і сценаріїв високих викидів близько 1000 ppm — розведений карбонат падає, а Ω_арга з ним. Холодна вода поглинає більше CO2, ніж тепла, тому арктичні моря найбільш швидко кислять: частини Арктичного океану перетнули Ω < 1 приблизно у 2023 році, перша океанічна область в сучасній історії, яка стала нерозчинною для агатоваї панцирів. Коралові рифи, які займають лише 0,1% дна морського, але підтримують близько чверти всіх морських видів, утворюють панцири повільніше, коли падає Ω, і в поєднанні з нагріванням, більшість тропічних рифів прогнозується втратою вище 2°C нагрівання. Птеропеди — невеликі молюски з агатовами панцирами, які утримують пісні арктичної їжі, показали, що вони видимісінько розчиняються протягом 45 днів при pH 7,8, умовах, які вже досягаються в Південному океані сезонно.

Ω_arag = [Ca²⁺][CO3²⁻] / K*sp

  Ω > 1  →  precipitation favoured  (shells grow)
  Ω = 1  →  equilibrium
  Ω < 1  →  dissolution              (shells dissolve)

Океанізація кислотності: карбонатна хімія за цим

На відміну від температури атмосфери, яка реагує протягом років на зменшення впливу, океанізація кислотності є ефективним «заклином» у масштабах часу для людини. Навіть у гіпотетичному майбутньому без викидів CO2 приблизно 30% історичного CO2, розчиненого в океані, залишається там на століття, продовжуючи пригнічувати доступність карбонату. Під агресивним шляхом пом’якшення (RCP 2.6) прогнозується стабілізація поверхневого pH близько 8,05 до 2100 року — некомфортно, але виживає для більшості організмів; під шляхом високих викидів (RCP 8.5) це може досягти приблизно 7,75, рівень, який океан не відчував за останні 20–30 мільйонів років.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.