Химический механизм закисления морской воды

Мировой океан служит главным поглотителем избыточного тепла и газов на планете. Примерно треть всех выбросов диоксида углерода, порожденных промышленностью, транспортом и энергетикой с середины девятнадцатого века, ушла в толщу гидросферы. При растворении углекислого газа в морской воде начинается цепочка химических реакций, которая кардинально меняет свойства среды.

Газ CO2 соединяется с молекулами воды H2O, образуя нестабильную угольную кислоту H2CO3. Она быстро распадается на ионы бикарбоната HCO3 минус и свободные ионы водорода H плюс. Именно накопление свободных ионов водорода снижает показатель кислотности pH, делая воду более агрессивной. С начала промышленной революции средний уровень pH поверхностных вод упал с 8,25 примерно до 8,14. Кажется, что сдвиг на десятую долю ничтожен, однако водородный показатель рассчитывается по логарифмической шкале. Изменение на 0,1 единицы означает рост концентрации ионов водорода примерно на тридцать процентов.

Вторая часть этой проблемы касается строительного материала морских организмов. Свободные протоны водорода связываются с растворенными карбонат-ионами CO3 два минус, превращая их в бикарбонаты. В итоге карбонат-ионов в толще воды становится все меньше. Морские обитатели используют именно карбонат-ионы вместе с кальцием для построения прочного карбоната кальция CaCO3, из которого состоят створки мидий, домики морских улиток и массивные колонии кораллов. Воде перестает хватать этих ионов, равновесие смещается, и окружающая среда начинает растворять уже сформированные минеральные скелеты обратно в раствор.

Кто страдает от растворения скелетов в первую очередь

Карбонат кальция в океане представлен двумя основными полиморфными модификациями. Это кальцит и арагонит. Кальцит устойчивее к растворению, из него строят свои панцири морские ежи, крабы и некоторые фораминиферы. Арагонит заметно более хрупкий и растворимый, но именно он формирует скелеты мадрепоровых кораллов и тонкие раковины крылоногих моллюсков.

  • Коралловые рифы теряют скорость кальцификации, их скелеты истончаются, делаются пористыми и легко крошатся под ударами океанских штормов.
  • Крылоногие моллюски птероподы, называемые морскими бабочками, получают химические ожоги и сквозные дыры на полупрозрачных створках за считанные недели нахождения в кислой воде.
  • Личинки устриц и мидий на ранних стадиях развития погибают массово, поскольку тратят всю внутреннюю энергию на нейтрализацию кислоты вокруг раковины вместо роста тканей.
  • Рыбы и головоногие моллюски сталкиваются с нарушением работы нервной системы, так как избыток кислых ионов искажает передачу сигналов в рецепторах обоняния и ориентации.

Птероподы служат фундаментальным звеном трофических сетей в холодных широтах Арктики и Южного океана. Ими питаются сельдь, мойва, молодь тихоокеанских лососей, морские птицы и усатые киты. Когда популяция крылоногих моллюсков сокращается из-за растворения раковин, кризис быстро поднимается вверх по всей пищевой цепи, ставя под удар рыбный промысел северных стран.

Почему закисление называют ржавчиной рифов

Метафора коррозии или ржавления прижилась в научной публицистике благодаря поразительному визуальному сходству процессов. Железо под действием влаги и кислорода окисляется, крошится слоями и теряет несущую способность. Архитектурный массив кораллового рифа ведет себя точно так же. Рифообразующие колонии веками нарастают слой за слоем, создавая гигантские волноломы и укрытия для четверти всех известных видов морских организмов.

При падении насыщенности воды арагонитом нижние и старые части кораллового каркаса теряют минеральную плотность. Риф становится ноздреватым, напоминающим старую ржавую балку. Даже обычное волнение начинает откалывать от него крупные глыбы, а морские сверлящие губки и черви проникают внутрь поврежденных структур намного быстрее. В результате биоразнообразие рифовой банки падает, а береговая линия лишается естественной защиты от разрушительных тайфунов.

Географические зоны риска

Закисление происходит по всей планете неравномерно. Углекислый газ растворяется в холодной воде значительно эффективнее и быстрее, чем в теплой экваториальной. По этой причине первыми под сильнейший удар попали полярные и приполярные акватории Берингова, Баренцева, Охотского морей и побережье Антарктиды. Там горизонт насыщения арагонитом уже поднялся близко к поверхности, создавая условия, при которых раковины мелких организмов начинают разрушаться прижизненно.

Второй опасный район — зоны прибрежного апвеллинга, например у западных берегов Северной Америки, Перу и Чили. Глубинные океанские воды от природы богаты углекислотой из-за дыхания бентосных организмов и гниения органики. Когда ветра сдувают теплые поверхностные слои, наверх поднимается плотная холодная вода с низким показателем pH. Смешиваясь с антропогенным углекислым газом из атмосферы, эти потоки создают агрессивные зоны, где фермы по выращиванию устриц в штатах Вашингтон и Орегон периодически теряют почти весь молодняк за несколько дней.

Геологическая летопись Земли хранит свидетельства подобных катастроф. Примерно пятьдесят шесть миллионов лет назад на рубеже палеоцена и эоцена произошел так называемый палеоцен-эоценовый термический максимум. В атмосферу и океан за несколько тысяч лет поступили гигантские объемы парниковых газов, предположительно из-за масштабного таяния глубоководных гидратов метана и вулканизма.

Осадочные породы того периода показывают резкое исчезновение светлых карбонатных слоев на океанском дне. Карбонаты растворились полностью, оставив лишь слой темно-красной глины. Тогда вымерло от тридцати до пятидесяти процентов видов глубоководных бентосных фораминифер, а экосистемам коралловых рифов потребовалось более ста тысяч лет на восстановление прежнего уровня видового богатства. Сегодня человечество выбрасывает углекислый газ в атмосферу со скоростью, которая превышает темпы палеоценового максимума примерно в десять раз.

Частые вопросы

Можно ли очистить океан добавлением щелочи?

Теоретически внесение измельченного известняка, гашеной извести или оливина повышает общую щелочность воды и связывает свободные кислоты. На практике объем Мирового океана превышает 1,3 миллиарда кубических километров. Для заметного эффекта потребовалось бы добыть, перемолоть и распылить миллиарды тонн минералов, что приведет к масштабному нарушению береговых экосистем и колоссальным энергозатратам.

Почему морская вода все еще считается щелочной, если говорят о закислении?

Чистая нейтральная вода имеет pH около 7,0. Средний показатель океана равен примерно 8,1, то есть вода фактически слабощелочная. Закислением этот процесс называют в химическом смысле, поскольку показатель сдвигается в сторону кислой зоны шкалы, приближаясь к семерке. Даже оставаясь в щелочном диапазоне, раствор теряет карбонат-ионы, нужные для сохранения раковин.

Поможет ли обычная посадка водорослей решить проблему?

Заросли водорослей ламинарии, зостеры и мангровые заросли действительно активно поглощают растворенный углекислый газ в процессе фотосинтеза, создавая локальные островки безопасности с повышенным pH. Однако такие убежища защищают фауну только локально в мелководной прибрежной полосе и не могут компенсировать глобальные изменения в открытом море.

Могут ли животные приспособиться к кислой воде?

Некоторые виды крабов с толстым хитиновым покровом или рыбы с сильным обменом веществ показывают устойчивость к легким колебаниям pH. Однако быстрая эволюция скелетообразования у организмов с долгим жизненным циклом не успевает за скоростью изменения океана, которая идет в десятки раз быстрее любых естественных циклов кайнозоя.