تحمض المحيطات

الكيمياء تحت السطح

ثاني أكسيد الكربون وحمض الكربونيك وتدهور الرقم الهيدروجي

عندما يذوب ثاني أكسيد الكربون الجوي في مياه البحر، يتفاعل مع جزيئات الماء لتشكيل حمض الكربونيك (H₂CO₃). يتفكك حمض الكربونيك بسرعة إلى بيكربونات (HCO₃⁻) وأيونات الهيدروجين (H⁺)، ثم يتفكك بشكل أكبر إلى كربونات (CO₃²⁻) وأيونات H⁺ إضافية. التأثير الصافي لثاني أكسيد الكربون المرتفع في الغلاف الجوي مزدوج: يزداد تركيز أيونات الهيدروجين (مما يقلل الرقم الهيدروجي) وينخفض تركيز أيونات الكربونات. قام Feely وآخرون [1] بتحديد هذه العملية على مستوى العالم باستخدام بيانات المسح المحيطي من تجربة الدورة الدموية للمحيطات العالمية ووجدوا أن أفق تشبع الأراجونيت - العمق الذي يكون تحته ماء البحر مسببًا للتآكل للأراجونيت - قد تعمق بشكل ملموس في كل من المحيط الأطلسي والهادئ منذ عصور ما قبل الصناعة.

تشبع الأراجونيت: المقياس الرئيسي لغواصي الشعاب المرجانية

تُعرف حالة تشبع الأراجونيت (Ωarag) بأنها نسبة حاصل أيون [Ca²⁺][CO₃²⁻] في مياه البحر إلى ناتج قابلية ذوبان الأراجونيت. عندما تكون Ωarag > 1، يكون ماء البحر مشبعًا ويمكن للشعاب المرجانية بناء هياكلها العظمية. عندما تكون Ωarag < 1، يذوب الأراجونيت تلقائيًا. كانت المياه السطحية الاستوائية قبل الصناعة تحتوي على قيم Ωarag تقارب 3.5؛ وتتراوح القيم الحالية حوالي 2.8 في مناطق الشعاب المرجانية الاستوائية وتنخفض بمعدل يتراوح بين 0.1-0.2 وحدة لكل عقد بموجب مسارات الانبعاثات الحالية [2]. قام Ricke وآخرون [4] بنمذجة حالات تشبع الأراجونيت المستقبلية باستخدام توقعات نموذج نظام الأرض ووجدوا أنه في ظل RCP8.5، ستشهد غالبية مواقع الشعاب المرجانية Ωarag < 2 قبل منتصف القرن - وهي عتبة تنخفض عندها معدلات التكلس في العديد من أنواع الشعاب المرجانية بشكل حاد.

الكائنات البانية للكالسيوم في مرمى النيران

الشعاب المرجانية البانية للشعاب

الشعاب المرجانية البانية للشعاب (zooxanthellate hermatypic corals) هي بناة الشعاب المرجانية الاستوائية، وهي من أكثر الكائنات البحرية البانية للكالسيوم حساسية للرقم الهيدروجي. أظهرت الدراسات المعملية ودراسات المقياس المتوسط باستمرار أن معدلات تكلس الشعاب المرجانية تنخفض بنسبة 10-40% لكل انخفاض بمقدار 0.1 وحدة في الرقم الهيدروجي، اعتمادًا على الأنواع والتاريخ الحراري. قام Hoegh-Guldberg وآخرون [3] بتجميع خطوط متعددة من الأدلة لاستنتاج أنه عند تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي فوق 500 جزء في المليون، ستتجاوز معدلات تآكل الشعاب المرجانية تراكمها في معظم المناطق الاستوائية، مما يؤدي إلى تحول جذري للشعاب المرجانية من منتجين صافيين لكربونات الكالسيوم إلى خاسرين صافيين. بالنسبة للغواصين، يتجلى هذا في شعاب مرجانية ذات تعقيد هيكلي أقل، وهياكل متدلية أقل، وتغطية مرجانية متدهورة - وهو تدهور في السمات المعمارية نفسها التي تجعل الغوص في الشعاب المرجانية استثنائيًا بصريًا.

شوكيات الجلد والرخويات والبيدميات

يؤثر تحمض المحيطات على أكثر بكثير من الشعاب المرجانية. تُظهر قنافذ البحر (آكلات الأعشاب البحرية المهمة التي تتحكم في نمو الطحالب الزائد) تشوهات هيكلية وتقليلًا في استجابة الاستقامة عند قيم الرقم الهيدروجي المتوقعة في غضون عقود. تُظهر البيدميات - حلزونات البحر حرة السباحة التي تُسمى غالبًا فراشات البحر، والتي تشكل أسرابًا كثيفة تستهلكها أسماك السلمون والرنجة والحيتان والطيور البحرية - ذوبانًا في قشرتها عند قيم الرقم الهيدروجي التي لوحظت بالفعل موسميًا في أجزاء من المحيط الجنوبي ومناطق الصعود قبالة ساحل المحيط الهادئ الأمريكي [2]. توقع Orr وآخرون [2] أن المياه السطحية في المحيط الجنوبي قد تصبح غير مشبعة بالأراجونيت بحلول عام 2050 في ظل انبعاثات العمل كالمعتاد، مما يهدد بشكل مباشر مجموعات البيدميات التي تدعم شبكات الغذاء القطبية وشبه القطبية. بالنسبة للغواصين في الوجهات المعتدلة والباردة، يتنبأ هذا بإعادة هيكلة شبكات الغذاء: عدد أقل من الأنواع ذات المستوى المتوسط التي تجذب الحيوانات البحرية العملاقة.

الشعاب المرجانية في المياه الباردة والعميقة

تشكل الشعاب المرجانية في المياه الباردة هياكل شعاب مرجانية ثلاثية الأبعاد مذهلة على أعماق تتراوح من 200 إلى 2000 متر، مما يوفر موائل أساسية لتنوع غير متناسب من أنواع أعماق البحار. نظرًا لأن المياه الباردة تحتوي على المزيد من ثاني أكسيد الكربون، فإن موائل الشعاب المرجانية في المياه الباردة تتحمض بشكل أسرع من نظيراتها الاستوائية. أظهر Orr وزملاؤه [2] أن المياه المسببة للتآكل للأراجونيت موجودة بالفعل في نطاقات عمق العديد من شعاب Lophelia pertusa المرجانية في شمال المحيط الأطلسي، وبحلول منتصف القرن ستتجه هذه المياه غير المشبعة إلى مناطق العمق حيث تزدهر حاليًا هياكل الشعاب المرجانية في المياه الباردة. حسب Sweetman وزملاؤه [6] أن ما يصل إلى 70% من موائل الشعاب المرجانية في المياه الباردة العميقة عالميًا قد تتعرض لظروف التآكل بحلول عام 2100 في ظل سيناريوهات الانبعاثات العالية.

إذا استقر ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي عند 500 جزء في المليون، ستكون الشعاب المرجانية في وضع حرج؛ وعند 600 جزء في المليون، ستكون الظروف قاتلة لمعظم الشعاب المرجانية البانية.

— Hoegh-Guldberg et al., Science, 2007 [3]

تقرير التقييم السادس للجنة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC AR6): التوقعات التي لا يمكن للغواصين تجاهلها

قام فريق العمل الأول لتقرير التقييم السادس للجنة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC AR6) (2021) بتوليف التوقعات من 18 نموذجًا لنظام الأرض CMIP6 [5]. في ظل سيناريو SSP2-4.5 المتوسط، من المتوقع أن ينخفض الرقم الهيدروجي للمحيط السطحي بحوالي 0.2 وحدة بحلول عام 2100، ليصل إلى قيم شوهدت آخر مرة في عصر البليوسين، منذ حوالي 3 ملايين سنة. في ظل مسار الانبعاثات العالية SSP5-8.5، من المتوقع أن ينخفض الرقم الهيدروجي بمقدار 0.3-0.4 وحدة - وهي ظروف محيطية لا مثيل لها في تاريخ تطور الشعاب المرجانية البانية الحديثة. أظهر Kwiatkowski وآخرون [7] باستخدام نماذج CMIP6 أن الرقم الهيدروجي السطحي الاستوائي سينخفض إلى أقل من 7.95 في ظل SSP5-8.5، وهو مستوى تتوقف عنده معظم أنظمة الشعاب المرجانية الاستوائية عن التكلس الصافي. الأهم من ذلك، أن هذه التوقعات لا تأخذ في الاعتبار التفاعل التآزري مع ارتفاع درجة حرارة المحيط: يعمل ابيضاض الحرارة والتحمض في وقت واحد على الكائنات الحية نفسها، ويكون تأثيرهما المشترك أكثر ضرراً من أي عامل إجهاد بمفرده [3].

الرابحون والخاسرون بيولوجيًا تحت التحمض

• الخاسرون — بناة الأراجونيت: الشعاب المرجانية من أنواع أكروبورا و بورايتس و أوربيكيلا؛ البيدميات؛ قنافذ البحر؛ يرقات ثنائيات المصراع؛ الأسماك اليافعة التي تعاني من اضطراب في الأوتوليث (حجر الأذن).
• الخاسرون — بناة الكالسيت (تأثرت بشكل متواضع): الطحالب المرجانية، عضويات الطحالب اللاصقة - لا تزال تتأثر ولكنها أكثر مقاومة من بناة الأراجونيت.
• الرابحون الظاهرون — الكائنات غير الكلسية: قد تتوسع بعض الطحالب الكبيرة اللحمية والبكتيريا الزرقاء مع انخفاض غطاء الشعاب المرجانية، مما يسرع التحولات المرحلية إلى الشعاب المرجانية التي تهيمن عليها الطحالب.
• يعتمد على السياق: تظهر بعض أنواع الأسماك اضطرابًا سلوكيًا (انخفاض تجنب المفترسات، تغيرات حسية للشم) عند تركيزات مرتفعة من ثاني أكسيد الكربون المتوقعة لنهاية القرن.

ما يلاحظه الغواصون: الانهيار البطيء للشعاب

لا ينتج تحمض المحيطات مشهد ابيضاض جماعي مفاجئ ومذهل. بصمته أكثر دقة وتراكمية: تقليل التعقيد الهيكلي حيث يذوب إطار الكربونات بشكل أسرع مما يتم تجديده؛ حقول الحطام حيث كانت توجد كتل مرجانية ضخمة في السابق؛ فجوات التجنيد حيث تفشل يرقات المرجان في الاستقرار أو تعاني من ذوبان ما بعد الاستيطان قبل أن تكبر بما يكفي للمساهمة في الهيكل. غالبًا ما يبلغ الغواصون ذوو العقود من الخبرة في نفس الشعاب المرجانية عن هذه التغييرات بشكل ملموس - الانخفاض التدريجي لقمة الشعاب، وفقدان الهياكل المتدلية التي كانت توفر مأوى لأسماك القرش والهامور، وزحف الطحالب العشبية عبر مناطق الركيزة العارية. وثّق Hughes وآخرون [8] انخفاضًا استوائيًا في غطاء الشعاب المرجانية بنسبة 50% تقريبًا على مدى الخمسين عامًا الماضية، مع تحمض وابيضاض الحرارة يعملان كمتآمرين.

مراقبة التحمض: أدوات لمجتمع الغوص

تحتفظ الشبكة العالمية لمراقبة تحمض المحيطات (GOA-ON) بمجموعة عالمية من أجهزة استشعار الرقم الهيدروجي وضغط ثاني أكسيد الكربون الجزئي. ينشر برنامج تحمض المحيطات في الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) بيانات سنوية متاحة للجمهور. تسمح العديد من برامج العلوم المواطنية - بما في ذلك CoralWatch و Reef Life Survey - للغواصين بالمساهمة ببيانات الابيضاض وتغطية الشعاب المرجانية التي تكمل المراقبة عن بعد. بينما لا يستطيع الغواصون قياس الرقم الهيدروجي مباشرة أثناء الغوص، تتضمن بروتوكولات المراقبة الخاصة بمبادرة المثلث المرجاني وبرنامج المراقبة الوطنية للشعاب المرجانية التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي قياسات كيمياء الكربونات في محطات رصد عبر وجهات الغوص الرئيسية.