Merten happamoituminen

Kemia pinnan alla

CO₂, hiilihappo ja pH-lasku

Kun ilmakehän CO₂ liukenee meriveteen, se reagoi vesimolekyylien kanssa muodostaen hiilihappoa (H₂CO₃). Hiilihappo dissosioituu nopeasti bikarbonaatiksi (HCO₃⁻) ja vetyioneiksi (H⁺), sitten edelleen karbonaatiksi (CO₃²⁻) ja ylimääräisiksi H⁺:ksi. Korotetun ilmakehän CO₂:n nettovaikutus on kaksiosainen: vetyionien konsentraatio kasvaa (alentaen pH:ta) ja karbonaatti-ionien konsentraatio laskee. Feely et al. [1] kartoittivat tämän prosessin maailmanlaajuisesti käyttäen World Ocean Circulation Experiment -hankkeen valtameren seurantatietoja ja havaitsivat, että aragoniitin kyllästyshorisontti – syvyys, jonka alapuolella merivesi on syövyttävää aragoniitille – on madaltunut mitattavasti sekä Atlantilla että Tyynellämerellä esiteollisista ajoista lähtien.

Aragoniitin kyllästystila: Avainmittari riuttasukeltajille

Aragoniitin kyllästystila (Ωarag) määritellään ionituotteen [Ca²⁺][CO₃²⁻] suhteeksi merivedessä aragoniitin liukoisuustuotteeseen. Kun Ωarag > 1, merivesi on ylikyllästynyttä ja korallit voivat rakentaa luurankoja. Kun Ωarag < 1, aragoniitti liukenee spontaanisti. Esiteollisten trooppisten pintavesien Ωarag-arvot olivat noin 3.5; nykyiset arvot ovat trooppisten riutta-alueiden keskiarvona noin 2.8 ja ne laskevat noin 0.1–0.2 yksikköä vuosikymmenessä nykyisten päästökehityskulkujen mukaisesti [2]. Ricke et al. [4] mallinsivat tulevaisuuden aragoniitin kyllästystiloja käyttäen Maan järjestelmämallin ennusteita ja havaitsivat, että RCP8.5-skenaarion mukaan suurin osa koralliriutta-alueista kokee Ωarag < 2 ennen vuosisadan puoliväliä – tämä on raja, jolloin monien korallilajien kalkkiutumisasteet laskevat jyrkästi.

Kalkkiutuvat organismit ristitulessa

Riuttoja rakentavat korallit

Hermatyypilliset (zooxanthellaiset) korallit ovat trooppisten riuttojen arkkitehteja, ja ne kuuluvat herkemmin pH:n muutoksille reagoiviin merten kalkkia tuottaviin organismeihin. Laboratorio- ja mesokosmokokeet ovat johdonmukaisesti osoittaneet, että korallien kalkkiutumisasteet laskevat 10–40 % jokaista 0,1 yksikön pH-laskua kohden, riippuen lajista ja lämpöhistoriasta. Hoegh-Guldberg et al. [3] yhdistelivät useita todisteita päätelläkseen, että ilmakehän CO₂-pitoisuuksien ylittäessä 500 ppm, riuttojen eroosionopeudet ylittäisivät kertymisen suurimmassa osassa tropiikkia, muuttaen pohjimmiltaan riutat kalsiumkarbonaatin nettotuottajista nettohäviäjiksi. Sukeltajille tämä ilmenee riuttoina, joissa on vähemmän topografista kompleksisuutta, vähemmän ulospäin ulottuvia rakenteita ja vähentynyt korallipeitto – riuttojen arkkitehtonisten piirteiden heikkenemisenä, jotka tekevät riuttasukelluksesta visuaalisesti poikkeuksellista.

Piikkinahkaiset, nilviäiset ja pteropodit

Merten happamoituminen vaikuttaa paljon muuhunkin kuin koralleihin. Merisiilit (riuttojen kriittisiä laiduntajia, jotka hallitsevat levien liikakasvua) kärsivät luuston epämuodostumista ja heikentyneestä oikomisvasteesta pH-arvoilla, joita ennustetaan tapahtuvan vuosikymmenten sisään. Pteropodit – vapaasti uiskentelevat merietanat, joita usein kutsutaan meriperhosiksi ja jotka muodostavat tiheitä parvia, joita lohet, sillit, valaat ja merilinnut syövät – osoittavat kuoren liukenemista pH-arvoilla, joita on jo havaittu kausittain osissa Eteläistä valtamerta ja USA:n Tyynenmeren rannikon nousuvesialueilla [2]. Orr et al. [2] ennustivat, että Eteläisen valtameren pintavesistä voisi tulla aragoniitille alikyllästettyjä vuoteen 2050 mennessä, jos päästöt jatkuvat nykyisellään, mikä uhkaa suoraan pteropodipopulaatioita, jotka tukevat polaarisia ja subpolaarisia ekosysteemejä. Lauhkeiden ja kylmien vesien kohteissa sukeltajille tämä ennustaa uudelleenjärjestäytyneitä ravintoverkkoja: vähemmän välitason lajeja, jotka houkuttelevat pelagista megafaunaa.

Kylmän veden ja syvänmeren korallit

Kylmän veden korallit muodostavat näyttäviä kolmiulotteisia riuttarakenteita 200–2000 metrin syvyyksissä, tarjoten välttämättömän elinympäristön suhteettoman monimuotoiselle syvänmeren lajistolle. Koska kylmä vesi sitoo enemmän CO₂:ta, kylmän veden korallien elinympäristöt happamoituvat nopeammin kuin trooppiset vastineensa. Orr et al. [2] osoittivat, että aragoniitille syövyttävää vettä on jo olemassa monien Lophelia pertusa -riuttojen syvyysalueilla Pohjois-Atlantilla, ja että vuosisadan puoliväliin mennessä nämä alikyllästetyt vedet nousevat syvyysvyöhykkeille, missä kylmän veden korallirakenteet tällä hetkellä menestyvät. Sweetman et al. [6] laskivat, että jopa 70 % maailman syvän veden korallielinympäristöistä voisi altistua syövyttäville olosuhteille vuoteen 2100 mennessä korkean päästön skenaarioissa.

Jos ilmakehän CO₂ stabiloidaan 500 ppm:ään, koralliriutat ovat marginaalisessa asemassa; 600 ppm:ssä olosuhteet ovat tappavia useimmille riuttoja rakentaville koralleille.

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

IPCC AR6: Ennusteet, joita sukeltajat eivät voi sivuuttaa

IPCC:n kuudennen arviointikertomuksen työryhmä I (2021) syntetisoi ennusteet 18 CMIP6 Earth-järjestelmämallista [5]. Keskisuuren SSP2-4.5-skenaarion mukaan pintameren pH:n ennustetaan laskevan noin 0,2 yksikköä vuoteen 2100 mennessä saavuttaen arvot, jotka nähtiin viimeksi plioseenikaudella, noin 3 miljoonaa vuotta sitten. Korkean päästön SSP5-8.5-reitin mukaan ennustetaan 0,3–0,4 yksikön pH-laskua – meriolosuhteita, joille ei ole vastinetta modernin riuttoja rakentavan korallinkehityksen historiassa. Kwiatkowski et al. [7] osoittivat CMIP6-malleja käyttäen, että trooppisen pinnan pH laskee alle 7,95:n SSP5-8.5-skenaarion mukaan, mikä on taso, jolla useimmat trooppiset riuttajärjestelmät lopettavat nettokalkkiutumisen. Kriittisesti nämä ennusteet eivät ota huomioon synergististä vuorovaikutusta valtameren lämpenemisen kanssa: lämpövaaleneminen ja happamoituminen vaikuttavat samanaikaisesti samoihin organismeihin, ja niiden yhdistetty vaikutus on tuhoisampi kuin kumpikaan stressitekijä yksinään [3].

Biologiset voittajat ja häviäjät happamoitumisen takia

• Häviäjät – aragoniitin rakentajat: Acropora-, Porites-, Orbicella-korallit; pteropodit; merisiilit; simpukoiden toukat; nuoret kalat, joilla on otoliitin (korvakiven) häiriöitä.
• Häviäjät – kalsiitin rakentajat (kohtalaisesti vaikuttuneet): Korallilevät, kasvavat sammaleläimet – yhä vaikuttuneet, mutta kestävämpiä kuin aragoniitin rakentajat.
• Näennäiset voittajat – ei-kalkkiutuvat: Jotkut mehevät makrolevät ja syanobakteerit voivat lisääntyä korallipeitteen vähentyessä, mikä kiihdyttää vaihesiirtymiä leviin dominoituihin riuttoihin.
• Kontekstista riippuvaista: Jotkut kalalajit osoittavat käytöshäiriöitä (vähentynyt saalistajien välttely, hajuaistin muutokset) kohonneilla CO₂-pitoisuuksilla, joita ennustetaan vuosisadan loppuun.

Mitä sukeltajat havaitsevat: Riutan hidas romahdus

Merten happamoituminen ei tuota dramaattista, yhden yön vaalenemisnäytelmää. Sen tunnusmerkki on hienovaraisempi ja kumulatiivisempi: vähentynyt rakenteellinen kompleksisuus, kun karbonaattirunko liukenee nopeammin kuin sitä täydennetään; romukentät, joissa aikoinaan seisoi massiivisia korallipomppuja; rekrytointivajeet, joissa korallitoukat eivät asetu tai kärsivät asettumisen jälkeisestä liukenemisesta ennen kuin ne ehtivät kasvaa riittävän suuriksi osallistuakseen rakenteeseen. Sukeltajat, joilla on vuosikymmenten kokemus samoista riutoista, raportoivat näistä muutoksista syvällisesti – riutan harjanteen asteittainen lasku, ylöspäin ulottuvien rakenteiden häviäminen, jotka ennen suojasivat haita ja ryhmittymiä, ja nurmilevien leviäminen paljaiden pohjakerrosten alueille. Hughes et al. [8] dokumentoivat korallipeitteen yleistropiikin laajuisen noin 50 %:n laskun viimeisten 50 vuoden aikana, happamoitumisen ja lämpövaalenemisen toimiessa yhteistyössä.

Happamoitumisen seuranta: Sukellusyhteisön työkalut

Global Ocean Acidification Observing Network (GOA-ON) ylläpitää maailmanlaajuista pH- ja pCO₂-anturien verkostoa. NOAA:n Ocean Acidification Program julkaisee vuosittain tietoja, jotka ovat avoimesti saatavilla. Useat kansalaistiedehankkeet – mukaan lukien CoralWatch ja Reef Life Survey – antavat sukeltajille mahdollisuuden osallistua valkaisu- ja korallipeittotietojen keräämiseen, jotka täydentävät etäseurantaa. Vaikka sukeltajat eivät voi suoraan mitata pH:ta sukelluksella, Coral Triangle Initiativen seurantaprotokollat ja NOAA:n National Coral Reef Monitoring Program sisältävät karbonaattikemian mittauksia vartioasemilla tärkeimmissä sukelluskohteissa.