海洋酸性化

水面下の化学

CO₂、炭酸、そしてpHの低下

大気中のCO₂が海水に溶けると、水分子と反応して炭酸（H₂CO₃）を形成します。炭酸はすぐに重炭酸イオン（HCO₃⁻）と水素イオン（H⁺）に解離し、さらに炭酸イオン（CO₃²⁻）と追加のH⁺に解離します。大気中のCO₂濃度上昇の最終的な影響は二重です：水素イオン濃度が増加（pHが低下）し、炭酸イオン濃度が減少します。Feelyらは[1]、World Ocean Circulation Experimentの海洋調査データを用いてこのプロセスを世界的にマッピングし、アラゴナイト飽和深度（海水がアラゴナイトを腐食する深度）が産業革命以前から大西洋と太平洋の両方で著しく浅くなっていることを発見しました。

アラゴナイト飽和度：ダイビングクルーズで重要な指標

アラゴナイト飽和度（Ωarag）は、海水中のイオン積[Ca²⁺][CO₃²⁻]とアラゴナイトの溶解度積の比率として定義されます。Ωarag > 1の場合、海水は過飽和状態であり、サンゴは骨格を形成できます。Ωarag < 1の場合、アラゴナイトは自発的に溶解します。産業革命以前の熱帯表層水はΩarag値が約3.5でした。現在の値は熱帯サンゴ礁地域で平均約2.8であり、現在の排出経路の下では10年あたり約0.1〜0.2単位で減少しています[2]。Rickeらは[4]、地球システムモデルの予測を用いて将来のアラゴナイト飽和度をモデル化し、RCP8.5シナリオの下では、ほとんどのサンゴ礁で21世紀半ばより前にΩarag < 2になると予測しました。この閾値では、多くのサンゴ種における石灰化率が急激に低下します。

脅威にさらされる石灰化生物

サンゴ礁を形成するサンゴ

造礁サンゴ（褐虫藻共生サンゴ）は熱帯のサンゴ礁を構築する主要な生物であり、すべての海洋石灰化生物の中で最もpHに敏感なものの一つです。実験室およびメソコスム研究では、サンゴの石灰化率が、種と熱履歴に応じて、pHが0.1単位低下するごとに10〜40%減少することが一貫して示されています。Hoegh-Guldbergらは[3]、複数の証拠を総合し、大気中のCO₂濃度が500 ppmを超えると、熱帯のほとんどの地域でサンゴ礁の浸食率が成長率を上回り、サンゴ礁が正の炭酸カルシウム生産者から正の損失者へと根本的に変化すると結論付けました。ダイバーにとって、これは地形の複雑さの減少、オーバーハング構造の減少、サンゴ被度の減少として現れます。これは、サンゴ礁ダイビングを視覚的に特別なものにしている建築的特徴そのものの劣化です。

棘皮動物、軟体動物、浮遊性巻貝

海洋酸性化は、サンゴだけでなく、はるかに多くの生物に影響を及ぼします。藻類の過剰繁殖を制御する重要な礁の草食動物であるウニは、数十年以内に予測されるpH値で骨格の変形や姿勢回復反応の低下を示します。サケ、ニシン、クジラ、海鳥に食べられる密な群れを形成する、自由遊泳性の巻貝でしばしば海の蝶と呼ばれる浮遊性巻貝（翼足類）は、すでに季節的に南極海の一部や米国太平洋岸の湧昇域で観察されているpH値で殻の溶解を示しています[2]。Orrらは[2]、通常通りの排出シナリオの下で、南極海の表層水が2050年までにアラゴナイトに対して不飽和になる可能性があり、極地および亜極地の食物網を支える浮遊性巻貝の個体群を直接脅かすと予測しました。温帯および冷水域のダイバーにとって、これは再構築された食物網を意味します。すなわち、遠洋性の大型動物を引き付ける中層の種の減少です。

冷水サンゴと深海サンゴ

冷水サンゴは、水深200～2,000mで壮大な三次元の礁構造を形成し、深海生物の不均衡な多様性に不可欠な生息地を提供しています。冷水はより多くのCO₂を保持するため、冷水サンゴの生息地は熱帯のサンゴよりも速く酸性化しています。Orrらは[2]、アラゴナイトに腐食性の水域が北大西洋の多くのコエラムナ礁の深度範囲にすでに存在し、21世紀半ばまでにこれらの不飽和水域が現在冷水サンゴの構造が繁栄している深度帯に入り込むことを示しました。Sweetmanらは[6]、高排出シナリオの下で、2100年までに世界の深海冷水サンゴ生息地の最大70%が腐食性の条件にさらされる可能性があると計算しました。

大気中のCO₂が500 ppmで安定すれば、サンゴ礁は限界的な状態になるでしょう。600 ppmでは、ほとんどの造礁サンゴにとって致命的な状況となるでしょう。

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

IPCC AR6：ダイビングクルーズが見過ごせない予測

IPCC第6次評価報告書ワーキンググループI（2021年）は、18のCMIP6地球システムモデルによる予測を統合しました[5]。中間的なSSP2-4.5シナリオの下では、海洋表面のpHは2100年までに約0.2単位低下すると予測されており、約300万年前の鮮新世以来見られなかった値に達します。高排出量のSSP5-8.5経路の下では、0.3〜0.4単位のpH低下が予測されており、これは現代の造礁サンゴの進化史には類似例のない海洋条件です。Kwiatkowskiらは[7]、CMIP6モデルを用いて、SSP5-8.5の下では熱帯表面のpHが7.95を下回ることを示しました。このレベルでは、ほとんどの熱帯サンゴ礁システムは正味石灰化を停止します。重要なことに、これらの予測は海洋温暖化との相乗的な相互作用を考慮していません。熱帯性白化現象と酸性化は、同じ生物に同時に作用し、それらの複合的な影響は、いずれかのストレス要因単独よりもはるかに破壊的です[3]。

酸性化による生物学的な勝者と敗者

• 敗者 — アラゴナイト形成者：ミドリイシ、ハマサンゴ、オルビケラサンゴ；浮遊性巻貝；ウニ；二枚貝の幼生；平衡石（耳石）に異常のある稚魚。
• 敗者 — 方解石形成者（軽度な影響）：石灰藻、被覆性コケムシ — 影響は受けるが、アラゴナイト形成者よりも耐性がある。
• 明らかな勝者 — 非石灰化生物：一部の肉質のマクロ藻類やシアノバクテリアは、サンゴ被度の減少に伴って拡大し、藻類優占礁への相転移を加速させる可能性がある。
• 状況による：一部の魚類は、世紀末に予測される高CO₂濃度で行動障害（捕食者回避能力の低下、嗅覚の変化）を示す。

ダイビングクルーズで観察されること：スローモーションのサンゴ礁崩壊

海洋酸性化は、大規模白化現象のような劇的な一夜の光景を生み出すわけではありません。その特徴はより微妙で、累積的です。炭酸塩骨格が補充されるよりも速く溶解するため、「構造の複雑さの減少」が生じます。かつて巨大なサンゴの塊があった場所には「瓦礫の山」が広がります。サンゴの幼生が定着できなかったり、定着後に骨格に貢献するほど大きく成長する前に溶解したりする「稚魚の定着ギャップ」が見られます。同じサンゴ礁に数十年通っているダイバーは、これらの変化を痛感して報告しています。サンゴ礁の頂上が徐々に低くなり、かつてサメやハタを隠していたオーバーハング構造が失われ、裸の基質に芝状の藻類が侵食している様子などです。Hughesらは[8]、過去50年間で汎熱帯的なサンゴ被度が約50%減少したことを記録しており、酸性化と熱帯性白化現象が共犯者として作用しています。

酸性化の監視：ダイビングコミュニティのためのツール

地球海洋酸性化観測ネットワーク（GOA-ON）は、pHとpCO₂センサーのグローバルアレイを維持しています。NOAAの海洋酸性化プログラムは、一般にアクセス可能な年次データを公開しています。CoralWatchやReef Life Surveyを含むいくつかの市民科学プログラムでは、ダイバーが遠隔監視を補完する白化現象やサンゴ被度のデータを提供できます。ダイバーはダイビング中に直接pHを測定することはできませんが、コーラルトライアングル・イニシアティブのモニタリングプロトコルとNOAAの国立サンゴ礁モニタリングプログラムには、主要なダイビングクルーズの拠点にある監視ステーションでの炭酸化学測定が含まれています。