- pH поверхности океана снизился на 0,1 единицы с доиндустриальных времён — увеличение кислотности на 26% — вызванное поглощением антропогенного CO₂.
- Насыщение арагонитом (Ωarag) является ключевым показателем здоровья коралловых рифов; оно снизилось с ~3,5 до ~2,8 в тропических поверхностных водах и, по прогнозам, упадёт ниже 2,0 при сценариях с высокими выбросами.
- МГЭИК AR6 прогнозирует дальнейшее снижение pH на 0,2–0,4 единицы к 2100 году, что сделает условия неблагоприятными для роста рифов на большей части тропиков.
Ежегодно мировые океаны поглощают примерно 25–30% выбросов углекислого газа, производимых человеком, — около 10 миллиардов тонн CO₂. Эта функция смягчает потепление атмосферы, но имеет химическую цену. По мере растворения CO₂ в морской воде образуется угольная кислота (H₂CO₃), которая диссоциирует, высвобождая ионы водорода, снижающие pH морской воды [1]. С доиндустриальных времён средний pH поверхности океана снизился примерно с 8,2 до 8,1 — это изменение кажется незначительным, пока ты не вспомнишь, что pH является логарифмическим: это соответствует увеличению концентрации ионов водорода на 26% [2]. Океаны не становятся кислотными в абсолютном смысле, но они становятся заметно менее щелочными, что имеет последствия для каждого организма, строящего раковину, скелет или пластину из карбоната кальция. Для аквалангистов последствия отпечатаны на рифах, где они ныряют. Арагонит, форма карбоната кальция, используемая рифообразующими кораллами, растворяется быстрее, чем успевает восстанавливаться во многих тропических регионах [1]. Хоэг-Гульдберг и др. [3] ещё в 2007 году предупреждали, что при концентрации CO₂ в атмосфере свыше 450–500 ppm — концентраций, которые, по прогнозам, будут достигнуты в течение десятилетий — эрозия рифов будет опережать их рост на большинстве тропических рифовых систем мира. Шестой оценочный доклад МГЭИК подтвердил эти траектории [5], выделив закисление океана наряду с термическим обесцвечиванием как сопутствующий фактор надвигающегося рифового кризиса. Эта статья исследует химию, подвергающихся угрозе кальцификаторов, а также то, что дайверы могут наблюдать и делать.
Химия под поверхностью
CO₂, угольная кислота и снижение pH
Когда атмосферный CO₂ растворяется в морской воде, он реагирует с молекулами воды, образуя угольную кислоту (H₂CO₃). Угольная кислота быстро диссоциирует на бикарбонат (HCO₃⁻) и ионы водорода (H⁺), а затем далее на карбонат (CO₃²⁻) и дополнительные H⁺. Чистый эффект повышенного атмосферного CO₂ двояк: концентрация ионов водорода увеличивается (снижая pH), а концентрация карбонатных ионов уменьшается. Филли и др. [1] картировали этот процесс по всему миру, используя данные океанских исследований из Программы циркуляции мирового океана, и обнаружили, что горизонт насыщения арагонитом — глубина, ниже которой морская вода вызывает коррозию арагонита — заметно поднялся как в Атлантике, так и в Тихом океане с доиндустриальных времён.
Насыщение арагонитом: ключевой показатель для дайверов
Состояние насыщения арагонитом (Ωarag) определяется как отношение ионного произведения [Ca²⁺][CO₃²⁻] в морской воде к произведению растворимости арагонита. Когда Ωarag > 1, морская вода перенасыщена, и кораллы могут строить скелеты. Когда Ωarag < 1, арагонит растворяется спонтанно. Доиндустриальные тропические поверхностные воды имели значения Ωarag примерно 3,5; текущие значения в среднем составляют около 2,8 в тропических рифовых регионах и снижаются примерно на 0,1–0,2 единицы в десятилетие при текущих траекториях выбросов [2]. Райк и др. [4] смоделировали будущие состояния насыщения арагонитом, используя прогнозы системной модели Земли, и обнаружили, что в сценарии RCP8.5 большинство мест коралловых рифов испытают Ωarag < 2 до середины века — порог, при котором темпы кальцификации у многих видов кораллов резко снижаются.
Кальцификаторы под прицелом
Рифообразующие кораллы
Гермативный (зооксантелльный) кораллы являются архитекторами тропических рифов и одними из наиболее чувствительных к pH морских кальцификаторов. Лабораторные и мезокосмные исследования постоянно показывают, что скорость кальцификации кораллов снижается на 10–40% при снижении pH на 0,1 единицы, в зависимости от вида и термической истории. Хоэг-Гульдберг и др. [3] обобщили множество доказательств, чтобы прийти к выводу, что при концентрации CO₂ в атмосфере выше 500 ppm темпы эрозии рифов превысят их рост на большей части тропиков, фундаментально изменяя рифы из нетто-производителей карбоната кальция в нетто-потерю. Для дайверов это выражается в рифах с уменьшенной топографической сложностью, меньшим количеством нависающих структур и уменьшенным покрытием кораллами — деградация тех самых архитектурных особенностей, которые делают дайвинг на рифах визуально необыкновенным.
Иглокожие, моллюски и птероподы
Закисление океана влияет гораздо больше, чем на кораллы. У морских ежей (критически важных рифовых пастбищ, которые контролируют чрезмерный рост водорослей) наблюдаются деформации скелета и сниженная реакция на выпрямление при значениях pH, прогнозируемых на ближайшие десятилетия. Птероподы — свободноплавающие морские улитки, часто называемые морскими бабочками, которые образуют плотные скопления, потребляемые лососем, сельдью, китами и морскими птицами — демонстрируют растворение раковин при значениях pH, уже наблюдаемых сезонно в частях Южного океана и зонах апвеллинга у тихоокеанского побережья США [2]. Орр и др. [2] спрогнозировали, что поверхностные воды Южного океана могут стать ненасыщенными арагонитом к 2050 году при сценарии обычного развития, что напрямую угрожает популяциям птероподов, которые лежат в основе полярных и субполярных пищевых сетей. Для дайверов в умеренных и холодных водах это предсказывает реструктуризацию пищевых цепей: уменьшение числа промежуточных видов, привлекающих пелагическую мегафауну.
Холодноводные и глубоководные кораллы
Холодноводные кораллы образуют впечатляющие трёхмерные рифовые структуры на глубинах от 200 до 2000 м, обеспечивая важную среду обитания для непропорционально разнообразного количества глубоководных видов. Поскольку холодная вода удерживает больше CO₂, среда обитания холодноводных кораллов закисляется быстрее, чем их тропических собратьев. Орр и др. [2] показали, что воды, вызывающие коррозию арагонита, уже присутствуют на глубинах многих рифов Lophelia pertusa в Северной Атлантике, и что к середине века эти ненасыщенные воды поднимутся в зоны глубин, где в настоящее время процветают холодноводные коралловые структуры. Свитман и др. [6] подсчитали, что до 70% глубоководных холодноводных коралловых сред обитания по всему миру могут оказаться в коррозионных условиях к 2100 году при сценариях с высокими выбросами.
Если атмосферный CO₂ стабилизируется на уровне 500 ppm, коралловые рифы окажутся в пограничном положении; при 600 ppm условия станут смертельными для большинства рифообразующих кораллов.— Хоэг-Гульдберг и др., Science, 2007 [3]
МГЭИК AR6: Прогнозы, которые дайверы не могут игнорировать
Первая рабочая группа Шестого оценочного доклада МГЭИК (2021 г.) обобщила прогнозы 18 моделей системы Земли CMIP6 [5]. Согласно промежуточному сценарию SSP2-4.5, pH поверхностного слоя океана, по прогнозам, снизится примерно на 0,2 единицы к 2100 году, достигнув значений, в последний раз наблюдаемых в плиоцене, около 3 миллионов лет назад. По высокоэмиссионному сценарию SSP5-8.5 прогнозируется снижение pH на 0,3–0,4 единицы — океанские условия, не имеющие аналогов в истории эволюции современных рифообразующих кораллов. Квятковски и др. [7] продемонстрировали с использованием моделей CMIP6, что тропический поверхностный pH снизится ниже 7,95 по сценарию SSP5-8.5, уровня, при котором большинство тропических рифовых систем прекращают чистую кальцификацию. Важно отметить, что эти прогнозы не учитывают синергетическое взаимодействие с потеплением океана: термическое обесцвечивание и закисление действуют одновременно на одни и те же организмы, и их совместный эффект более разрушителен, чем любой из стрессоров по отдельности [3].
Биологические победители и проигравшие в условиях закисления
- Проигравшие — строители арагонита: кораллы Acropora, Porites, Orbicella; птероподы; морские ежи; личинки двустворчатых; молодь рыб с нарушением отолитов (ушных камней).
- Проигравшие — строители кальцита (умеренно пострадавшие): кораллиновые водоросли, инкрустирующие мшанки — всё ещё страдают, но более устойчивы, чем строители арагонита.
- Очевидные победители — не-кальцификаторы: некоторые мясистые макроводоросли и цианобактерии могут расширяться по мере сокращения кораллового покрова, ускоряя фазовые переходы к рифам, доминирующим водорослями.
- В зависимости от контекста: у некоторых видов рыб наблюдаются нарушения поведения (снижение избегания хищников, изменения обоняния) при повышенных концентрациях CO₂, прогнозируемых на конец века.
Что наблюдают дайверы: замедленный коллапс рифов
Закисление океана не вызывает драматического ночного зрелища массового обесцвечивания. Его признак более тонкий и кумулятивный: уменьшение структурной сложности, поскольку карбонатный каркас растворяется быстрее, чем восстанавливается; поля обломков там, где когда-то стояли массивные коралловые бомми; пробелы в пополнении, где личинки кораллов не могут закрепиться или страдают от растворения после заселения, прежде чем вырасти достаточно, чтобы внести вклад в каркас. Дайверы с десятилетним опытом погружений на одних и тех же рифах часто сообщают об этих изменениях на уровне ощущений — постепенное понижение гребня рифа, исчезновение нависающих структур, которые когда-то служили убежищем для акул и групперов, вторжение ковровых водорослей на участки голого субстрата. Хьюз и др. [8] задокументировали пантропическое снижение кораллового покрова примерно на 50% за последние 50 лет, при этом закисление и термическое обесцвечивание выступали в качестве сообщников.
Мониторинг закисления: инструменты для дайвинг-сообщества
Глобальная сеть наблюдений за закислением океана (GOA-ON) поддерживает глобальную сеть датчиков pH и pCO₂. Программа NOAA по закислению океана ежегодно публикует общедоступные данные. Несколько гражданских научных программ, включая CoralWatch и Reef Life Survey, позволяют дайверам предоставлять данные об обесцвечивании и коралловом покрове, которые дополняют удалённый мониторинг. Хотя дайверы не могут напрямую измерять pH во время погружения, протоколы мониторинга Инициативы «Коралловый треугольник» и Национальная программа мониторинга коралловых рифов NOAA включают измерения карбонатной химии на контрольных станциях в ключевых местах для дайвинга.
Источники
- [1] Feely, R.A., Sabine, C.L., Lee, K. et al. (2004). Влияние антропогенного CO₂ на систему CaCO₃ в океанах. Science. doi:10.1126/science.1097329
- [2] Orr, J.C., Fabry, V.J., Aumont, O. et al. (2005). Антропогенное закисление океана в двадцать первом веке и его влияние на кальцифицирующие организмы. Nature. doi:10.1038/nature04095
- [3] Hoegh-Guldberg, O., Mumby, P.J., Hooten, A.J. et al. (2007). Коралловые рифы в условиях быстрого изменения климата и закисления океана. Science. doi:10.1126/science.1152509
- [4] Ricke, K.L., Orr, J.C., Schneider, K., Caldeira, K. (2013). Риски для коралловых рифов от изменений химии карбонатов океана в последних проекциях моделей Земной системы. Environmental Research Letters. doi:10.1088/1748-9326/8/3/034003
- [5] IPCC (2021). Изменение климата 2021: Физическая научная основа. Вклад Рабочей группы I в Шестой оценочный доклад МГЭИК. Cambridge University Press.
- [6] Sweetman, A.K., Thurber, A.R., Smith, C.R. et al. (2017). Значительное влияние изменения климата на глубоководные бентические экосистемы. Elementa: Science of the Anthropocene. doi:10.1525/elementa.203
- [7] Kwiatkowski, L., Torres, O., Bopp, L. et al. (2020). Потепление, закисление, деоксигенация океана и снижение питательных веществ и первичной продукции верхнего слоя океана в двадцать первом веке по прогнозам моделей CMIP6. Biogeosciences. doi:10.5194/bg-17-3439-2020
- [8] Hughes, T.P., Kerry, J.T., Álvarez-Noriega, M. et al. (2017). Глобальное потепление и повторяющееся массовое обесцвечивание кораллов. Nature. doi:10.1038/nature21707