Как океан сглаживает последствия глобального потепления

Океан — огромный природный буфер, смягчающий воздействие выбросов углерода на атмосферу. Благодаря механизмам карбонатной системы ему удается поглощать до 60% выделяемого человеком углекислого газа. Плата за это — повышение кислотности воды: только за последние 30 лет среднее значение рН в поверхностных водах снизилось с 8,3 до 8,1, что соответствует повышению кислотности на 30%. Это изменение уже представляет угрозу для морских организмов, а в долгосрочной перспективе уровень кислотности может повыситься слишком сильно, и способность океана поглощать углекислый газ резко снизится.

Карбонатная система представляет собой цепь химических взаимодействий, посредством которых вода в океане поглощает, накапливает и выделяет карбонатные соединения и углекислый газ. Карбонатная система — основной инструмент, с помощью которого океан "нейтрализует" выбросы углерода и сохраняет баланс планеты.

Диоксид углерода (углекислый газ) — один из газов, имеющих фундаментальное значение для биологических и атмосферных процессов. Он попадает в морскую воду из воздуха или в результате жизнедеятельности организмов (дыхание и разложение органических веществ).

Существует прямая зависимость между количеством растворенного углекислого газа и кислотностью воды

Для начала поясним в нескольких словах, что означает кислотность воды. В природе вода обладает удивительной способностью растворять почти все вещества. Но что значит "растворить"? Известно, что молекула воды содержит один атом кислорода и два атома водорода, соединенных друг с другом по принципу объединения общих электронов, причем два атома водорода стоят по одну сторону от атома кислорода. Поскольку у кислорода восемь электронов, а у водорода только один, большинство электронов в молекуле воды сосредоточено вокруг атома кислорода. Поэтому молекула воды асимметрична — область вокруг атома кислорода заряжена отрицательно, а вокруг атомов водорода положительно. При попадании в воду молекулы другого вещества частицы воды "разбивают" их на ионы, а сами разделяются на ионы водорода (Н+) и гидроксила (ОН-). Положительно заряженные ионы водорода притягивают к себе отрицательные ионы поступившего вещества, а отрицательные гидроксильные ионы притягивают его положительно заряженные частицы. Вот что такое растворение. Из-за постоянного присутствия в воде растворенных веществ определенное количество молекул всегда делится на ионы. Кислотность (или реакция) указывает на соотношение ионов водорода (H+) и гидроксила (OH-) в воде. В воде с нейтральной кислотностью концентрация ионов водорода такая же, как и ионов гидроксила, и составляет около 10-7 моль/л. Чем больше ионов водорода, тем кислее вода.

Для измерения кислотности введен числовой показатель — рН, который представляет собой концентрацию ионов ОН в упрощенном виде. При нейтральной кислотности раствора рН равен 7. Он может варьироваться от 0 до 14. При значениях ниже 7 реакция воды кислая (ионов водорода больше, чем ионов гидроксила), а при значениях выше 7 реакция щелочная (тогда соотношение в пользу ионов гидроксила). Шкала логарифмическая: уменьшение рН на 1 единицу означает десятикратное увеличение концентрации ионов водорода и десятикратное уменьшение концентрации ионов гидроксила. Кислотность определяет химические свойства воды, как станет ясно из дальнейшего изложения.

Большая часть углекислого газа содержится в воде в растворенном состоянии, и лишь около 0,5% вступает с ним в химическую реакцию, образуя угольную кислоту (H2CO3). Растворенная угольная кислота делится на катион водорода (H+) и гидрокарбонат-анион (HCO3)-, который может быть преобразован в карбонат-анион (CO32-). Эти реакции обратимы и протекают в воде постоянно в обоих направлениях, в зависимости от того, поступают вещества в систему или выводятся. Увеличение концентрации углекислого газа приводит к образованию большего количества угольной кислоты и, следовательно, к увеличению содержания ионов водорода — вода повышает свою кислотность.

Эти основные химические взаимодействия в карбонатной системе иллюстрируются следующей формулой:

CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3— ↔ 2H+ + CO32-

Холодные воды обладают большей растворимостью, но поглощение океаном углекислого газа из атмосферы зависит не только от температуры воды, но и его концентрации в воздухе.

Второй важный компонент карбонатной системы — поступление растворенных в речной и морской воде компонентов из известняка и других химически растворимых пород, в основном ионов гидрокарбоната (HCO3—) и кальция (Ca2+), меньше — магния (Mg2+). В поверхностных слоях водоемов, особенно в прибрежных районах, происходит насыщение и даже перенасыщение вод такими компонентами. Однако химическое осаждение карбоната кальция (CaCO3) на дне океана происходит крайне редко, поскольку морские организмы извлекают ионы кальция и карбоната и строят из карбоната кальция свои скелеты и панцири. После гибели организмов их карбонатные останки откладываются на дне и после длительного уплотнения и спаивания могут снова стать известняковыми скалами.

Таким образом, благодаря действию карбонатной системы океан поглощает значительное количество атмосферного углекислого газа. В процессах постоянного газообмена между гидросферой и атмосферой углекислый газ, появляющийся в воде в виде растворенного газа или угольной кислоты, может в любой момент вернуться обратно в воздух. В то же время часть углекислого газа в виде химически разложившихся компонентов не может вернуться в атмосферу, по крайней мере пока она остается в океане. Попадая в водоемы (моря, озера и реки), углекислый газ участвует в биологических процессах. Среди них наиболее значимы фотосинтез и дыхание — химически они противоположны.

В конечном итоге в результате жизнедеятельности организмов часть углекислого газа копится на морском дне и в земной коре в виде карбонатных отложений и на какое-то время выходит из активного обмена. Таким образом компенсируется поступление в систему карбонатов, растворенных речными и морскими водами.

Между атмосферой и океаном существует равновесие в обмене углекислым газом и его производными продуктами, образующимися при химических реакциях в водной среде. В силу специфики этого обмена для океана характерна слабощелочная реакция (рН чаще всего между 7,9 и 8,3). Наиболее высокие значения (8,0–8,35) рН достигаются в поверхностном слое океана, что связано с интенсивным усвоением углекислого газа в процессах фотосинтеза. С увеличением глубины значение рН снижается, поскольку концентрация углекислого газа увеличивается. В горизонтальном направлении наиболее щелочные воды в низких широтах, при этом с увеличением широты значение рН снижается.

Постоянно протекающие обратимые реакции химического превращения связанной с водой двуокиси углерода в гидрокарбонаты и карбонаты зависят от кислотности воды — при значениях рН, присущих океанской воде, доля гидрокарбонат-ионов наибольшая, а карбонат-ионов относительно невелика. Когда содержание углекислого газа в воде увеличивается, увеличивается и количество ионов водорода.

Каждая добавленная молекула угольной кислоты (H2CO3) вовлекает, хотя и в обратимые реакции, хотя бы один дополнительный карбонат-ион из воды, образуя гидрокарбонат-ионы. В таких условиях затрудняется образование организмами скелетов и панцирей, так как большинство из них способны усваивать свободные карбонатные ионы, но не гидрокарбонатные. Вот почему кораллы — одни из крупнейших биологических концентраторов карбоната кальция (CaCO3), обитают только в тропических водах. Там высокая температура воды обуславливает меньшую растворимость углекислого газа по сравнению с умеренными и высокими широтами и соответственно меньшее содержание угольной кислоты.

Одна из основных угроз увеличения выбросов углерода — закисление морской воды.

По мере увеличения количества углекислого газа в атмосфере все больше и больше этого газа растворяется в океанской воде. Образуется больше угольной кислоты (H2CO3) и увеличивается концентрация ионов водорода в воде, т.е. повышается его кислотность.

Закисление вод Мирового океана — научно подтвержденное явление: за последние 30 лет среднее значение рН в поверхностных слоях океана уменьшилось с 8,3 до 8,1, что соответствует увеличению кислотности на 30%. Ожидается, что к концу этого столетия он достигнет 7,8.

Повышение кислотности затрудняет для морских организмов извлечение ионов карбоната из воды, потому что эти ионы все больше притягиваются к свободным ионам водорода и соединяются с ними, образуя гидрокарбонаты. Повышенное содержание угольной кислоты приводит также к большей растворимости карбонатных соединений и тканей, уже синтезированных организмами (например, раковин), а это представляет прямую серьезную угрозу жизни многих видов морских обитателей. Кораллы, чьи колонии — среда обитания для тысяч видов растений и животных в низких широтах, особенно уязвимы. Повышение кислотности по той же причине наблюдается не только в морских, но и в подземных, речных и озерных водах.

Океан — гигантский резервуар углерода и его соединений. По подсчетам специалистов Смитсоновского института, с начала промышленной революции океан поглотил около 525 миллиардов тонн атмосферного углекислого газа, а сейчас поглощает около 22 миллионов тонн ежедневно, что эквивалентно выбросам в 11 миллиардов литров дизеля.

Таким образом, океан действует как гигантский буфер, сглаживающий последствия глобального потепления за счет повышения кислотности вод. При уменьшении рН концентрация ионов гидрокарбонатов (HCO3) сначала увеличивается, а затем резко падает за счет концентрации CO2 в угольной кислоте. В результате этого "запирания карбонатов" в угольной кислоте биологическое поглощение этих соединений и их отложение на дне океана будет становиться все более трудным, и, таким образом, способность океана удалять углерод из системы будет все более ограниченной.

Карбонатная система — один из инструментов взаимодействия океана, суши и атмосферы. С ее помощью океан смягчает последствия глобального потепления. Ежедневно его воды поглощают огромное количество углекислого газа и надолго изолируют большую его часть от контакта с атмосферой. Однако такая чрезмерная нагрузка на океан ведет к химическим изменениям самой воды — повышается ее кислотность, что в долгосрочной перспективе может представлять опасность для морских организмов.