Подкисление океана в Северном Ледовитом океане - Ocean acidification in the Arctic Ocean

Арктический дрейфующий лед, в котором обитает популярный арктический организм - белый медведь.

В Арктический океан занимает площадь в 14 056 000 квадратных километров и поддерживает разнообразную и важную социально-экономическую пищевую сеть организмов, несмотря на то, что средняя температура воды в нем составляет 32 градуса по Фаренгейту.[1] За последние три десятилетия Северный Ледовитый океан претерпел резкие изменения из-за изменения климата.[1] Одно из изменений касается уровня кислотности океана, который постоянно увеличивается в два раза быстрее, чем Тихий океан и Атлантический океан.[2] Подкисление Северного Ледовитого океана является результатом обратной связи с механизмами климатической системы и оказывает негативное воздействие на экосистемы Северного Ледовитого океана и живущие в них организмы.

Процесс

Закисление океана вызвано уравновешиванием атмосферы и океана - процессом, который происходит во всем мире. Углекислый газ в атмосфере уравновешивается и растворяется в океане. Во время этой реакции диоксид углерода реагирует с водой с образованием угольная кислота. Затем угольная кислота диссоциирует на ионы бикарбоната и ионы водорода.[3] Эта реакция приводит к снижению pH воды, эффективно подкисляя ее.[3] Подкисление океана происходит во всех океанах мира. С начала Индустриальная революция Мировой океан поглотил около 525 миллиардов тонн углекислого газа.[1] За это время pH мирового океана в совокупности снизился с 8,2 до 8,1, а климатическое моделирование предсказывает дальнейшее снижение pH на 0,3 единицы к 2100 году.[1] Однако Северный Ледовитый океан пострадал больше из-за температуры холодной воды и повышенной растворимости газов по мере снижения температуры воды. Холодная арктическая вода способна поглощать большее количество углекислого газа по сравнению с более теплыми водами Тихого и Атлантического океанов.[4]

Химические изменения, вызванные закислением Северного Ледовитого океана, имеют негативные экологические и социально-экономические последствия. С изменениями химического состава окружающей среды арктические организмы сталкиваются с новыми факторами стресса. Эти факторы стресса могут оказывать разрушительное воздействие на эти организмы, причем одни из них страдают сильнее, чем другие. В частности, это изменение состава воды оказывает наибольшее влияние на кальцифицирующие организмы, поскольку для выживания они зависят от наличия карбонатов. Концентрация растворенного карбоната снижается с увеличением углекислого газа и понижением pH в воде.[5]

Экологические пищевые сети также изменяются подкислением. Подкисление снижает способность многих рыб к росту, что влияет не только на пищевые сети, но и на людей, которые полагаются на эти промыслы.[1] Экономические эффекты возникают в результате смещения пищевых сетей, которые сокращают популярные популяции рыб. Эти популяции рыб обеспечивают рабочие места для людей, работающих в рыбная промышленность.[6] Очевидно, что закисление океана не имеет каких-либо положительных преимуществ, и в результате оно было помещено в список приоритетов в Соединенных Штатах и ​​других организациях, таких как Научный комитет по исследованию океана, ЮНЕСКО Межправительственная океанографическая комиссия, Программа углерода и биогеохимии океана, Проект комплексных исследований морской биогеохимии и экосистем и Консорциум за лидерство в океане.[1]

Причины

Годовой минимум арктического морского льда

Уменьшение морского льда

Морской лед в Арктике сильно сократился за последние несколько десятилетий, при этом минимальная площадь морского льда составляет 4,32 миллиона км.2 в 2019 году[7] резкое снижение на 38% по сравнению с 1980 годом, когда минимальная площадь составляла 7,01 млн км2.[8] Морской лед играет важную роль в здоровье Северного Ледовитого океана, и его сокращение пагубно сказалось на химическом составе Северного Ледовитого океана. Все океаны уравновешиваются атмосферой, вытягивая углекислый газ из атмосферы в океан, что снижает pH воды.[9] Морской лед ограничивает газообмен между воздухом и морем с двуокисью углерода[10] защищая воду от полного попадания в атмосферу. Низкие уровни углекислого газа важны для Северного Ледовитого океана из-за интенсивного похолодания, стока пресной воды и фотосинтеза морских организмов.[10] Уменьшение морского льда позволило большему количеству углекислого газа уравновеситься с арктической водой, что привело к увеличению подкисления. Уменьшение морского льда также позволило большему количеству воды Тихого океана проникнуть в Северный Ледовитый океан зимой, что называется зимней водой Тихого океана. Вода Тихого океана богата углекислым газом, и с уменьшением количества морского льда, больше воды Тихого океана смогли попасть в Северный Ледовитый океан, неся с собой углекислый газ. Эта тихоокеанская зимняя вода еще больше подкисила Северный Ледовитый океан, а также увеличила глубину подкисленной воды.[2]

Плавление гидратов метана

Изменение климата вызывает дестабилизацию множества климатических систем в Северном Ледовитом океане. Одна из систем, на которую влияет изменение климата, - это гидраты метана. Гидраты метана расположены вдоль окраин континентов и стабилизируются высоко давление, а также равномерно низкие температуры. Изменение климата начало дестабилизировать эти гидраты метана в Северном Ледовитом океане за счет снижения давления и повышения температуры, что позволяет гидратам метана таять и выделять метан в арктические воды.[11] Когда метан попадает в воду, его можно использовать через анаэробный метаболизм или же аэробный метаболизм микроорганизмами в океанических отложениях или попадут из моря в атмосферу.[11] Наибольшее влияние на закисление океана оказывает аэробное окисление микроорганизмами в толще воды.[11] Углекислый газ образуется в результате реакции метан и кислород в воде. Затем углекислый газ уравновешивается с водой, образуя угольная кислота, который затем уравновешивается, высвобождая ионы водорода и бикарбонат и еще больше способствует закислению океана.

Воздействие на арктические организмы

Организмы в Арктические воды находятся под сильным воздействием окружающей среды, например, с очень холодной водой. Считается, что эта среда с высоким уровнем стресса заставит факторы закисления океана оказывать более сильное воздействие на эти организмы. Это также может вызвать появление этих эффектов в Арктике до того, как они появятся в других частях океана. Чувствительность морских организмов к усилению закисления океана существенно различается. Кальцифицирующие организмы обычно демонстрируют более сильную отрицательную реакцию на закисление океана, чем некальцифицирующие организмы, по множеству переменных отклика, за исключением ракообразные, которые кальцифицируются, но не подвергаются отрицательному воздействию.[12] Это связано, в основном, с процессом морская биогенная кальцификация, которые используют кальцифицирующие организмы.

Кальцифицирующие организмы

Карбонат-ионы (CO₃²⁻) необходимы для морских кальцифицирующих организмов, таких как планктон и моллюски, поскольку они необходимы для производства своих карбонат кальция (CaCO₃) раковины и скелеты.[13] По мере закисления океана повышенное поглощение CO2 морской водой увеличивает концентрацию ионы водорода, что снижает pH воды.[14] Это изменение химического равновесия неорганической углеродной системы снижает концентрацию этих карбонат-ионов. Это снижает способность этих организмов создавать свои раковины и скелеты.

Раковина птерапода растворяется в морской воде с учетом химического состава океана, прогнозируемого на 2100 год

Два полиморфа карбоната кальция, продуцируемые морскими организмами: арагонит и кальцит. Это материалы, из которых состоит большая часть раковин и скелетов этих кальцифицирующих организмов. Арагонит, например, составляет почти все раковины моллюсков, а также экзоскелет кораллов.[13] Образование этих материалов зависит от состояния насыщения CaCO3 в океанской воде. Воды, насыщенные CaCO₃, благоприятны для осаждения и образования раковин и каркасов из CaCO, но воды, которые недонасыщены, вызывают коррозию раковин из CaCO₃. При отсутствии защитных механизмов произойдет растворение карбоната кальция. Поскольку более холодная арктическая вода поглощает больше CO₂, концентрация CO₃²⁻ снижается, поэтому насыщение карбонатом кальция ниже в океанах высоких широт, чем в океанах с тропическим или умеренным климатом.[10]

Недонасыщение CaCO3 вызывает растворение оболочек кальцифицирующих организмов, что может иметь разрушительные последствия для экосистемы.[15] По мере растворения раковин организмы изо всех сил пытаются поддерживать надлежащее здоровье, что может привести к массовой гибели людей. Утрата многих из этих видов может привести к серьезным последствиям для морской пищевой сети в Северном Ледовитом океане, поскольку многие из этих морских кальцифицирующих организмов являются ключевыми видами. Лабораторные эксперименты с различной морской биотой в среде с повышенным содержанием CO₂ показывают, что изменения насыщенности арагонита вызывают существенные изменения в общей скорости кальцификации многих видов морских организмов, включая кокколитофора, фораминиферы, крылоногие моллюски, моллюски, и моллюски.[10]

Хотя было доказано, что недосыщение арктической воды влияет на способность организмов осаждать свои раковины, недавние исследования показали, что скорость кальцификации кальцификаторов, таких как кораллы, кокколитофориды, фораминиферы и двустворчатые моллюски уменьшаются с увеличением pCO₂, даже в морской воде, перенасыщенной по отношению к CaCO₃. Кроме того, было обнаружено, что повышенное pCO₂ оказывает комплексное воздействие на физиологию, рост и репродуктивную способность различных морских кальцификаторов.[16]

Жизненный цикл

При вскрытии морского ежа обнаруживаются яйца внутри. Эти яйца удерживают эмбриональную стадию этого организма.

Толерантность к CO₂, по-видимому, различается между различными морскими организмами, а также толерантность к CO₂ на разных стадиях жизненного цикла (например, личинка и взрослый). Первой стадией жизненного цикла морских кальцификаторов, подвергающихся серьезному риску из-за высокого содержания CO2, является стадия планктонных личинок. Личиночное развитие нескольких морских видов, в первую очередь морские ежи и двустворчатые моллюски, сильно зависят от уровня pCO₂ морской воды.[16] В лабораторных испытаниях многочисленные эмбрионы морского ежа выращивались при различных концентрациях CO₂ до тех пор, пока они не достигли личиночной стадии. Было обнаружено, что когда они достигли этой стадии, размеры личинок и рук были значительно меньше, а также отмечалась аномальная морфология скелета с увеличением pCO₂.[16]Подобные результаты были обнаружены у личинок мидий, обработанных CO 2, которые показали уменьшение размера личинок примерно на 20% и морфологические аномалии, такие как выпуклые шарниры, более слабые и тонкие раковины и выступание мантии.[17] Размер тела личинки также влияет на скорость встречи и удаления частиц пищи, и если раковины личинок меньше или деформированы, эти личинки более склонны к голоданию. Структуры CaCO₃ также выполняют жизненно важные функции для кальцинированных личинок, такие как защита от хищников. как роли в кормлении, контроле плавучести и регулировании pH.[16]

Другой пример вида, который может серьезно пострадать от закисления океана, - это птероподы, которые представляют собой панцирные пелагические моллюски, играющие важную роль в трофической сети различных экосистем. Поскольку они имеют арагонитовый панцирь, они могут быть очень чувствительны к закислению океана, вызванному увеличением антропогенных выбросов CO₂. Лабораторные испытания показали, что кальцификация демонстрирует снижение значения pH Северного Ледовитого океана на 28%, ожидаемого в 2100 году, по сравнению с нынешним значением pH. Это 28% -ное снижение кальцификации в условиях более низкого pH находится в пределах диапазона, сообщаемого для других кальцифицирующих организмов, таких как кораллы.[5] В отличие от морских ежей и личинок двустворчатых моллюсков, кораллы и морские креветки более серьезно пострадали от закисления океана после поселения, когда они переросли в стадию полипа. Лабораторные тесты показали, что морфология эндоскелета кораллов, обработанного CO 2, была нарушена и деформирована по сравнению с радиальным рисунком контрольных полипов.[16]

Эту изменчивость воздействия закисления океана на разные стадии жизненного цикла различных организмов можно частично объяснить тем фактом, что большинство иглокожих и моллюсков начинают синтез панцирей и скелетов на личиночной стадии, в то время как кораллы начинают на стадии поселения.[16] Следовательно, эти стадии очень чувствительны к потенциальным эффектам закисления океана. Большинство кальцификаторов, таких как кораллы, иглокожие, двустворчатые моллюски и ракообразные, играют важную роль в прибрежных экосистемах в качестве ключевых видов, биотурбаторов и инженеров экосистем.[16] В пищевой сети в Северном Ледовитом океане - несколько усеченный, то есть короткий и простой. Любое воздействие на ключевые виды пищевой сети может вызвать экспоненциально разрушительные последствия для остальной части пищевой цепи в целом, поскольку у них больше не будет надежного источника пищи. Если у этих более крупных организмов больше не будет источника питательных веществ, они тоже в конечном итоге вымрут, и это затронет всю экосистему Северного Ледовитого океана. Это окажет огромное влияние на людей, живущих в Арктике, которые ловят арктическую рыбу, а также на экономические последствия, которые последуют за такой серьезной нехваткой продуктов питания и доходов для этих семей.

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж Роббинс, Лиза Л .; Yates, Kimberly K .; Фили, Ричард; Фабри, Виктория (2010). «Мониторинг и оценка закисления океана в Северном Ледовитом океане - обзорный документ». Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  2. ^ а б Ци, Ди; Чен, Лики; Чен, Баошань; Гао, Чжунъён; Чжун, Венли; Фили, Ричард А .; Андерсон, Лейф G .; Солнце, Хэн; Чен, Цзяньфан; Чен, Мин; Чжань, Лиян; Чжан, Юаньхуэй; Цай, Вэй-Цзюнь (27 февраля 2017 г.). «Увеличение закисления воды в западной части Северного Ледовитого океана». Природа Изменение климата. 7 (3): 195–199. Дои:10.1038 / nclimate3228. ISSN  1758-678X.
  3. ^ а б Дони, Скотт С .; Fabry, Victoria J .; Фили, Ричард А .; Клейпас, Джоан А. (январь 2009 г.). «Подкисление океана: другая проблема CO2». Ежегодный обзор морской науки. 1 (1): 169–192. Bibcode:2009 ОРУЖИЕ .... 1..169Д. Дои:10.1146 / annurev.marine.010908.163834. ISSN  1941-1405. PMID  21141034.
  4. ^ MacGilchrist, G.A .; Naveira Garabato, A.C .; Tsubouchi, T .; Bacon, S .; Torres-Valdés, S .; Азецу-Скотт, К. (01.04.2014). «Поглотитель углерода Северного Ледовитого океана». Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 86: 39–55. Дои:10.1016 / j.dsr.2014.01.002. ISSN  0967-0637.
  5. ^ а б Comeau, S .; Горский, Г .; Jeffree, R .; Teyssié, J.-L .; Гаттузо, Ж.-П. (4 сентября 2009 г.). «Воздействие закисления океана на ключевого пелагического моллюска Арктики (Limacina Helicina)». Биогеонауки. 6 (9): 1877–1882. Дои:10.5194 / bg-6-1877-2009. ISSN  1726-4170.
  6. ^ Mathis, J. T .; Cooley, S. R .; Lucey, N .; Colt, S .; Ekstrom, J .; Hurst, T .; Hauri, C .; Evans, W .; Cross, J. N .; Фили, Р. А. (01.08.2015). «Оценка риска закисления океана для рыбного хозяйства Аляски». Прогресс в океанографии. Синтез арктических исследований (СОАР). 136: 71–91. Дои:10.1016 / j.pocean.2014.07.001. ISSN  0079-6611.
  7. ^ "SOTC: Sea Ice | Национальный центр данных по снегу и льду". nsidc.org. Получено 2020-03-19.
  8. ^ "SVS: Годовой минимум морского льда в Арктике 1979-2015 гг. С графиком площади". svs.gsfc.nasa.gov. Получено 2020-03-19.
  9. ^ Ямамото, А .; Кавамия, М .; Ishida, A .; Yamanaka, Y .; Ватанабэ, С. (29.06.2012). «Влияние быстрого сокращения морского льда в Северном Ледовитом океане на скорость закисления океана». Биогеонауки. 9 (6): 2365–2375. Дои:10.5194 / bg-9-2365-2012. ISSN  1726-4189.
  10. ^ а б c d Ямамото-Кавай, Мичие; Маклафлин, Фиона А .; Кармак, Эдди С.; Нишино, Сигето; Симада, Кодзи (20 ноября 2009 г.). «Ненасыщенность арагонитом в Северном Ледовитом океане: эффекты подкисления океана и таяния морского льда». Наука. 326 (5956): 1098–1100. Дои:10.1126 / science.1174190. ISSN  0036-8075. PMID  19965425. S2CID  5624841.
  11. ^ а б c Biastoch, A .; Treude, T .; Rüpke, L.H .; Riebesell, U .; Roth, C .; Burwicz, E. B .; Park, W .; Латиф, М .; Böning, C.W .; Madec, G .; Валлманн, К. (2011). «Повышение температуры Северного Ледовитого океана вызывает дестабилизацию газовых гидратов и закисление океана». Письма о геофизических исследованиях. 38 (8): н / д. Дои:10.1029 / 2011GL047222. ISSN  1944-8007.
  12. ^ Kroeker, Kristy J .; Кордас, Ребекка Л .; Крим, Райан Н .; Сингх, Джеральд Г. (16 августа 2010 г.). «Мета-анализ показывает отрицательное, но неоднозначное воздействие закисления океана на морские организмы». Письма об экологии. 13 (11): 1419–1434. Дои:10.1111 / j.1461-0248.2010.01518.x. ISSN  1461-023X. PMID  20958904.
  13. ^ а б Орр, Джеймс С.; Fabry, Victoria J .; Омон, Оливье; Бопп, Лоран; Дони, Скотт С .; Фили, Ричард А .; Гнанадесикан, Ананд; Грубер, Николас; Исида, Акио; Джус, Фортунат; Ки, Роберт М. (сентябрь 2005 г.). «Антропогенное закисление океана в XXI веке и его влияние на кальцифицирующие организмы». Природа. 437 (7059): 681–686. Bibcode:2005Натура.437..681O. Дои:10.1038 / природа04095. ISSN  1476-4687. PMID  16193043. S2CID  4306199.
  14. ^ Боггс-младший, Сэм. Принципы седиментологии и стратиграфии (5-е изд.). Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Pearson Education, Inc., стр. 145–150.
  15. ^ Агентство по охране окружающей среды США, OW (2016-09-08). «Влияние подкисления океана и прибрежных вод на морскую жизнь». Агентство по охране окружающей среды США. Получено 2020-04-15.
  16. ^ а б c d е ж грамм Курихара, Харуко (23 декабря 2008 г.). «Влияние закисления океана под действием СО2 на ранние стадии развития беспозвоночных». Серия "Прогресс морской экологии". 373: 275–284. Дои:10.3354 / meps07802. ISSN  0171-8630.
  17. ^ Гейлорд, Брайан; Хилл, Тесса М.; Сэнфорд, Эрик; Ленц, Элизабет А .; Джейкобс, Лиза А .; Сато, Кирк Н .; Рассел, Энн Д .; Hettinger, Annaliese (1 августа 2011 г.). «Функциональные воздействия закисления океана на экологически важные виды оснований». Журнал экспериментальной биологии. 214 (15): 2586–2594. Дои:10.1242 / jeb.055939. ISSN  0022-0949. PMID  21753053.