海洋酸化

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1700年代到1990年代間人類創造的二氧化碳對世界各地海水pH的影響的推測圖,根據全球大洋數據分析項目和世界大洋地圖製作

海洋酸化英語:Ocean acidification)指的是地球海洋攝入大氣中的二氧化碳後,pH值逐漸降低的趨勢[1] 人類向大氣排放的二氧化碳中有約30%到40%會溶解於海洋、河流和湖泊等水體中[2][3] 溶解的二氧化碳中的一部分會和水生成碳酸,電離出氫離子,導致海水的鹼性減弱,「酸度」升高。據研究者推測,從1751到1994年,海洋表層海水的pH值從8.25降低到了8.14[4],意味着氫離子濃度幾乎增加了30%[5][6]海洋酸化和其他生物地理化學變化的綜合有可能破壞海洋生態系統的功能,對很多海洋物種產生影響[7]

海洋酸化被認為具有一系列不良後果,比如抑制了洪堡烏賊的新陳代謝速度[8]藍貽貝的免疫響應[9]以及加速珊瑚漂白過程。海洋酸度的增加還帶來了其他的化學反應,它造成了碳酸根離子的增加,這會減慢珊瑚蟲和浮游生物等海洋生物的成鈣過程,已經形成的鈣質也更易溶解。此外,正在進行的海洋酸化過程對海洋食物鏈也是一個威脅[10][11]作為國際科學院委員會的成員,有105個國家的科學院已經撰寫了一份報告,建議在2050年以前,將二氧化碳的全球排放量降低到1990年排量的至少一半以下[12]

地球歷史上曾經發生過海洋酸化,最典型的例子是發生於約五千六百萬年前的古新世–始新世氣候最暖期,由於某些未知的原因,大量的二氧化碳進入大氣和海洋,導致大量生物死亡,所有海盆的碳酸鈣沉積物發生溶解[13]

碳循環[編輯]

海洋和大氣之間的碳循環

碳循環指的是二氧化碳(CO2)在海洋、生物圈、岩石圈和大氣圈之間的流動[14]。人類的各種活動,包括燃燒化石燃料人類用地的改變都會產生新的二氧化碳。大約45%的二氧化碳會留在大氣圈中,剩餘的大部分進入海洋[15],還有一些被生物圈的植物吸收,進行光合作用[16]

碳循環包括有機物和一些無機物例如二氧化碳和碳酸鹽,當二氧化碳溶于海水時,會形成多種離子和分子形式的平衡,其中的分子包括溶解的自由二氧化碳(CO(aq) 2), 碳酸 (H2CO3),離子包括碳酸氫根(HCO−3) 和碳酸根(CO2−3)[17]

二氧化碳在海水中的溶解增加了海水的氫離子濃度,於是降低了海水的pH值。

CO2 (aq) + H2O H2CO3 HCO3 + H+ CO32− + 2 H+.

過去的三億年間,海水酸度的變化幅度和速率。自從工業革命起,表層海水的pH值大概下降了0.1,預測到2100年將再下降0.3到0.5個單位,珊瑚海南海下降的可能會更多。但海水的pH仍然大於7,意味着海水仍然是弱鹼性的,所以準確的說法是:海水的鹼性在變弱。NOAA的科學家們撰寫的報告中提到,他們發現霰石中的不飽和水已經和北美大陸架相近了[18]。大陸架對于海洋生物系統有重要作用,因為大多數海洋生物都在大陸架生存或產卵。這一研究僅僅考慮了從溫哥華到北加利福尼亞地區的情況,但作者推測其他大陸架在經歷着類似的情況。

酸化速率[編輯]

最初一批檢驗溫帶海岸附近海水的pH的數據庫之一發現海洋酸化的速率比研究者事先預想的快得多,並發現已經對近岸海洋底層生態系統產生了影響[19][20]。曾任世界銀行生物多樣性顧問的托馬斯·拉夫卓伊揣測,在將來的四十年中,海水中的氫離子濃度將增長為現在的兩倍多,平均增長速率是過去兩千萬年內的平均增長速率的一百倍,海洋生物無論如何也不可能適應這種改變。[21]按照預測,到2100年,海洋酸度將達到兩千萬年前海洋的酸化速度[22][23]

當下的海洋酸化速度已經與古新世–始新世氣候最暖期時的酸化速度相似,當時表面海水的溫度上升了五到六華氏度。當時海洋表面的生態系統未受到重大影響,而深海底部的生態系統瀕於毀滅。[24]現在的海洋酸化速度大約是古新世–始新世氣候最暖期時的速度的十倍,有些研究者稱之為「史無前例」的地質事件。[25] 2010年4月一個國家研究委員會得出結論:「海洋的酸度正以史無前例的速度增加」[26][27]2012年《科學》雜誌上的一篇文章考察了歷史記錄,以期找出歷史和未來中與現在的酸化速度相似的時間,結論是當前的酸化速度超過了過去三億年內的任何時間。[28][29]

1995-2010年這十五年間,從夏威夷島阿拉斯加的太平洋區域的表層100米深的海水的酸度增加了6%。[30]2012年7月根據美國海洋和大氣管理局局長簡·魯布琴科的說法,「表層海水正按遠快於預想的速度酸化着,這是另一個讓我們要慎重考慮空氣中的二氧化碳含量和我們要排放的二氧化碳量的原因。[31]

鈣化過程[編輯]

海水酸度對海洋中二氧化碳,碳酸氫根和碳酸根濃度的影響

海洋中化學組成的改變會對海洋生物的行為產生直接和間接的影響。海洋酸度提高的一個重要效果是影響了由碳酸鈣組成的貝殼骨架板的產量[32]。這一形成貝殼的過程被稱為鈣化,對生物學和海洋生物的存在是十分重要的。成鈣化反應包括溶解的鈣離子沉積成固體碳酸鈣的結構,比如球石。形成之後,如果球石周邊的海水中的碳酸根無法保持飽和濃度,球石就會重新溶于海水。這一動態平衡用下列式子表達:

其中的用是平衡常數。

當碳酸鈣周圍的海水中的鈣離子和碳酸根離子處於平衡狀態時,離子生成碳酸鈣和碳酸鈣溶解速率相等,可視作不生成新的沉澱,碳酸鈣也不會發生溶解。海洋中天然存在梯度水平線,在其之上,大於1,新的碳酸鈣形成,大多數正在鈣化的海洋生物就位於這一層的海水中。在這一層以下,小於1,碳酸鈣會發生溶解,但如果產生碳酸鈣的速率大於溶解的速率,碳酸鈣仍會存在,但在碳酸鹽補償深度一下,碳酸鈣將無法存在。如同比埃茹姆圖所示,隨着pH變小,碳酸根離子濃度減少,變小,使碳酸鈣的溶解速率變大。

常見的碳酸鈣有兩種同質異象形式:霰石方解石。霰石遠比方解石要易溶,這導致了霰石的飽和梯度線遠比方解石的要接近海平面,也意味着產生霰石的海洋生物會比產生方解石的海洋生物遠受影響[32]。提高二氧化碳的含量,更低的pH值會降低碳酸鈣的飽和狀態,讓梯度線更接近海平面[33]

影響[編輯]

海水二氧化碳含量測試器,其獲得的即時數據用於分析海洋酸化的趨勢

雖然二氧化碳的自然吸收過程抵消了一些人類釋放的二氧化碳對氣候變化的影響,但海洋酸度的提高據信仍對帶來了海洋中的成鈣有機物的成鈣過程有着不良影響。這一不良影響覆蓋自養和異養生物,研究已經發現珊瑚蟲球板金藻,貝類等海洋動物暴露在更高濃度的二氧化碳中時會經歷較慢的成鈣化和較快的溶解過程。[34][35] 如前所述,表層海水中的霰石和方解石是穩定的,因為其碳酸根離子濃度處於過飽和狀態。當海洋酸度升高時,碳酸根離子的飽和濃度也隨之提高,海水從過飽和狀態變為不飽和狀態,碳酸鈣結構趨於溶解,所以即使鈣化速率不變化,鈣質的溶解速率仍然在變快。 [36]

2005年6月,英國皇家學會發表了一份對于海洋酸化及其可能後果的綜述性研究。某些研究發現了對海洋酸化的不同響應,比如增加二氧化碳的分壓後,球板金藻的成鈣化和光合成速率都提高了。[32]2008年的研究檢驗了從北大西洋發現的沉積核 ,發現從工業革命時期的1780年到2004年,球板金藻的化學組成沒有變化,球石的成鈣化提高了40%。[37]石溪大學於2010年的一項研究得到了一個令人沮喪的結論:當某些海域的有機質被採集過度,而其他海域正接受保護時,海洋酸化的影響會使得之前造成的動物的下降無法得到恢復。[38] 但海洋酸化對於整個生態系統造成的後果仍然不易確定。

當暴露於pH低上0.2到0.4個單位的海水中時,僅有不到0.1%的溫帶蛇尾幼蟲可以倖存[30]還有一種可能性是基於CLAW假設的,球板金藻的減少可能會導致地球反照率的降低,從而加重全球暖化[39]

珊瑚體內區室中的流體對它外骨骼的成長有着至關重要的影響。當外界海水中的方解石飽和濃度正常時,珊瑚外骨骼的生長速率較快。如果外界海水中的方解石濃度下降,珊瑚就難以保持內部流體中的方解石含量,外骨骼的形成速率也隨之減慢。當外界海水中的方解石濃度過低時,珊瑚就無法將其泵入內區室,外骨骼生長就停止了,溶解速率也就比形成鈣質的速率要高了。[40]海洋酸化也許會迫使某些有機質為了維持其成鈣過程而進行遷徙,尋找碳酸根濃度更高的地域[41]

除去減緩和反轉成鈣作用,有機質可能會遭受其他惡果,有可能是對繁殖上的直接影響也可能是通過食物源造成了間接影響。海洋酸化也會讓某些有機質重新遷移,以便尋找更合適鈣化作用地點。也有人指出海洋酸化會改變海水的聲學性質,導致聲音傳遞的更遠,干擾動物用於尋蹤和交流的聲音[42]。針對大西洋長鰭烏賊的研究表明,其卵在酸度較高的海水中孵化的較慢。此外其身體中的平衡器也較小或是畸形。[43]

應對措施[編輯]

減少二氧化碳的排放[編輯]

國際科學院委員會已經建議到2050年,全球人為的二氧化碳排放量應該減少到1990年的一半。[12]2009年的報告也呼籲全球的領導人[12][44]

  • 承認海洋酸化是空氣中二氧化碳濃度增加的直接和真實的後果,當前的二氧化碳已經對海洋生態系統產生不良後果,當達到450ppm時會產生嚴重危害
  • 認識到減少人為排放二氧化碳是抵消海洋酸化的唯一可行之策。
  • 採取行動減少加劇海洋酸化對海洋生態系統危害的行為,比如過度捕撈和海洋污染,以提高海洋生態系統對海洋酸化的抵抗能力。

德國氣候控制顧問委員會[45]指出

為了避免破壞海洋有機物的成鈣反應和可能造成的對基本食物網的影響,以下原則應該被遵守,相對於史前時代的pH值,接近表面的海水的pH下降不應該超過0.2個單位。

控制海洋酸化和控制氣候暖化密切相關,聯合國氣候變化框架公約中提出,與工業革命前的大氣相比,今日大氣的平均溫度的升高值要控制在兩攝氏度之內。這一控制可以使得海洋表層海水的pH比工業革命前下降0.16個單位,可以有效地抑制海洋酸化的趨勢[46]

氣候工程[編輯]

國際科學院委員會2009年會議[12]提出將氣候工程作為海洋酸化和一個應對措施

某些抵消的途徑,比如在海水中加入化學物質以抵消海洋酸化的影響,其成本昂貴,只能部分有效,且作用地域較小,也許會對海洋環境帶來不可預知的危險。目前僅有極少量關於該方法可能性和影響的研究,在該方法實行之前還需做大量的研究

鐵肥[編輯]

對海洋使用鐵肥可以提高浮游植物的光合作用,浮游植物可以將溶解在海水中的游離二氧化碳轉化為糖和氧氣,其中的某些可以沉入更深層的海水,一些實驗確認施用鐵肥可以提高浮游植物的光合作用甚至到30倍。[47] 雖然這已經被提出作為解決表面海水酸化問題的一種途徑,但所轉化成的糖部分可以沉入更深層海水,會引起未被酸化的海水的酸化[48]英國皇家學會2009年的報告指出[49]施用鐵肥的可應用性為中等,但有效性、見效快滿和安全性都是低或非常低,可能會導致海洋中死區英語Dead zone (ecology)的出現[50]

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