Table of Contents

Мировые океаны покрывают более 70 процентов поверхности планеты и служат крупнейшим активным поглотителем углерода на Земле, поглощая примерно четверть углекислого газа (CO2), который выбрасывается в атмосферу. Эта естественная служба смягчает глобальные температуры и буферизирует худшие последствия изменения климата. Тем не менее сам процесс, который делает океаны климатическим союзником, также создает глубокую и растущую угрозу: закисление океана. По мере роста концентрации CO2 химия морской воды сдвигается, ставя под угрозу морскую жизнь от микроскопического планктона до возвышающихся коралловых рифов. В результате потеря морского биоразнообразия ослабляет способность океанов регулировать климат, создавая опасную петлю обратной связи, которая усиливает глобальное потепление, нарушает рыболовство и подрывает продовольственную безопасность миллиардов людей.

Химия окисления океана

Как CO2 изменяет рН морской воды

Когда атмосферный CO2 растворяется в морской воде, он подвергается ряду химических реакций. Во-первых, CO2 реагирует с водой (H2O) с образованием карбоновой кислоты (H2CO3). Эта слабая кислота быстро диссоциирует в ионы водорода (H+) и ионы бикарбоната (HCO3-). Увеличение ионов водорода снижает рН океана - меру кислотности. Со времен промышленной революции поверхностный рН океана снизился примерно на 0,1 единицы, что представляет собой 30-процентное увеличение кислотности. Скорость изменения примерно в 100 раз быстрее, чем любой естественный сдвиг за последние 55 миллионов лет, по данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата.

Состояние карбонативной насыщенности

Критическим последствием повышенной концентрации ионов водорода является уменьшение ионов карбоната (CO32−). Карбонатные ионы являются строительными блоками, которые морские организмы используют для построения карбоната кальция (CaCO3) оболочки и скелеты. По мере падения рН карбонат становится менее доступным, а состояние насыщения минералов карбоната кальция — арагонит и кальцит — снижается. Когда воды становятся недостаточно насыщенными по отношению к арагониту, который является формой карбоната кальция, используемой кораллами и многими моллюсками, эти организмы не могут легко расти или поддерживать свои структуры. Этот процесс уже происходит в полярных и обильных регионах, где холодные воды естественным образом содержат больше CO2 и особенно уязвимы.

Биологические последствия окисления морских организмов

Коралловые рифы на передней линии

Коралловые рифы являются одними из наиболее чувствительных экосистем к подкислению. Кораллы строят массивные карбонатные каркасы кальция на протяжении веков, но в соответствии с текущими траекториями выбросов CO2, модели прогнозируют, что к 2050 году многие тропические рифы будут испытывать состояние насыщения арагонитами настолько низко, что чистая эрозия рифов превысит рост рифа. Например, Большой Барьерный риф уже потерял более половины своего кораллового покрова с 1990-х годов из-за комбинированного давления отбеливания, болезней и подкисления. Исследование 2020 года в Природа показало, что даже если глобальное потепление будет поддерживаться до 1,5 ° C, только подкисление может снизить скорость кальцификации кораллов на 15-25%.

Рыба-оболочка и птероподы: основа пищевой сети

Птероподы — маленькие плавающие морские улитки, часто называемые морскими бабочками — являются ключевой добычей лосося, сельди и даже китов. Их тонкие раковины арагонита остро уязвимы для растворения в подкисленной воде. Лабораторные эксперименты показывают, что когда птероподы подвергаются воздействию уровней CO2, прогнозируемых на конец этого века, их раковины становятся заметно хрупкими в течение нескольких дней. Устрицы, моллюски и мидии сталкиваются с аналогичными проблемами. Тихоокеанская северо-западная устрица уже испытала массовые неудачи инкубации, связанные с подкисленной водой, стоимостью в миллионы долларов и заставляя производителей принимать дорогостоящие системы мониторинга и буферизации. Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) документально подтвердило, что подкисление может снизить выживаемость личиночных устриц на целых 80 процентов.

Поведение рыб и физиология

Подкисление влияет не только на строителей раковин. Рыба может испытывать нарушение сенсорной функции, измененное поведение и снижение темпов роста. Исследования на рыбе-клоуне показали, что повышенный уровень CO2 нарушает функцию рецептора GABAA в мозге, ухудшая способность обнаруживать хищников и находить подходящую среду обитания. Это неврологическое вмешательство может привести к рискованному поведению — плаванию в сторону сигналов хищника вместо того, чтобы от них — и может снизить выживаемость в дикой природе. В то время как рыба может иметь большую физиологическую буферную способность, чем беспозвоночные, кумулятивный стресс потепления, потери кислорода и подкисления, вероятно, вытолкнет многие популяции за пределы их адаптивных пределов.

Морское биоразнообразие: кризис умножился

Коралловые рифы как горячие точки биоразнообразия

Коралловые рифы содержат примерно 25 процентов всех морских видов, несмотря на то, что они покрывают менее 1 процента дна океана. Потеря коралловой структуры из-за подкисления и отбеливания вызывает каскад снижения биоразнообразия. Когда кораллы умирают, сложная трехмерная структура, которая обеспечивает убежище для рыб, ракообразных и моллюсков, разрушается. Травоядные рыбы, которые контролируют разрастание водорослей, исчезают, и рифы переходят в состояние с низким разнообразием, в котором преобладают водоросли. Этот сдвиг фазы часто необратим в человеческих временных рамках. Программа ООН по окружающей среде предупреждает, что без значительного сокращения выбросов более 90 процентов тропических коралловых рифов будут подвержены риску серьезной деградации к 2050 году.

Потеря коралловых местообитаний холодной воды

Потеря биоразнообразия не ограничивается теплыми, освещенными солнцем рифами. Кораллы с холодной водой, которые процветают в глубоких темных водах у континентальных шельфов, в равной степени находятся под угрозой. Эти кораллы образуют большие насыпи, в которых обитают богатые сообщества рыб, губок и хрупких звезд. Поскольку глубокие воды уже ближе к горизонту насыщения арагонитами, подкисление сделает их недонасыщенными раньше. Обзор 2013 года в FLT:0 в Морской науке подсчитал, что к концу века до 70 процентов известных мест обитания холодных вод могут быть подвержены коррозионным водам.

Фитопланктон и биологический насос океана

Фитопланктон, микроскопические растения, дрейфующие в освещенных солнцем поверхностных водах, являются основой морской пищевой сети. Они также приводят в движение биологический углеродный насос — процесс, посредством которого CO2, фиксируемый фотосинтезом, погружается в глубокий океан в виде органического мусора. Подкисление может изменить состав сообщества фитопланктона, отдавая предпочтение некоторым видам, в пользу других. Например, кальцифицирующие коколитофоры, которые производят крошечные пластины карбоната кальция, как ожидается, будут снижаться по мере падения pH. Крупномасштабные сдвиги в типе фитопланктона могут нарушить эффективность секвестрации углерода и уменьшить количество энергии, передаваемой на более высокие трофические уровни. Исследование моделирования 2019 года показало, что подкисление океана может снизить глобальную первичную продуктивность на 5-10 процентов в сценариях с высоким уровнем выбросов.

Экосистемные услуги под угрозой

Потеря морского биоразнообразия напрямую подрывает экосистемные услуги, на которые опираются человеческие общества. Рыболовство обеспечивает белком более 3 миллиардов человек и поддерживает средства к существованию 10-12% мирового населения. Только промысел коралловых рифов оценивается примерно в 6,8 миллиарда долларов в год. По мере того, как подкисление ослабляет запасы моллюсков и ухудшает среду обитания рыбных яслей, улов потенциально снижается. Под угрозой также находится защита побережья: здоровые коралловые рифы и устричные пласты буферных береговых линий от волновой энергии и штормовых нагонов. Геологическая служба США подсчитала, что потеря всего лишь 1 метра кораллового рифа может удвоить силу волн, достигающих берега, увеличивая риск эрозии и наводнений.

Регулирование климата в океане: обратные связи и пороги

Углеродный океан потонет в осаде

Океан в настоящее время поглощает около 2,6 млрд метрических тонн углерода в год, примерно 26 процентов годовых антропогенных выбросов CO2. Это поглощение обусловлено частично насосом растворимости (CO2 растворяется непосредственно в холодных, плотных водах) и частично биологическим насосом. По мере нагревания и подкисления океана эффективность обоих насосов скомпрометирована. Более теплая вода удерживает меньше растворенного CO2, уменьшая насос растворимости. Между тем, подкисление и изменения питательных веществ изменяют состав и размер фитопланктона, потенциально ослабляя биологический насос. Модели системы Земли предполагают, что океанский поглотитель углерода может ослабеть на 10-20 процентов к концу века в соответствии с обычными сценариями, оставляя больше CO2 в атмосфере и ускоряя глобальное потепление.

Поглощение тепла и циркуляция океана

Океаны поглотили более 90 процентов дополнительного тепла, захваченного парниковыми газами с 1970-х годов. Это массовое поглощение тепла замедлило потепление атмосферы, но дорого: оно стимулирует тепловое расширение (ответственное примерно за одну треть наблюдаемого повышения уровня моря), изменяет океанские течения и способствует морским тепловым волнам. Эти тепловые волны - длительные периоды аномально теплой морской воды - стали более частыми и интенсивными, с разрушительными последствиями для лесов водорослей, рифов и коралловых рифов. В 2013-2016 годах «облако» в северной части Тихого океана нарушило пищевую сеть от планктона до морских птиц до коммерчески ценной рыбы, такой как лосось, что привело к закрытию рыболовства и экономическим потерям.

Альбедо и биогеохимические обратные связи

Морские экосистемы также влияют на климат через альбедо (отражательность) и производство биогенных газов. Коралловые рифы и луга морской травы, например, имеют относительно низкое альбедо по сравнению с песком, но их вклад в образование облаков через диметилсульфид (ДМС) является значительным. ДМС, выделяемый фитопланктоном, окисляется для образования сульфатных частиц, которые служат ядрами облачной конденсации, осветляя облака и отражая солнечный свет. Снижение кальцинирования фитопланктона, такого как коколитофоры, может снизить производство ДМС, вызывая положительную обратную связь, которая усиливает потепление. Эти биогеохимические обратные связи сложны и еще не полностью включены в климатические проекции, но они подчеркивают тесную связь между океанической биологией и климатической системой.

Устранение угроз: смягчение и адаптация

Глубокое и быстрое сокращение выбросов

Коренная причина подкисления и потепления океана - атмосферный CO2. Стабилизация химии океана требует, чтобы мир достиг чистого нуля выбросов CO2 как можно скорее, в идеале к середине века. Специальный доклад МГЭИК по океану и криосфере в меняющемся климате подчеркивает, что каждая доля степени потепления имеет значение для океана. Ограничение глобального потепления до 1,5 ° C по сравнению с 2 ° C уменьшит серьезность подкисления океана, ограничит потерю коралловых рифов и сохранит более высокие уровни морского биоразнообразия. Политические механизмы, включая ценообразование на углерод, мандаты на возобновляемые источники энергии и строгие стандарты выбросов для судоходства и промышленности, имеют важное значение.

Морские охраняемые районы и Рефугии

Морские охраняемые районы (МОР) не могут предотвратить подкисление, но они могут уменьшить другие стрессоры, такие как чрезмерный вылов рыбы, загрязнение и разрушение среды обитания, повышая устойчивость морских экосистем. Климатически оптимизированный МПА-проект определяет потенциальные рефугии - районы, где условия могут оставаться более благоприятными дольше - такие как регионы с естественным более высоким уровнем насыщения карбонатом или более прохладными водами. Конвенция о биологическом разнообразии призвала к защите 30 процентов океана к 2030 году, и надлежащим образом соблюдаемые МРА в рамках этой цели могут помочь буферизировать потери биоразнообразия, в то время как глобальные выбросы находятся под контролем.

Восстановление и удаление диоксида углерода

Усилия по восстановлению экосистем, такие как коралловое садоводство, реконструкция устричных рифов и посадка морских трав, могут локально улучшить сложность среды обитания и предоставить экосистемные услуги, хотя они не могут масштабироваться, чтобы компенсировать глобальное подкисление. Технологии удаления углекислого газа (CDR), включая прямой захват воздуха и повышение щелочности океана, изучаются в качестве потенциальных инструментов для снижения унаследованного CO2. Повышение щелочности океана - добавление щелочных минералов, таких как оливин, к морской воде - теоретически может противодействовать подкислению, а также увеличение способности океана поглощать CO2. Однако экологические последствия и экономическая осуществимость крупномасштабных CDR остаются неопределенными, и такие меры не заменяют сокращение выбросов в источнике.

Адаптация рыболовства и прибрежных сообществ

По мере изменения условий океана руководители рыболовных хозяйств должны применять гибкие и предупредительные подходы, которые учитывают изменение распределения запасов и снижение производительности. Такие инструменты, как динамическое управление океаном, которое использует данные в режиме реального времени для корректировки рыболовных зон, могут помочь уменьшить прилов и защитить уязвимые виды. Для сообществ, зависящих от моллюсков, селективное разведение устойчивых к подкислению поголовья и инвестирование в наземные питомники с контролем рН могут улучшить выживаемость инкубаторов. Развитие сетей мониторинга, таких как Глобальная сеть наблюдения за подкислением океана (GOA-ON), предоставляет данные, которые могут использоваться для раннего предупреждения и руководства стратегиями адаптации.

Заключение

Океаны не являются пассивным резервуаром для антропогенных выбросов; они являются живой системой, которая активно регулирует климат. Подкисление океана, вызванное тем же CO2, который нагревает планету, атакует те самые биологические двигатели, которые поддерживают функционирование климатических служб океана. В результате потеря морского биоразнообразия каскадирует через пищевые сети, разрушает средства к существованию рыболовства и ослабляет способность океана поглощать тепло и углерод. Без решительных действий по сокращению выбросов CO2 эти изменения ускорятся, высвобождая обратную связь, которая делает стабилизацию климата еще более трудной. Защита океана означает защиту себя - каждый коралловый полип, каждый птеропод, каждая клетка фитопланктона имеет большее значение, чем мы еще признали.

Далее читайте: Специальный доклад МГЭИК по океану и криосфере содержит всеобъемлющий обзор этих угроз. Программа NOAA Подкисление океана предлагает данные постоянного мониторинга. Для глубокого погружения в экологические и экономические последствия см. 2020 Синтез изменения климата по рискам подкисления океана.