Взаимодействие между изменением климата и окислением океана

Арктика нагревается почти в четыре раза быстрее, чем в среднем по миру. Это «арктическое усиление» вызывает ускоренное таяние ледников Гренландии и Антарктики, а также отступление ледников во всем мире. Получающаяся талая вода впадает в океан, повышая глобальный уровень моря. Тепловое расширение — теплая вода, занимающая больше объема, чем холодная вода — также вносит значительный вклад в повышение уровня моря. Специальный доклад МГЭИК по океану и криосфере в меняющемся климате предупреждает, что продолжающиеся выбросы парниковых газов заставят мир измерять повышение уровня моря на протяжении веков, угрожая прибрежным городам и низменным островным государствам.

Что такое океаническая кислотность?

Подкисление океана — это продолжающееся снижение pH океанов Земли, вызванное поглощением избыточного атмосферного CO2. Со времени промышленной революции океан поглотил около 30% CO2, выделяемого деятельностью человека. Хотя это поглощение смягчило скорость изменения климата, оно произошло с высокой стоимостью: образование угольной кислоты, когда CO2 растворяется в морской воде, которая выделяет ионы водорода и снижает pH. Средний поверхностный pH океана упал с примерно 8,2 до 8,1 — 30% увеличение кислотности (шкала pH логарифмическая). Это изменение происходит со скоростью, по крайней мере, в 10 раз быстрее, чем все, что наблюдалось за последние 50 миллионов лет.

Химия окисления океана

Процесс прост: CO2 + H2O → H2CO3 (углеродная кислота) → H+ + HCO3− (бикарбонат). Избыток ионов водорода связывается с ионами карбоната (CO32−), образуя бикарбонат. Это снижает доступность ионов карбоната, которые являются важными строительными блоками для кальцинирующих организмов — существ, которые строят оболочки или скелеты из карбоната кальция (CaCO3). Состояние пониженного насыщения карбоната делает энергетически более дорогим для этих организмов строительство и поддержание их структур, а в некоторых случаях может привести к растворению существующих оболочек.

Влияние на кальцинирование организмов

Кораллы, моллюски (устрицы, моллюски, мидии), иглокожие (морские звезды, ежики) и многие виды планктона (такие как коколитхофоры и фораминиферы) полагаются на карбонат кальция. По мере падения рН океана многие из этих видов демонстрируют снижение темпов роста, аномальное образование раковин и более высокую смертность. Птероподы — крошечные морские улитки, которые образуют основу многих полярных пищевых сетей — особенно уязвимы. Их раковины уже показали признаки растворения в Южном океане. Потеря этих основополагающих видов оказывает каскадное воздействие на морские пищевые сети.

Более широкое разрушение экосистем

Подкисление океана влияет не на все виды в равной степени. Некоторые организмы, такие как определенные типы водорослей и морских трав, могут извлечь выгоду из увеличения СО2. Однако чистый эффект, как правило, отрицательный, сдвигая структуры сообщества в сторону менее кальцинированных, часто менее разнообразных сборок. Это может привести к упрощению экосистем с пониженной устойчивостью к другим стрессорам, таким как потепление и загрязнение. Кроме того, подкисление может ухудшить сенсорные способности рыбы (например, обнаружение запаха и избегание хищников), потенциально изменяя динамику хищника-жертвы и успех набора.

Связь между изменением климата и окислением океана

Изменение климата и подкисление океана являются двумя сторонами одной медали: они имеют общую первопричину (повышенный уровень СО2) и взаимодействуют сложными способами, которые могут усугубить воздействие друг друга. Понимание этих связей имеет решающее значение для прогнозирования будущих условий океана и разработки согласованных политических мер.

Источник: CO2 Emissions

Единственным наиболее важным фактором как глобального потепления, так и подкисления океана является выброс CO2 из сжигания ископаемого топлива и изменения в землепользовании. Каждая тонна выбросов CO2 увеличивает атмосферную нагрузку, и около четверти этой тонны поглощается океаном в течение первого года. Поэтому любая стратегия смягчения последствий, которая снижает выбросы CO2, одновременно решает обе проблемы. Между уменьшением потепления и подкислением нет «торговли» — они неразделимы.

Повышение температуры

Более теплые температуры океана усугубляют последствия подкисления несколькими способами. Во-первых, растворимость CO2 в воде уменьшается по мере повышения температуры, а это означает, что более теплый океан будет поглощать меньше CO2 из атмосферы, оставляя больше оставаться в воздухе и стимулировать дальнейшее потепление. Во-вторых, потепление увеличивает скорость метаболизма морских организмов, повышая их потребность в кислороде и делая их более чувствительными к комбинированному стрессу подкисления и дезоксигенации. В-третьих, температура и рН вместе определяют состояние насыщения карбоната кальция; более теплые воды, как правило, имеют более низкие состояния насыщения для арагонита (более растворимая форма CaCO3, используемая многими кораллами и птероподами), что делает еще более трудным для этих организмов создание раковин. Эта синергия означает, что наиболее уязвимые экосистемы, такие как тропические коралловые рифы и полярные моря, больше всего страдают от двойного нападения тепла и кислоты.

Влияние на поглощение углерода

Здоровые морские экосистемы играют жизненно важную роль в улавливании углерода. Например, прибрежные водно-болотные угодья (мангровые заросли, морские травы, соляные болота) очень эффективны в хранении углерода в своих отложениях — часто называемых «голубым углеродом». Однако как изменение климата, так и подкисление океана угрожают этим местам обитания. Повышение уровня моря, потепление и штормовые нагоны ухудшают мангровые леса и луга морских трав. Подкисление снижает способность кальцифицирующих организмов в этих экосистемах поддерживать свою структуру. По мере того, как эти экосистемы снижаются, они выделяют накопленный углерод обратно в атмосферу, создавая опасную положительную обратную связь, которая ускоряет как изменение климата, так и подкисление.

Влияние на морские экосистемы

Сочетание давления потепления, подкисления и других человеческих факторов стресса (например, чрезмерный вылов рыбы, загрязнение, разрушение среды обитания) уже меняет морские экосистемы по всему миру. Некоторые из наиболее драматических изменений происходят в коралловых рифах, полярных регионах и зонах апвеллинга.

Коралловые рифы: отбеливание и растворение

Коралловые рифы часто называют «дождевыми лесами моря» из-за их огромного биоразнообразия. Они очень чувствительны как к температуре, так и к pH. Когда температура океана превышает долгосрочное среднее значение всего на 1-2 ° C в течение нескольких недель, кораллы вытесняют свои симбиотические водоросли (zooxanthellae), превращаясь в белые — процесс, известный как обесцвечивание кораллов. Массовые события обесцвечивания стали более частыми и тяжелыми с 1980-х годов, при этом многие рифы испытывают обесцвечивание спиной к спине. Подкисление океана еще больше снижает способность кораллов строить свои скелеты карбоната кальция, замедляя рост рифов и, в тяжелых случаях, вызывая чистую эрозию. Программа окисления океана [FLT: 1] NOAA [FLT: 2] [FLT: 3]] отмечает, что в соответствии с текущими траекториями выбросов большинство коралловых рифов могут столкнуться с ежегодным обесцвечиванием к середине века и могут начать растворяться к концу века.

Моллюски и моллюски

Для аквакультуры моллюсков, особенно устриц, моллюсков и мидий, окисление океана уже является экономической угрозой. Стадии Ларвала особенно чувствительны; в инкубаторах вдоль западного побережья США неудачи в производстве семян устриц были непосредственно связаны с коррозионными водами, поднимающимися из глубокого океана. Производителям пришлось изменить свою деятельность (например, буферизация воды химическими веществами) для выживания. Дикие популяции моллюсков также затронуты, что может привести к традиционным урожаям и прибрежным пищевым сетям.

Рыболовство и пищевые сети

Запасы рыбы сдвигаются в сторону полюса по мере нагрева воды, изменяя состав улова и бросая вызов системам управления квотами. Подкисление может усугублять эти эффекты, влияя на базу добычи — например, уменьшая обилие кальцифицирующего планктона, который питает личинок рыб. Некоторые исследования показывают, что подкисление может ухудшить обонятельное чувство молодняка, делая его более уязвимым для хищников и менее способным найти подходящую среду обитания. Хотя полное воздействие на рыболовство неопределенно, потенциал для снижения производительности в ключевых рыболовных угодьях является серьезной проблемой. Обзор National Geographic подкисления океана [FLT: 1] [FLT: 2] [FLT: 3] подчеркивает, что многие из наиболее важных рыбных промыслов — такие как треска, тунец и анчоус — зависят от экосистем, которые уязвимы для этих изменений.

Влияние человека и экономические последствия

Мировой океан обеспечивает продовольствие, средства к существованию, культурную самобытность и регулирование климата для миллиардов людей.Деградация морских экосистем в результате комбинированного изменения климата и подкисления налагает прямые и косвенные издержки на общества, особенно в развивающихся прибрежных странах.

Рыболовство и аквакультура сокращаются

Глобальные морские рыболовства уже сталкиваются с давлением чрезмерного вылова рыбы. Климатические сдвиги и подкисление снижают пропускную способность экосистем, а это означает, что устойчивые урожаи могут снижаться. По оценкам Продовольственной и сельскохозяйственной организации (ФАО), миллионы людей зависят от рыбы в плане белка и доходов. Сокращение уловов угрожает продовольственной безопасности, особенно в таких регионах, как Юго-Восточная Азия, Западная Африка и Тихоокеанские острова. Аквакультура, которую часто рекламируют как решение проблемы чрезмерного вылова рыбы, сама уязвима для подкисления и вспышек заболеваний, усугубляемых потеплением вод.

Береговая охрана и туризм

Коралловые рифы и мангровые заросли создают естественные барьеры, защищающие береговые линии от штормовых нагонов и эрозии. По мере деградации этих экосистем прибрежные сообщества становятся более уязвимыми. Экономическая ценность рифового туризма оценивается в десятки миллиардов долларов в год. Очищенные и размытые рифы теряют свою эстетическую привлекательность, сдерживая туристов и нанося ущерб местной экономике. В Карибском бассейне, например, потеря рифового туризма может стоить миллиарды доходов и десятки тысяч рабочих мест.

Продовольственная безопасность и здоровье

Помимо прямого обеспечения белка, морские экосистемы поддерживают здоровье человека за счет микроэлементов и стабильности средств к существованию. Изменение климата и подкисление могут привести к вредному цветению водорослей (которые иногда токсичны) и распространению патогенов, таких как бактерии Вибриона. В прибрежных общинах с низким уровнем дохода потеря рыбных ресурсов может привести к диетическим изменениям, которые увеличивают недоедание. Совокупные риски подчеркивают, что изменение климата и подкисление океана являются не только экологическими проблемами - они представляют собой серьезную угрозу для благополучия человека.

Стратегии смягчения и адаптации

Для решения проблемы взаимодействия между изменением климата и подкислением океана необходим двусторонний подход: глубокое и быстрое сокращение выбросов CO2, чтобы остановить проблему в ее источнике, и меры по адаптации, чтобы помочь экосистемам и сообществам людей справиться с уже происходящими изменениями.

Сокращение выбросов углерода

Наиболее эффективная стратегия заключается в переходе к экономике с нулевым выбросом углерода. Это означает поэтапное прекращение использования ископаемых видов топлива, использование возобновляемых источников энергии (солнечного, ветрового, гидро- и геотермального), повышение энергоэффективности и прекращение обезлесения. Международные соглашения, такие как Парижское соглашение, направлены на ограничение глобального потепления до уровня значительно ниже 2°C, предпочтительно 1,5°C, что также значительно замедлит темпы закисления океана. Некоторые модели сценариев показывают, что разница между 1,5°C и 2°C потепления может иметь решающее значение для выживания тропических коралловых рифов. Кроме того, сокращение выбросов парниковых газов, не содержащих CO2 (метан, гидрофторуглероды) может обеспечить краткосрочное облегчение климата, но сокращение CO2 остается краеугольным камнем для обеих проблем.

Защита и восстановление морских экосистем

Морские охраняемые районы (МОР), которые должным образом обеспечиваются, могут повысить устойчивость экосистемы за счет устранения местных факторов стресса, таких как чрезмерный вылов рыбы и разрушение среды обитания. В рамках МОР популяции более здоровы и могут иметь большую способность выдерживать температуру и pH-напряжение. Восстановление экосистем голубого углерода - мангровых зарослей, морских трав и соляных болот - не только секвестрирует углерод, но и буферизирует местные эффекты подкисления путем поглощения CO2 и стабилизации осадков. Однако эти решения не могут компенсировать продолжающиеся крупномасштабные выбросы; они должны быть реализованы наряду с агрессивным смягчением последствий.

Исследования, мониторинг и новые вмешательства

Расширенные сети мониторинга (например, Глобальная сеть наблюдения за подкислением океана) необходимы для отслеживания изменений рН и биологических реакций. Исследования адаптивной способности видов, генетической устойчивости и вспомогательной эволюции (например, разведение теплостойких кораллов) дают надежду, но остаются экспериментальными. Некоторые геоинженерные предложения, такие как повышение щелочности океана (добавление минералов в океан для нейтрализации кислотности), теоретически могут противодействовать подкислению, но их экологические побочные эффекты и масштабируемость также могут играть роль. Прямой захват и хранение CO2 могут также играть роль, но эти технологии дороги и не доказаны в масштабе. Принцип предосторожности предполагает, что сокращение выбросов остается самым безопасным и наиболее определенным путем.

Заключение

Изменение климата и подкисление океана не являются отдельными кризисами; это два взаимосвязанных последствия одного и того же неестественного эксперимента — быстрый впрыск углекислого газа в атмосферу в результате деятельности человека. Океан оградил нас от наихудшего изменения климата, поглотив огромное количество CO2 и тепла, но эта защита дорого обошлась: более теплый, более кислый океан, который теряет способность поддерживать биоразнообразие и обеспечивать потребности человека. Пути к устойчивому будущему ясны: резкое сокращение использования ископаемого топлива, защита и восстановление морских экосистем и продолжение научных исследований для руководства адаптацией. Решения, принятые сегодня, определят, остается ли океан продуктивным, устойчивым партнером для будущих поколений или становится системой в постоянном упадке. Взаимодействие между этими двумя силами требует комплексного реагирования — тот, который признает океан как глобальное достояние, требующее коллективного управления.