Защо океанът действа като гигантски буфер, който забавя ефектите на глобалното затопляне и каква е цената на това?
Океанът е голям естествен буфер, който смекчава резултата, оказван върху атмосферата от въглеродните излъчвания. Чрез механизмите на карбонатната система, той съумява да всмуква до 60% от отделяния от индивида въглероден диоксид. Цената за това обаче е увеличение на киселинността на водата, като единствено за последните 30 години междинната големина на pH в повърхностните води е намаляла от 8,3 на 8,1, което подхожда на повишаване на киселинността с 30%. Освен че тази смяна е опасност за морските организми, в дълготраен проект казусът е, че в случай че равнището на киселинност се увеличи прекалено много, потенциалът на океанската вода да поема въглероден диоксид внезапно ще се намали.
Какво съставлява карбонатната система на Световния океан?
Карбонатната система е верига от химични взаимоотношения, посредством които океанската вода приема, натрупва и отделя карбонатни съединения и въглероден диоксид. Карбонатната система е главен инструмент, посредством който океанът взе участие във въглеродния баланс на планетата и в „ обезвреждане “ на въглеродните излъчвания посредством тяхното усвояване и задържане.
Въглеродният диоксид (СО 2 ) е един от газовете с главно значение за биологичните и атмосферните процеси. В морската вода той попада от въздуха или вследствие на виталната активност на организмите (при дишането и при разложение на органични вещества).
Съществува директна връзка сред количеството на разтворения въглероден диоксид и киселинността на водата.
Най-напред дано накратко поясним какво значи киселинност на водата. В природата водата има удивителното свойство да разтваря съвсем всички субстанции. Но какво е “разтваряне ”? Както знаем, водната молекула съдържа един атом О2 и два атома водород, съединени един с различен на правилото на съвместяване на общи електрони, като двата водородни атома застават от едната страна на кислородния атом. Тъй като кислородът има осем електрона, а водородите – единствено по един, множеството електрони във водната молекула се намират към кислородния атом. Затова водната молекула е асиметрична – зоната към кислородния атом е негативно заредена, а към водородите има позитивен заряд. Когато във водата попадне молекула на друго вещество, водните частици я “разбиват ” на йони, като самите те се разделят на водородни (Н+) и хидроксилни (ОН-) йони. Положително заредените водородни йони притеглят негативните йони на постъпилото във водата вещество, а негативните хидроксилни придърпват положителнио заредените частици на веществото. Това на практика е процесът на разтваряне. Поради това, че във водата непрекъснато има разтворени субстанции, в нея постоянно известно количество от молекулите са разграничени на йони. Киселинността (или реакцията) демонстрира какво е съотношението сред водородните (Н+) и хидроксилните (ОН-) йони във водата. При вода с неутрална реакция концентрацията на водородните йони е идентична с тази на хидроксилните йони, като е равна на към 10-7 mol/l. Колкото повече са водородните йони, толкоз по-голяма е киселинността на водата.
За премерване на киселинността е въведен числов индикатор – pH, който показва концентрацията на ОН йоните в банален тип – единствено степенният индикатор, и то без негативния знак. Тоест, при неутрална реакция на разтвора, рН е равно на 7. Така изразената числова големина може да се променя от 0 до 14. При стойности под 7 реакцията на водата е кисела (водородните йони са повече от хидроксилните), а при стойности над 7 реакцията е алкална (тогава съотношението е в интерес на хидроксилните йони). Скалата е логаритмична: намаляването на рН с 1 единица значи десетократно увеличение на концентрацията на водородните йони и десетократно понижаване на концентрацията на хидроксилните йони . Киселинността има определящо значение за химичните свойства на водата, както ще стане ясно от идващото ревю.
Да се върнем на карбонатната система
По-голямата част от въглеродния диоксид се съдържа във водата в разтворено положение и едвам към 0,5% реагират химически с нея, като образуват въглена киселина (H 2 CO 3 ). От своя страна, разтворената въглена киселина се дисоциира (разделя) на водороден катион (Н + ) и хидрокарбонатен анион (HCO 3 – ), който може да се преобразува до карбонатен анион (CO 3 2- ). Тези реакции са обратими и протичат непрекъснато във водата в двете направления, според от прихода и разхода на субстанции в системата. Увеличаването на концентрацията на въглероден диоксид води до формиране на повече въглена киселина и оттова до повишение на наличието на водородни йони – водата покачва киселинността си.
Тези съществени химически взаимоотношения в карбонатната система се илюстрират със следната формула:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 – ↔ 2H + + CO 3 2-
От своя страна, поглъщането на въглеродния диоксид от атмосферата в океана зависи от температурата на водата, само че и от концентрацията му във въздуха. По отношение на газовете, студените води имат по-голяма разтворимост.
Вторият значим съставен елемент в карбонатната система е притокът на разтворени от речната и морската вода съставни елементи от варовикови и други химически разтворими скали – най-вече хидрокарбонатни (HCO 3 – ), калциеви (Ca 2+ ) и по-малко магнезиеви (Mg 2+ ) йони. В повърхностните пластове на водните басейни, изключително в крайбрежните области, става засищане и даже уталожване на водите с такива съставни елементи. До химическо утаяване на калциев карбонат (CaCO 3 ) на дъното на океана обаче се стига извънредно рядко, тъй като калциевите и карбонатните йони се извличат от морските организми, които построяват своите скелети и черупки от калциев карбонат. След гибелта на организмите, техните карбонатни остатъци се отсрочват на дъното и след дълго уплътняване и спояване могат да се трансфорат отново във варовикови скали.
По този метод, посредством действието на карбонатната система, океанът гълтам едно доста количество от атмосферния въглероден диоксид . В процесите на непрекъснат продан на газове сред хидросферата и атмосферата, въглеродният диоксид, който попада във водата под форма на разперен газ или на въглена киселина, може когато и да е да се върне назад във въздуха. В същото време тази част от въглеродния диоксид, който се намира под формата на химически разградени от водата съставни елементи, не може да се върне в атмосферата, най-малко до момента в който е в подобен тип, и остава в океана. Попадайки във водните басейни (както в моретата, по този начин и в езерата и реките), въглеродният диоксид взе участие в биологичните процеси. Сред тях най-значими са фотосинтезата и дишането, които са химически противоположни.
В последна сметка, вследствие на виталната активност на организмите, част от въглеродния диоксид се складира на морското дъно и в земната кора под формата на карбонатни отсрочения и за по-дълго или за по-кратко излиза от деен продан. Така се компенсира притокът в системата на карбонати от разтворените от речните и морските води карбонатни скали.
Между атмосферата и океана от хилядолетия се е открило равновесие в обмена на въглеродния диоксид и неговите производни артикули, образуващи се при химичните реакции във водна среда. Във връзка със характерните особености на този продан (съответно и на обстоятелството, че част от въглеродния диоксид се складира под формата на седименти), океанската вода се отличава със едва алкална реакция (рН най-често сред 7,9 и 8,3). Най-високи стойности (8,0 — 8,35) pH доближава в повърхностния пласт на океана, заради интензивното асимилиране на въглероден диоксид в процесите на фотосинтеза. С нарастване на дълбочината, цената на pH понижава, което е обвързвано с повишаването на концентрацията на въглероден диоксид. В хоризонтално направление най-алкални са водите в дребните ширини, до момента в който с повишаване на географската широчина величината на рН понижава.
Постоянно протичащите обратими реакции на химическо преобразяване на обвързвания с водата въглероден диоксид в хидрокарбонати и карбонати зависят от киселинността на водата – при присъщите на океанската вода стойности на рН максимален е делът на хидрокарбонатните йони, до момента в който карбонатните са относително малко. Когато наличието на въглероден диоксид във водата се увеличи, нараства и количеството на водородните йони. Както проличава от Фиг. 1, всяка добавена молекула въглена киселина (H 2 CO 3 ) ангажира, въпреки и в обратими реакции, най-малко един спомагателен карбонатен йон от водата, образувайки хидрокарбонатни йони. В такива условия образуването на скелети и черупки от страна на организмите се затруднява , тъй като множеството от тях умеят да усвояват свободните карбонатни йони, само че не и хидрокарбонатните. Именно по тази причина коралите, които са измежду най-големите биологични концентратори на калциев карбонат (CaCO 3 ), живеят единствено в тропичните води. Там високата температура на водата обуславя по-ниска разтворимост на въглероден диоксид спрямо умерените и огромните географски ширини, и надлежно по-малко наличие на въглена киселина.
Една от главните закани от увеличението на въглеродните излъчвания е вкиселяването на морската вода.
С увеличението на наличието на въглероден диоксид в атмосферата, все по-голямо количество от този газ се разтваря в океанската вода. Образува се повече въглена киселина (H 2 CO 3 ) и се усилва концентрацията на водородните йони във водата, т.е. нейната киселинност нараства.
Вкиселяването на водите в Световния океан е научно доказано събитие – за последните 30 години междинната големина на рН в повърхностните океански пластове се е намалила от 8,3 на 8,1, което подхожда на повишаване на киселинността с 30%, като се чака до края на този век да доближи 7,8.
До какви проблеми може да докара това?
Нарастването на киселинността води до все по-затруднено добиване на карбонатни йони от водата от морските организми, тъй като тези йони все по-често биват придърпвани от свободните водородни йони и се съединяват с тях, като образуват хидрокарбонати. Повишеното наличие на въглена киселина води и до по-голяма разтворимост на карбонатните съединения и тъкани, които към този момент са синтезирани от организмите (например черупки), а това е дирекна сериозна опасност за живота на доста типове морски жители. Особено уязвими са коралите, чиито колонии са обитаема среда за хиляди растителни и скотски типове в дребните ширини. Увеличаване на киселинността по същата причина се следи с изключение на в морето и при подпочвените, речните и езерните води.
Посредством карбонатната система, водните басейни и на първо място океаните, се явяват великански контейнер за въглерода и неговите съединения. Океанът съумява да “поглъща ” до 60% от отделяните от индивида въглеродни излъчвания (Millero, 2000). Според експертите от Smitsonian Institute от началото на промишлената гражданска война до момента океанът е всмукнал към 525 милиарда тона атмосферен въглероден диоксид, а понастоящем – към 22 милиона тона всеки ден, което е еквивалентът на излъчванията от 11 милиарда литра дизелово гориво.
Тоест, океанът работи като великански буфер, който забавя резултатите на световното стопляне, като цената за това е увеличението на киселинността на водите. Проблемът е, че в случай че равнището на киселинност се увеличи прекалено много, поемният потенциал на океанската вода по отношение на въглеродния диоксид също внезапно ще се намали . Причината за това е, че при обилие на водородни йони, по-голямата част от химически реагиралия във водата въглероден диоксид няма да се трансформира в хидрокарбонатни йони (HCO 3 – ) и карбонатни йони (CO 3 2- ), както е понастоящем, а ще остава под формата на въглена киселина (H 2 CO 3 ) На фиг. 2, актуалната киселинност на океанската вода е показана с черен пунктир. При намаление на рН, концентрацията на хидрокарбонатни (HCO 3 ) йони (които извеждат въглерода от дейна циркулация) първо се усилва, само че след това внезапно пада за сметка на концентрацията на обвързван във въглена киселина Следствен отдел към окръжна прокуратура 2 , който може свободно да минава от океана в атмосферата. В резултат на това „ заключване на карбонатите “ във въглената киселина, биологичното асимилиране на тези съединения и тяхното отсрочване на океанското дъно ще стават все по-трудно, а с това и опциите на океана за извеждане на въглерода от системата ще бъдат все по-ограничени.
Карбонатната система е един от инструментите на взаимоотношение сред океана, сушата и атмосферата. Благодарение на нея, океанът притъпява резултатите от световното стопляне. Всеки ден водите му гълтам големи количества въглероден диоксид и изолират задълго огромна част от този газ от контакт с атмосферата. Прекомерното натоварване на океана по този метод обаче е обвързвано с химическа смяна на самата вода – усилва се нейната киселинност, което може да заплаши морските организми в дълготраен проект.
Автор: Емил Гачев / Климатека
Емил Гачев е част от авторския кръг на Климатека. Той е доцент в катедра “География, екология и запазване на околната среда ” към Природо-математическия факултет на Югозападния университет „ Неофит Рилски “, като работи и в департамент “География “ към НИГГГ-БАН. Докторска степен в компетентност “Ландшафтознание ” получава през 2005 година от ГГФ на СУ „ Св. Климент Охридски “. Оттогава се занимава с научно-изследователска работа в сферите на геоморфологията (ледников и криогенен релеф), хидрологията (изследвания на планински езера), глациологията (съвременни ледникови микроформи) и климатичните промени в планините на България и Балканския полуостров. Преподавател е по хидрология, геология (ЮЗУ) и ландшафтна екология (УАСГ).
В обявата са употребявани материали от:
- Гачев, Е. 2021. Води на Земята. Университетско издателство “Неофит Рилски ”, Благоевград. 392 стр.
- Millero, F., 2000. The carbonate System in Marine Environments. In: Gianguzza, A., E. Pelizetti, S. Sammartano (eds.) Chemical Processes in Marine Environments. Springer. 9-41.
- Smithsonian Institute, 2018. Ocean Acidification. https://ocean.si.edu/oceanlife/invertebrates/ocean-acidification
- https://www.nrdc.org/. NRDC. Ocean acidification: what you need to know.
