Międzynarodowy zespół naukowców uruchomił nowe dzwony alarmowe o zmieniającej się chemii zachodniego regionu Oceanu Arktycznego po odkryciu, że poziom kwasowości wzrasta trzy do czterech razy szybciej niż w innych wodach oceanicznych.
Zespół, w skład którego wchodzi ekspert chemii morskiej z Uniwersytetu Delaware, Wei-Jun Cai, zidentyfikował również silną korelację między przyspieszonym tempem topnienia lodu w regionie a tempem zakwaszenia oceanów, niebezpieczną kombinację, która zagraża przetrwaniu roślin, skorupiaków, rafy koralowe i inne organizmy morskie oraz procesy biologiczne w ekosystemie planety.
Nowe badanie, opublikowane w czwartek 30 września w Science, flagowym czasopiśmie American Association for the Advancement of Science, jest pierwszą analizą zakwaszenia Arktyki obejmującą dane z ponad dwóch dekad, obejmujące okres od 1994 do 2020 roku. .
Naukowcy przewidują, że do 2050 r. – jeśli nie wcześniej – arktyczny lód morski w tym regionie nie przetrwa już coraz cieplejszych letnich sezonów. W wyniku cofania się lodu morskiego każdego lata, chemia oceanu stanie się bardziej kwaśna, bez trwałej pokrywy lodowej, która spowolniłaby lub w inny sposób złagodziła postęp.
Stwarza to zagrażające życiu problemy niezwykle zróżnicowanej populacji stworzeń morskich, roślin i innych żywych organizmów, których przetrwanie zależy od zdrowego oceanu. Na przykład kraby żyją w skorupiakach zbudowanych z węglanu wapnia występującego w wodzie oceanicznej. Niedźwiedzie polarne żywią się zdrowymi populacjami ryb, ryby i ptaki morskie polegają na planktonie i roślinach, a owoce morza są kluczowym elementem diety wielu ludzi.
To sprawia, że zakwaszenie tych odległych wód ma duże znaczenie dla wielu mieszkańców planety.
Najpierw szybki kurs przypominający o poziomach pH, które wskazują, jak kwaśny lub zasadowy jest dany płyn. Każda ciecz zawierająca wodę może być scharakteryzowana przez jej poziom pH, który waha się od 0 do 14, przy czym czysta woda jest uważana za obojętną o pH 7. Wszystkie poziomy poniżej 7 są kwaśne, wszystkie poziomy powyżej 7 są zasadowe lub alkaliczne, z każdy pełny krok reprezentuje dziesięciokrotną różnicę w stężeniu jonów wodorowych. Przykładami po stronie kwasowej są kwas akumulatorowy, który sprawdza się przy 0 pH, kwas żołądkowy (1), czarna kawa (5) i mleko (6,5). W kierunku podstawowym znajdują się krew (7,4), soda oczyszczona (9,5), amoniak (11) i środek do czyszczenia kanalizacji (14). Woda morska jest zwykle alkaliczna, a jej pH wynosi około 8,1.
Cai, profesor Mary AS Lighthipe w School of Marine Science and Policy w College of Earth, Ocean and Environment w UD, opublikował ważne badania na temat zmieniającej się chemii oceanów na planecie i w tym miesiącu zakończył rejs z Nowej Szkocji na Florydę, służąc jako główny naukowiec spośród 27 na pokładzie statku badawczego. Prace, wspierane przez Narodową Administrację Oceaniczną i Atmosferyczną (NOAA), obejmują cztery obszary badań: wschodnie wybrzeże, Zatokę Meksykańską, wybrzeże Pacyfiku oraz region Alaski/arktyki.
Nowe badanie w Science objęło badacza podoktoranckiego UD Zhangxiana Ouyanga, który uczestniczył w niedawnej wyprawie w celu zebrania danych na Morzu Czukockim i basenie Kanady na Oceanie Arktycznym.
Pierwszym autorem publikacji był Di Qi, który współpracuje z chińskimi instytutami badawczymi w Xiamen i Qingdao. Nad tą publikacją współpracowali również naukowcy z Seattle, Szwecji, Rosji i sześciu innych chińskich ośrodków badawczych.
“Nie możesz po prostu iść sam”, powiedział Cai. „Ta międzynarodowa współpraca jest bardzo ważna dla zbierania długoterminowych danych na dużym obszarze odległego oceanu. W ostatnich latach współpracowaliśmy również z japońskimi naukowcami, ponieważ dostęp do wody Arktyki był jeszcze trudniejszy w ciągu ostatnich trzech lat z powodu COVID- 19. I zawsze uczestniczą w nim europejscy naukowcy.”
Cai powiedział, że on i Qi byli zaskoczeni, kiedy po raz pierwszy wspólnie przeglądali dane arktyczne podczas konferencji w Szanghaju. Kwasowość wody rosła trzy do czterech razy szybciej niż w innych wodach oceanicznych.
To było naprawdę oszałamiające. Ale dlaczego to się stało?
Cai wkrótce zidentyfikował główny podejrzany: zwiększone topnienie lodu morskiego podczas letniego sezonu Arktyki.
Historycznie rzecz biorąc, lód morski Arktyki topił się w płytkich, marginalnych regionach w okresie letnim. To zaczęło się zmieniać w latach 80., powiedział Cai, ale okresowo nasilał się i zanikał. W ciągu ostatnich 15 lat topnienie lodu przyspieszyło, docierając do głębokiego basenu na północy.
Przez pewien czas naukowcy sądzili, że topniejący lód może stanowić obiecujący „pochłaniacz węgla”, w którym dwutlenek węgla z atmosfery byłby zasysany do zimnych, żądnych węgla wód, które zostały ukryte pod lodem. Ta zimna woda zawierałaby więcej dwutlenku węgla niż cieplejsze wody i mogłaby pomóc zrównoważyć skutki zwiększonego stężenia dwutlenku węgla w innych częściach atmosfery.
Kiedy Cai po raz pierwszy badał Ocean Arktyczny w 2008 roku, zauważył, że lód stopił się za Morzem Czukockim w północno-zachodnim krańcu regionu, aż do Basenu Kanadyjskiego – daleko poza jego typowy zasięg. On i jego współpracownicy odkryli, że świeża woda ze stopu nie miesza się z głębszymi wodami, co mogłoby rozcieńczyć dwutlenek węgla. Zamiast tego woda powierzchniowa wchłaniała dwutlenek węgla, aż osiągnęła mniej więcej taki sam poziom jak w atmosferze, a następnie przestała go zbierać. Zgłosili ten wynik w artykule w Science w 2010 roku.
Wiedzieli, że zmieniłoby to również poziom pH wód arktycznych, zmniejszając poziom alkaliczności wody morskiej i zmniejszając jej odporność na zakwaszenie. Ale ile? A jak szybko? Kolejną dekadę zajęło im zebranie wystarczającej ilości danych, aby wyciągnąć solidne wnioski na temat długoterminowego trendu zakwaszenia.
Analizując dane zebrane w latach 1994-2020 – po raz pierwszy taka długoterminowa perspektywa była możliwa – Cai, Qi i ich współpracownicy stwierdzili nadzwyczajny wzrost zakwaszenia i silną korelację z rosnącym tempem topnienia lodu.
Wskazują na topnienie lodu morskiego jako kluczowy mechanizm wyjaśniający ten gwałtowny spadek pH, ponieważ zmienia on fizykę i chemię wód powierzchniowych na trzy podstawowe sposoby:
Woda pod lodem morskim, która miała deficyt dwutlenku węgla, jest teraz wystawiona na działanie atmosferycznego dwutlenku węgla i może swobodnie pobierać dwutlenek węgla.
Woda morska zmieszana z wodą roztopową jest lekka i nie może łatwo wmieszać się do głębszych wód, co oznacza, że dwutlenek węgla pobierany z atmosfery jest skoncentrowany na powierzchni.
Woda z roztopów rozcieńcza stężenie jonów węglanowych w wodzie morskiej, osłabiając jej zdolność do neutralizacji dwutlenku węgla w wodorowęglany i gwałtownie obniżając pH oceanu.
Cai powiedział, że potrzebne są dalsze badania w celu dalszego udoskonalenia powyższego mechanizmu i lepszego przewidywania przyszłych zmian, ale dotychczasowe dane ponownie pokazują daleko idące efekty zmian klimatu.
„Jeśli cały lód wieloletni zostanie zastąpiony lodem z pierwszego roku, będzie niższa zasadowość i mniejsza pojemność buforowa, a zakwaszenie będzie kontynuowane” – powiedział. „Sądzimy, że do 2050 roku cały lód zniknie latem. Niektóre gazety przewidują, że stanie się to do 2030 roku. A jeśli będziemy podążać za obecnym trendem przez kolejne 20 lat, zakwaszenie w lecie będzie naprawdę silne”.
Nikt nie wie dokładnie, co to zrobi ze stworzeniami, roślinami i innymi żywymi istotami, które zależą od zdrowych wód oceanicznych.
– Jak to wpłynie na tamtejszą biologię? – zapytał Cai. „Dlatego to jest ważne”.