Океаны с трудом справляются с поглощением антропогенного углекислого газа из атмосферы
Углекислый газ постоянно поступает в атмосферу и выводится из нее разными способами. Океаны (наряду с лесами) — одни из важнейших нейтрализаторов СО2, поглощающие значительную его часть. Если в воды океана попадает слишком много углекислого газа, кислотность воды увеличивается, что негативно влияет на жизнедеятельность морских организмов, а также истощаются запасы минерального карбоната кальция, необходимого для нейтрализации СО2. Ученые из США и Канады построили модель, описывающую эти процессы, чтобы узнать, насколько силен антропогенный вклад в закисление океанов. По их оценкам, сразу в нескольких зонах Атлантического, Индийского и Тихого океанов этот вклад составляет от 40 до 100%, а максимальная глубина, на которой еще происходят реакции нейтрализации, уменьшилась на 300 метров.
Пассивное поглощение поверхностью океана углекислого газа (СО2) — это естественный процесс, постоянно происходящий в земной атмосфере. Волны перемешивают верхние слои воды, и за счет этого океан, как губка, впитывает из атмосферы излишки углекислоты, которая нейтрализуется по мере погружения в придонные слои. Однако если в воды океана попадает слишком много углекислого газа, это нарушает кислотно-щелочной баланс океанских вод: их кислотность увеличивается (то есть снижается показатель pH). В таком случае ученые говорят о закислении океана. В последние десятилетия этот процесс стал особенно активным, что связано главным образом с деятельностью человека (и является одним из антропогенных факторов климатических изменений).
Антропогенные выбросы СО2 — основная причина потепления климата
Среднегодовая температура по планете повышается год от года. Это видно как на основе прямых наблюдений (наземные и судовые наблюдения, наблюдения на роботизированных буях и глайдерах на поверхности и в толще океана, на поверхности льда, аэрологические наблюдения в толще атмосферы, спутниковые наблюдения, наблюдения с помощью радаров и некоторые другие виды наблюдений), так и по данным численного моделирования. Все имеющиеся данные раз в 5–6 лет обобщаются в отчетах Межправительственной группы экспертов по изменению климата. При этом рост температур, не связанный ни с какими природными причинами (энергия Солнца, вулканические извержения, естественные циклы климатических изменений), начался на рубеже 1950–1960-х годов (рис. A).
Рис. A. а) — график изменения глобальных температур; красным показаны данные моделирования с учетом антропогенного фактора; черным — реальные наблюдения. b) — изменение глобальных температур без учета антропогенного фактора (синяя кривая), черным показаны реальные наблюдения. Графики из доклада Climate Change 2007: The Physical Science Basis
С этого же времени наблюдается активный рост содержания СО2 в атмосфере (рис. B, слева). То, что этот рост не укладывается ни в какие природные циклы, видно из графика, приведенного справа на рис. B. Именно антропогенные выбросы СО2 считаются на сегодняшний день главной причиной глобального потепления.
Рис. B. Слева — концентрация углекислого газа в атмосфере по данным прямых наблюдений на станции Мауна-Лоа (Гавайи). Из графика видно, что концентрация СО2 в атмосфере за время наблюдений выросла с 315 ppm (частиц на миллион) в 1958 году до 407–408 ppm в 2018 году. Справа — Концентрация углекислого газа в атмосфере по данным палеореконструкций на основе анализа ледяного керна (до 1958 года) и прямых наблюдений на станции Мауна-Лоа. Видно, что современная концентрация СО2 в атмосфере существенно выше естественных колебаний с учетом всех природных циклов. Графики с сайта scripps.ucsd.edu
Если в верхних слоях океана перемешивание воды происходит весьма активно, то на глубине этот процесс идет значительно медленнее. Поэтому, чтобы захваченная из атмосферы углекислота достигла дна океана, требуются сотни (а для больших глубин — и тысячи) лет. Достигнув дна, она вступает в реакцию, которая в геохимии называется «карбонатной компенсацией»:
CaCO3 + CO2 + H2O → Ca2+ + 2HCO3−.
В процессе этой реакции поступающий в океан CO2 (в том числе и антропогенный) переходит в растворимые ионы бикарбоната HCO3− и таким образом нейтрализуется. Но чтобы эта реакция происходила непрерывно, на дне должно быть достаточное количество минерального карбоната кальция (CaCO3), который при этой реакции растворяется. Присутствует он там главным образом в виде кальцита, которым сложены обломки раковин и кораллов, устилающих дно океана.
На большой глубине карбонат кальция в минеральной форме отлагаться не может, так как с увеличением давления увеличиваются и растворимость кальцита, и скорость реакции карбонатной компенсации. Образование раковин и кораллов происходит в верхних слоях океана, пересыщенных CaCO3. После смерти организмов кальцитовые раковины и оболочки опускаются (или сносятся течениями) на глубину, где на глубине ниже линии насыщения кальцита (calcite saturation depth, CSD, см.: Лизоклин), начинается их растворение в ходе реакции карбонатной компенсации. Глубина, где темпы образования кальцитовых раковин и кораллов примерно уравновешиваются реакцией растворения, называется глубиной компенсации кальцита (calcite compensation depth, CCD) или глубиной карбонатной компенсации. Ниже линии CCD кальцит в донных отложениях отсутствует.
По мере роста закисления верхних слоев океана, граница CCD начинает перемещаться все выше, и в самом крайнем случае может достичь поверхности. Тогда отложение кальцита (а значит и образование раковин морских организмов и кораллов) полностью прекратится. Такой период уже был в геологической истории во время так называемого палеоцен-эоценового термического максимума(примерно 56 млн лет назад): средняя температура воды Мирового океана тогда была лишь на 1,5°С выше современных значений, а все закончилось глобальной экологической катастрофой. В океанических осадочных породах этот период оставил след в виде слоя коричневой «грязи» (в то время как донные отложения обычно белоснежно-белые, так как сложены главным образом карбонатным материалом) с белыми вкраплениями окаменелых скелетов вымерших планктонных организмов, моллюсков, ракообразных и рыб. Согласно данным, приведенным в докладах Межправительственной группы экспертов по изменению климата(Intergovernmental Panel on Climate Change), за последние 100 лет антропогенное воздействие уменьшило pH океана на 0,1 единицы (что в десять раз превышает скорость закисления океана, происходившего 56 млн лет назад), а 2100 году pH Мирового океана упадет еще на 0,2 единицы.
Насколько сегодняшняя ситуация является на самом деле критической, и насколько антропогенное воздействие затронуло систему глубокого морского дна, отвечающую за нейтрализацию атмосферного CO2, решили выяснить ученые из США и Канады. Для этого они построили цифровую модель современного положения границы CCD в разных частях Мирового океана (рис. 2).
Рис. 2. Результат моделирования глубины границы CCD в разных частях современного океана. Серым показаны участки, где граница CCD проходит ниже уровня дна океана. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS
Полностью сохраняют свою функцию в плане компенсации атмосферного CO2участки, отмеченные на рис. 2 серым цветом. Для всех остальных участков компенсаторная способность ограничена, особенно сильно — для участков, отмеченных желтым и оранжевым (граница ССD здесь расположена в интервале глубин 3,5–4,5 км от поверхности).
При построении модели использовались данные по содержаниям химических веществ на различных глубинах, придонным течениям и концентрации CaCO3в глубоководных отложениях. Оценки скорости океанических придонных течений были получены на основе модели океана высокого разрешения (D. S. Trossman et al., 2016. Impact of topographic internal lee wave drag on an eddying global ocean model), разработанной под руководством Дэвида Троссмана и Брайана Арбика — соавторов обсуждаемой статьи. Не имея достаточного количества данных о содержаниях CaCO3 в донных осадках дна всего океана, исследователи создали в лаборатории микросреду, воспроизводящую глубинные донные течения, температуру и химический состав морской воды, а также состав осадков. Эти эксперименты помогли им понять, что управляет растворением кальцита в морских отложениях, и позволили определить скорость его растворения в зависимости от различных переменных окружающей среды.
Чтобы понять, как менялась со временем глубина расположения границ CSD и CCD, и какую роль в этом играл именно антропогенный СО2, авторы на основе моделирования построили карту темпов растворения придонного кальцита в доиндустриальную эпоху и в наше время, и сравнили их между собой (рис. 3).
Рис. 3. Географическое распределение темпов растворения кальцита (в моль/м2 в год) на глубине ниже 300 м и влияние антропогенного фактора. Показаны доиндустриальный (А) и современный (В) темпы растворения кальцита, а также разница между ними (С). Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS
Результаты моделирования показали, что деятельность человека уже сегодня существенно влияет на химические процессы в океане. По подсчетам авторов во многих регионах Мирового океана вклад антропогенного СО2 в смещение границ CSD и CCD и, соответственно, снижение компенсаторной способности глубинных реакций, составляет более 40%, а на северо-западе Атлантики достигает 100%. В этих местах глубина компенсации кальцита поднялась в постиндустриальный период приблизительно на 300 м. Повышенное растворение CaCO3 также было выявлено на юге Атлантики, Индийского и Тихого океанов, где из-за активных глубинных течений глубинные воды больше подвержены перемешиванию по сравнению с придонными водами других частей Мирового океана, и, следовательно, эти воды богаты антропогенным СО2. Здесь происходит активное некомпенсированное растворение карбонатных минералов. В течение ближайших десятков-сотен лет огромные площади морского дна в этих районах утратят свой белоснежно-белый вид, обусловленный массой накопившихся на дне карбонатных осадков, и станут грязно-бурыми. Как говорят авторы, «антропоцен наступит и на дне океана».
Авторы считают, что то, что они видят сегодня, является лишь началом масштабного процесса окисления морского дна, причиной которого является рост в атмосфере Земли антропогенного CO2. Большая часть его еще не достигла морского дна, а природная компенсаторная система океана уже начала давать сбой, так как углекислый газ сегодня выбрасывается в атмосферу гораздо более быстрыми темпами, чем он нейтрализуется в океане.
Источник: Olivier Sulpis, Bernard P. Boudreau, Alfonso Mucci, Chris Jenkins, David S. Trossman, Brian K. Arbic, Robert M. Key. Current CaCO3 dissolution at the seafloor caused by anthropogenic CO2 // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2018. DOI: 10.1073/pnas.1804250115.
Владислав Стрекопытов
Рис. 1. Фотография нормального (не окисленного) морского дна, покрытого белоснежными карбонатными осадками. Фото с сайта pekatron.gallery.ru