Кратко: при росте атмосферного $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ больше $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ растворяется в океане, образует угольную систему, смещает кислотно‑основные равновесия в сторону протонов и снижает концентрацию карбонат‑аниона, что понижает pH и ухудшает условия для карбонатных организмов. Подробно с формулами и последствиями ниже.
Механизм (реакции и равновесия)
- Растворение и гидратация:
$$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})\rightleftharpoons \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{aq})$$ $$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{aq})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3$$ - Диссоциации угольной кислоты:
$${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3\rightleftharpoons {\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{HC}{\mathrm{O}}_3^{-}(K_{a1})$$ $$\mathrm{HC}{\mathrm{O}}_3^{-}\rightleftharpoons {\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3^{2-}(K_{a2})$$ - pH определяется как $\mathrm{pH}=-\log [H^{+}]$. Увеличение растворённого $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ сдвигает равновесия вправо, увеличивает $[H^{+}]$ и уменьшает $[\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3^{2-}]$.
Последствия для карбонатной химии и насыщенности
- Снижение $[\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3^{2-}]$ снижает насыщенность карбонатных минералов, определяемую как
$$\Omega =\frac{[\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}][\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3^{2-}]}{K_{sp}}$$ При $\Omega <1$ растворение $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3$ термодинамически выгодно.
- Наблюдаемое изменение: с доиндустриальных времён атмосферный $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ вырос с ≈$280$ до ≈$420$ ppm, и средний поверхностный океанский pH снизился примерно на $\sim 0.1$ единицы (примерно с $\sim 8.2$ до $\sim 8.1$) — это уменьшение $[C{O}_3^{2-}]$ и $\Omega$ уже затронуло многие экосистемы.
Биологические последствия для карбонатных организмов
- Снижение карбонатного иона и насыщенности уменьшает скорость карбонизации у моллюсков, кораллов, некоторых фитопланктонных кальцификаторов и др.; проявляется в медленном росте, тонких/хрупких раковинах и повышенной смертности личинок.
- Для кораллов: снижение кальцита/арагонита приводит к уменьшению темпов аккреции рифов, повышенной эрозии и потере структурных биотопов.
- На уровне экосистем: возможны изменения видового состава в пользу нефалирующих/некарбонатных форм, снижение продуктивности рифов и банков биогенного карбоната.
Временные масштабы и долгосрочные эффекты
- Поверхностный слой реагирует в течение месяцев—десятилетий; глубокие слои улавливают углекислый газ столетиями—тысячелетиями.
- Буферная способность океана (Revelle‑фактор) ограничивает то, насколько океан может поглощать дополнительный $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$: по мере увеличения $\mathrm{DIC}$ буферность ослабевает и последующее увеличение атмосферного $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ даёт относительно меньший прирост растворённого $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$.
- Полная компенсация кислотности требует выветривания горных пород и перераспределения карбонатных отложений на тысячелетние и более сроки; без снижения эмиссий условия будут ухудшаться дальше.
Итог
- Физико‑химическая цепочка: рост атмосферного $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ → больше $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{aq})$ → больше ${\mathrm{H}}^{+}$ → понижение pH и $[\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3^{2-}]$ → снижение $\Omega$ → негатив для карбонатных организмов.
- Последствия: ухудшение кальцификации, угроза рифовым и моллюсковым популяциям, сдвиг экосистем и замедление карбонатного накопления; восстановление требует веков—тысячелетий геохимических процессов, если эмиссии не сократить.