Коротко — основная роль pH и ионов кальция/карбоната сводится к контролю карбонатной насыщенности, от которой зависит способность организмов осаждать и удерживать карбонатные раковины.
Как это работает (физико‑химически)
- Углеродная система:
${\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\leftrightarrow {\mathrm{H}}_2{\mathrm{CO}}_3\leftrightarrow {\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{HCO}}_3^{-}\leftrightarrow 2{\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{CO}}_3^{2-}$.
При понижении pH (увеличении ${\mathrm{H}}^{+}$) равновесие смещается вправо, часть ${\mathrm{CO}}_3^{2-}$ превращается в ${\mathrm{HCO}}_3^{-}$ — то есть концентрация карбонат‑ионов падает.
- Осаждение/растворение карбоната:
Осаждение: ${\mathrm{Ca}}^{2+}+{\mathrm{CO}}_3^{2-}\to {\mathrm{CaCO}}_3\downarrow$.
Растворение (при избытке протонов): ${\mathrm{CaCO}}_3+{\mathrm{H}}^{+}\to {\mathrm{Ca}}^{2+}+{\mathrm{HCO}}_3^{-}$.
- Насыщенность (ключевой параметр):
$\Omega =\frac{[{\mathrm{Ca}}^{2+}][{\mathrm{CO}}_3^{2-}]}{K_{sp}}$.
Если $\Omega >1$ — осаждение/рост карбоната возможно, если $\Omega <1$ — растворение преобладает. Для аргонита и кальцита разные $K_{sp}$ ($K_{sp}^{ar}>K_{sp}^{ca}$), поэтому аргонит более растворим.
Влияние изменений
- Падение pH → снижение $[{\mathrm{CO}}_3^{2-}]$ → уменьшение $\Omega$. При прочих равных это снижает скорость кальцификации и повышает риск растворения раковин.
- Снижение $[{\mathrm{Ca}}^{2+}]$ (например, в пресных или изменённых по химии водах) напрямую снижает $\Omega$ и усложняет осаждение ${\mathrm{CaCO}}_3$.
- Аргонито‑образующие организмы (кораллы, многие моллюски, птероподы) чувствительнее, чем организмы, осаждающие кальцит. Личиночные стадии особенно уязвимы.
- При $\Omega$ близком к 1 увеличивается энергетическая стоимость кальцификации — организмы тратят больше энергии на рост/ремонт раковин, что снижает выживаемость, рост и воспроизводство.
Примеры и масштабы
- Исторические/современные числа: $p{H}_{pre\text{-}industrial}\approx 8.2,p{H}_{now}\approx 8.1,p{H}_{2100}$ по сценариям может упасть до $\approx 7.8$. Это изменение уже снизило глобально $[{\mathrm{CO}}_3^{2-}]$ и $\Omega$ в открытых океанах.
- В холодных и прибрежных районах с апвеллингом и низкой буферностью снижение $\Omega$ происходит сильнее; в полярных районах аргонитовая насыщенность может опускаться до $\Omega <1$ уже сейчас для некоторых слоёв воды.
Экологические последствия
- Прямые биологические эффекты: замедленный рост раковин, тонкие/деформированные раковины, повышенная смертность личинок, снижение репродуктивной эффективности.
- Сдвиги сообщества: чувствительные виды вымирают или отступают, более устойчивые (не кальцифицирующие) виды доминируют — изменение структуры пищевых цепей.
- Ущерб коралловым рифам: снижение темпов строительства рифа, усиленная эрозия → потеря среды обитания, снижения биоразнообразия, утрата прибрежной защиты и туризма/рыболовства.
- Последствия для рыбной экономии: снижение запасов организмов, важных для промысла; косвенные эффекты через пищевые сети.
- Геохимические и клим. обратные связи: изменение седиментации карбоната и буферных свойств океана, сдвиги в глобальном круговороте углерода.
Краткая сводка
- pH и концентрации ${\mathrm{Ca}}^{2+}$ и ${\mathrm{CO}}_3^{2-}$ контролируют насыщенность $\Omega$, от которой зависит рост/устойчивость раковин.
- Закисление океана (снижение pH) снижает $[{\mathrm{CO}}_3^{2-}]$ и $\Omega$, усложняя кальцификацию и повышая риск растворения — что приводит к биологических и экосистемных последствиям (ослабление рифов, изменения сообществ, экономические потери).