Кратко и по существу — как рост парниковых газов меняет химию океана и биогеохимические циклы.
1) Основной механизм (карбонатная система)
- Атмосферный CO₂ растворяется в море: $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})\rightleftharpoons \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{aq})$. Дальше идут реакции:
$$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3\rightleftharpoons {\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{HC}{\mathrm{O}}_3^{-}\rightleftharpoons 2{\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3^{2-}$$ - Изменение баланса приводит к удельному росту ионов водорода: с доиндустриального уровня $\mathrm{pC}{\mathrm{O}}_2\approx 280\mathrm{ppm}$ до современного $\mathrm{pC}{\mathrm{O}}_2\approx 420\mathrm{ppm}$ поверхностный pH океана уже упал примерно на $\Delta pH\approx -0.1$. Это означает относительное увеличение концентрации протонов:
$$\frac{[H^{+}{]}_{now}}{[H^{+}{]}_{pre}}=10^{-(p{H}_{now}-p{H}_{pre})}\approx 10^{0.1}\approx 1.26$$ (т.е. ~25–30% увеличение [H+]).
2) Буферные системы и вместимость поглощения CO₂
- Полная неорганическая углеродность: $\mathrm{DIC}=[C{O}_2^{\ast }]+[HC{O}_3^{-}]+[C{O}_3^{2-}]$.
- Общая щелочность (TA) приближённо: $\mathrm{TA}\approx [HC{O}_3^{-}]+2[C{O}_3^{2-}]+[B(OH{)}_4^{-}]-[H^{+}]+\dots$.
- Буферная способность океана ограничена: фактор Ревеля показывает, как изменение DIC влияет на $\mathrm{pC}{\mathrm{O}}_2$:
$$\text{Revelle}=\frac{\Delta pC{O}_2/pC{O}_2}{\Delta DIC/DIC}.$$ Чем выше Revelle, тем менее эффективно океан принимает дополнительный CO₂ (быстро растущий $\mathrm{pC}{\mathrm{O}}_2$ при небольшом росте DIC).
3) Карбонатная насыщенность и кальцификация
- Насыщенность карбонатов: $\Omega =\frac{[C{a}^{2+}][C{O}_3^{2-}]}{K_{sp}}$. При $\Omega <1$ карбонатные структуры растворяются.
- Снижение $[C{O}_3^{2-}]$ уменьшает $\Omega$, затрудняет кальцификацию кораллов, моллюсков, кокколитофор и повышает риск эрозии коралловых рифов.
4) Влияние на биогеохимические циклы
- Цикл углерода: уменьшение поглощения $C{O}_2$ через физическое растворение (теплая вода хуже растворяет газ) и изменение Revelle-фактора; изменение биологического насоса (менее экспортируемой биомассы при стратификации) уменьшает перенос углерода в глубины.
- Азот: усиление стратификации и деоксигенация создаёт зоны денитрификации и анаэробного аммониокисления, увеличивая выход парникового газа оксида азота ${\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$. Изменения pH и питательных веществ влияют на $N_2$-фиксацию и спектр микрофлоры.
- Кислород и краснооксидные процессы: потепление и органическое обогащение уменьшают растворимость O₂ и усиливают потребление O₂, расширяя зоны гипоксии — это меняет редокс-потенциалы и трансформацию Fe, Mn, S и др.
- Сера: восстановление сульфатов в анаэробных условиях даёт H₂S в донных отложениях; изменение окисления/восстановления влияет на выходы серосодержащих газов и образование аэрозолей.
- Железо и микроэлементы: изменение циркуляции и окислительно-восстановительных условий меняет мобильность микроэлементов, лимитирующих фитопланктон (например, Fe), и потому влияет на продуктивность.
- Метан: оттаивание вечномерзлых и дегазация гидратов может освободить $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$; в океане CH_4 частично окисляется до CO₂ (что дополнительно кислотит воду) и/или попадает в атмосферу как сильный парниковый газ.
5) Обратные связи и масштабы времени
- Физико-химические обратные связи: потепление уменьшает растворимость газов (уменьшение поглощения CO₂), стратификация снижает подъем питательных веществ и биологический насос — положительная обратная связь.
- Геохимические восстановительные процессы действуют медленно: выветривание горных пород и доставка щёлочи в океан восстанавливают pH на тысячелетних временах.
- Временные шкалы: поверхности — десятилетия; глубокие океаны — столетия-сотни лет; геологическое выравнивание — 10^4–10^5 лет.
6) Последствия для экосистем и климата
- Химические изменения уменьшают кальцификацию, меняют состав пищевых цепей, снижают производство биомассы и эффективность биологического насоса.
- Нарастание зон гипоксии и увеличение эмиссий ${\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$ и $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ усиливают климатическую нагрузку — генерируются положительные обратные связи.
Краткая формула причинно-следственной цепочки:
$$\text{Рост}{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2}_{atm}\to \uparrow \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{aq})\to \uparrow [H^{+}],\downarrow [C{O}_3^{2-}]\to \downarrow \Omega \to \text{снижение кальцификации, изменение циклов C,N,O,S}$$
Вывод: химия океана — центральный посредник между антропогенным ростом парниковых газов и изменением биогеохимических циклов; она одновременно смягчает часть антропогенного CO₂ (поглощение), но создаёт проблемы (кислотность, снижение кальцификации, деоксигенация) и ряд положительных обратных связей, усиливающих климатические изменения.