Защо океанът действа като гигантски буфер, който забавя ефектите на глобалното затопляне и каква е цената на това

Една от основните заплахи от увеличаването на въглеродните емисии е вкиселяването на морската вода

Емил Гачев е част от авторския кръг на Климатека. Той е доцент в катедра “География, екология и опазване на околната среда” към Природо-математическия факултет на Югозападния университет „Неофит Рилски“, като работи и в департамент “География“ към НИГГГ-БАН. Докторска степен в специалност “Ландшафтознание” получава през 2005 г. от ГГФ на СУ „Св. Климент Охридски“. Оттогава се занимава с научно-изследователска работа в сферите на геоморфологията (ледников и криогенен релеф), хидрологията (изследвания на планински езера), глациологията (съвременни ледникови микроформи) и климатичните промени в планините на България и Балканския полуостров. Преподавател е по хидрология, геология (ЮЗУ) и ландшафтна екология (УАСГ).

Океанът е огромен природен буфер, който смекчава ефекта, оказван върху атмосферата от въглеродните емисии. Чрез механизмите на карбонатната система, той успява да абсорбира до 60% от отделяния от човека въглероден диоксид. Цената за това обаче е увеличаване на киселинността на водата, като само за последните 30 години средната величина на pH в повърхностните води е намаляла от 8,3 на 8,1, което съответства на нарастване на киселинността с 30%. Освен че тази промяна е заплаха за морските организми, в дългосрочен план проблемът е, че ако нивото на киселинност се повиши твърде много, капацитетът на океанската вода да поема въглероден диоксид рязко ще се понижи.

Какво представлява карбонатната система на Световния океан?

Карбонатната система е верига от химични взаимодействия, чрез които океанската вода приема, натрупва и отделя карбонатни съединения и въглероден диоксид.

Карбонатната система е основен инструмент, чрез който океанът участва във въглеродния баланс на планетата и в „неутрализиране“ на въглеродните емисии чрез тяхното поглъщане и задържане.

Въглеродният диоксид (СО2) е един от газовете с основно значение за биологичните и атмосферните процеси. В морската вода той попада от въздуха или в резултат на жизнената дейност на организмите (при дишането и при разлагане на органични вещества).

Съществува директна връзка между количеството на разтворения въглероден диоксид и киселинността на водата.

Най-напред нека с няколко думи поясним какво означава киселинност на водата. В природата водата притежава удивителното свойство да разтваря почти всички вещества. Но какво е “разтваряне”? Както знаем, водната молекула съдържа един атом кислород и два атома водород, съединени един с друг на принципа на съвместяване на общи електрони, като двата водородни атома застават от едната страна на кислородния атом. Тъй като кислородът има осем електрона, а водородите – само по един, повечето електрони във водната молекула се намират около кислородния атом. Затова водната молекула е асиметрична – зоната около кислородния атом е отрицателно заредена, а около водородите има положителен заряд. Когато във водата попадне молекула на друго вещество, водните частици я “разбиват” на йони, като самите те се разделят на водородни (Н+) и хидроксилни (ОН-) йони. Положително заредените водородни йони привличат отрицателните йони на постъпилото във водата вещество, а отрицателните хидроксилни придърпват положителнио заредените частици на веществото. Това практически е процесът на разтваряне. Поради това, че във водата постоянно има разтворени вещества, в нея винаги известно количество от молекулите са разделени на йони. Киселинността (или реакцията) показва какво е съотношението между водородните (Н+) и хидроксилните (ОН-) йони във водата. При вода с неутрална реакция концентрацията на водородните йони е еднаква с тази на хидроксилните йони, като е равна на около 10-7 mol/l. Колкото повече са водородните йони, толкова по-голяма е киселинността на водата.

За измерване на киселинността е въведен числов показател – pH, който представя концентрацията на ОН йоните в опростен вид – само степенният показател, и то без отрицателния знак. Тоест, при неутрална реакция на разтвора, рН е равно на 7. Така изразената числова величина може да се изменя от 0 до 14. При стойности под 7 реакцията на водата е кисела (водородните йони са повече от хидроксилните), а при стойности над 7 реакцията е алкална (тогава съотношението е в полза на хидроксилните йони). Скалата е логаритмична: намаляването на рН с 1 единица означава десетократно увеличаване на концентрацията на водородните йони и десетократно намаляване на концентрацията на хидроксилните йони. Киселинността има определящо значение за химичните свойства на водата, както ще стане ясно от следващото изложение.
Да се върнем на карбонатната система      

По-голямата част от въглеродния диоксид се съдържа във водата в разтворено състояние и едва около 0,5% реагират химически с нея, като образуват въглена киселина (H2CO3). От своя страна, разтворената въглена киселина се дисоциира (разделя) на водороден катион (Н+) и хидрокарбонатен анион (HCO3–), който може да се преобразува до карбонатен анион (CO32-). Тези реакции са обратими и протичат постоянно във водата в двете посоки, в зависимост от прихода и разхода на вещества в системата. Увеличаването на концентрацията на въглероден диоксид води до образуване на повече въглена киселина и оттам до повишаване на съдържанието на водородни йони – водата повишава киселинността си.  

Тези основни химически взаимодействия в карбонатната система се илюстрират със следната формула:

CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3– ↔ 2H+ + CO32-

От своя страна, поглъщането на въглеродния диоксид от атмосферата в океана зависи от температурата на водата, но и от концентрацията му във въздуха. По отношение на газовете, студените води имат по-голяма разтворимост.

Вторият важен компонент в карбонатната система е притокът на разтворени от речната и морската вода компоненти от варовикови и други химически разтворими скали – предимно хидрокарбонатни (HCO3–), калциеви (Ca2+) и по-малко магнезиеви (Mg2+) йони. В повърхностните слоеве на водните басейни, особено в крайбрежните области, става насищане и дори пресищане на водите с такива компоненти. До химическо утаяване на калциев карбонат (CaCO3) на дъното на океана обаче се стига изключително рядко, понеже калциевите и карбонатните йони се извличат от морските организми, които изграждат своите скелети и черупки от калциев карбонат. След смъртта на организмите, техните карбонатни останки се отлагат на дъното и след дълго уплътняване и спояване могат да се превърнат пак във варовикови скали.

Фигура 1. Химични взаимодействия на въглеродния диоксид във водата – при разграждането на молекула CO2 във водата се отделя един карбонатен йон, но потенциално се свързват два, което води до намаляване на концентрацията на свободни карбонатни йони. Източник: Климатека.

По този начин, чрез действието на карбонатната система, океанът поглъща едно значително количество от атмосферния въглероден диоксид. В процесите на постоянен обмен на газове между хидросферата и атмосферата, въглеродният диоксид, който фигурира във водата под форма на разтворен газ или на въглена киселина, може по всяко време да се върне обратно във въздуха. В същото време тази част от въглеродния диоксид, който се намира под формата на химически разградени от водата компоненти, не може да се върне в атмосферата, поне докато е в такъв вид, и остава в океана. Попадайки във водните басейни (както в моретата, така и в езерата и реките), въглеродният диоксид участва в биологичните процеси. Сред тях най-значими са фотосинтезата и дишането, които са химически противоположни.