Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

5.5: Діоксид вуглецю, рН та підкислення океану

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    36699

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Кисень і вуглекислий газ беруть участь в одних і тих же біологічних процесах в океані, але протилежними способами; фотосинтез споживає СО 2 і виробляє O 2, в той час як дихання і розкладання споживають O 2 і виробляють СО 2. Тому не варто дивуватися, що океанічні профілі CO 2 по суті протилежні профілям розчиненого кисню (рис.\(\PageIndex{1}\)). На поверхні фотосинтез споживає СО 2, тому рівні CO 2 залишаються відносно низькими. Крім того, організми, які утилізують карбонат в своїх оболонках, поширені поблизу поверхні, ще більше зменшуючи кількість розчиненого СО 2.

    У більш глибокій воді концентрація CO 2 збільшується, оскільки дихання перевищує фотосинтез, а розкладання органічної речовини додає додатковий CO 2 у воду. Як і у випадку з киснем, часто на глибині більше CO 2, оскільки холодна донна вода утримує більше розчинених газів, а високий тиск збільшує розчинність. Глибока вода в Тихому океані містить більше CO 2, ніж в Атлантиці, оскільки вода Тихого океану старіша і накопичила більше CO 2 від дихання донних організмів.

    Рисунок\(\PageIndex{1}\) Представницькі профілі вуглекислого газу для Тихого та Атлантичного океанів (PW).

    Але поведінка вуглекислого газу в океані є більш складним, ніж може припустити наведена вище цифра. Коли газ CO 2 розчиняється в океані, він взаємодіє з водою, утворюючи ряд різних сполук відповідно до реакції нижче:

    СО 2 + Н 2 О ↔ Н 2 СО 3 ↔ Н + ГСО 3 — ↔ 2Н + СО 3 2-

    СО 2 реагує з водою з утворенням вугільної кислоти (H 2 CO 3), яка потім дисоціює на бікарбонат (HCO 3 -) і іони водню (H +). Іони бікарбонату можуть додатково дисоціюватися на карбонат (СО 3 2-) і додаткові іони водню (рис.\(\PageIndex{2}\)).

    \(\PageIndex{2}\)Малюнок Доля розчиненого вуглекислого газу в океанах. Велика частина вуглецю закінчується у вигляді бікарбонату (PW).

    Велика частина CO 2, що розчиняється або виробляється в океані, швидко перетворюється на бікарбонат. На бікарбонат припадає близько 92% CO 2, розчиненого в океані, а карбонат становить близько 7%, тому лише близько 1% залишається як СО 2, і мало поглинається назад у повітря. Швидке перетворення СО 2 в інші форми заважає йому досягти рівноваги з атмосферою, і таким чином вода може утримувати в 50-60 разів більше СО 2 і його похідних, ніж повітря.

    СО 2 і рН

    Рівняння вище також ілюструє роль вуглекислого газу як буфера, що регулює рН океану. Нагадаємо, що рН відображає кислотність або основність розчину. Шкала рН працює від 0 до 14, при цьому 0 вказує на дуже сильну кислоту, а 14 представляє дуже основні умови. Розчин з рН 7 вважається нейтральним, як і у випадку з чистою водою. Значення рН обчислюється як від'ємний логарифм концентрації іонів водню за рівнянням:

    рН = -лог 10 [H +]

    Тому висока концентрація іонів Н + призводить до низького рН і кислого стану, тоді як низька концентрація Н + вказує на високий рН і основні умови. Слід також зазначити, що pH описується за логарифмічною шкалою, тому кожна зміна точки за шкалою рН насправді являє собою зміну міцності розчину на порядок (10 х). Так рН 6 в 10 разів більш кислий, ніж рН 7, а рН 5 в 100 разів (10 х 10) більш кислий, ніж рН 7.

    Вуглекислий газ та інші вуглецеві сполуки, перераховані вище, відіграють важливу роль у буферизації рН океану. В даний час середній показник рН для світового океану становить близько 8,1, тобто морська вода є трохи основною. Оскільки більша частина неорганічного вуглецю, розчиненого в океані, існує у вигляді бікарбонату, бікарбонат може реагувати на порушення рН шляхом вивільнення або включення іонів водню в різні вуглецеві сполуки. Якщо рН підвищується (низький [H +]), бікарбонат може дисоціюватися на карбонат і виділяти більше H+ іонів, тим самим знижуючи рН. І навпаки, якщо рН стає занадто низьким (високий [H +]), бікарбонат і карбонат можуть включати деякі з цих H+іонів і виробляти бікарбонат, вугільну кислоту або CO 2 для видалення іонів H + та підвищення рН. Шатункуючи іони H + назад і назад між різними сполуками в цьому рівнянні, рН океану регулюється і умови залишаються сприятливими для життя.

    CO 2 та підкислення океану

    В останні роки зростає стурбованість явищем закислення океану. Як описано в вищеописаних процесах, додавання СО 2 в морську воду знижує рН води. Оскільки антропогенні джерела атмосферного CO 2 збільшилися з часів промислової революції, океани поглинають все більшу кількість CO 2, і дослідники задокументували зниження рН океану приблизно з 8,2 до 8,1 в минулому столітті. Це може здатися не значною зміною, але пам'ятайте, що оскільки рН знаходиться на логарифмічній шкалі, це зниження становить 30% підвищення кислотності. Слід зазначити, що навіть при рН 8,1 океан насправді не кислий; термін «підкислення» позначає той факт, що рН стає нижчим, тобто вода рухається в бік більш кислих умов.

    \(\PageIndex{3}\)На малюнку представлені дані спостережних станцій на Гавайських островах та навколо них. Зі збільшенням рівня CO 2 в атмосфері вміст CO 2 в океанській воді також збільшився, що призвело до зниження рН морської води. Деякі моделі припускають, що при поточній швидкості додавання CO 2 до атмосфери до 2100 рН океану може бути ще більше зменшений до приблизно 7,8, що означало б збільшення кислотності океану на 120% після промислової революції.

    Малюнок\(\PageIndex{3}\) Зміни атмосферного CO 2 (червоний), морської води CO 2 (зелений) і pH (синій) на Гавайських островах (NOAA PMEL).

    Чому це важливо? Зниження рН може вплинути на багато біологічних систем. Особливе занепокоєння викликають організми, які виділяють карбонатні оболонки кальцію або скелети, такі як корали, молюски, а можуть планктонні організми. При більш низьких рівнях рН карбонат кальцію розчиняється, розмиваючи оболонки і скелети цих організмів (рис.\(\PageIndex{4}\)).

    Малюнок\(\PageIndex{5}\) Результати експерименту з розміщення карбонатних оболонок кальцію птерапод в морській воді з рН 7,8, прогнозований рН океану на 2100 рік при поточних темпах підкислення. У верхньому ряду показані раковини перед експериментом, а нижній - розчинення оболонок після 45 днів витримки (NOAA).

    Зниження рН не тільки призводить до збільшення швидкості розчинення карбонату кальцію, але й зменшує кількість вільних карбонатних іонів у воді. Відносні пропорції різних вуглецевих сполук в морській воді залежать від рН (рис.\(\PageIndex{6}\)). У міру зниження рН кількість карбонату зменшується, тому організми менш доступні для включення в свої оболонки та скелети. Таким чином, підкислення океану як розчиняє існуючі оболонки, так і ускладнює формування оболонки.

    Малюнок\(\PageIndex{6}\) Пропорції вуглецевих сполук в океані при різних рівнях рН. У міру зниження рН океану частка карбонатних іонів також зменшується, зменшуючи швидкості утворення оболонки (NOAA).

    Додаткові посилання для отримання додаткової інформації: