افت پی‌اچ از ۸.۲ به ۸.۱: دی‌اکسید کربن انسانی چگونه یون‌های کربنات را کاهش داده و ارگانیسم‌های آهک‌ساز را تهدید می‌کند

اقیانوس‌های جهان به‌عنوان سپر شیمیایی اصلی سیاره عمل می‌کنند و دقیقاً تعیین می‌کنند که چه مقدار دی‌اکسید کربن اضافی می‌تواند پیش از فروپاشی اکوسیستم دریایی، به‌طور ایمن از جو زمین جدا و ذخیره شود. از زمان آغاز انقلاب صنعتی، اقیانوس‌های جهان تقریباً ۳۰ درصد از کل انتشار دی‌اکسید کربن ناشی از فعالیت‌های انسانی را جذب کرده‌اند. این انتقال عظیم کربن، با موفقیت شدیدترین سناریوهای گرمایش جوی را کاهش داده، اما بحران حرارتی را به یک بحران شیمیایی تبدیل کرده است.[1][4]

وقتی دی‌اکسید کربن در آب دریا حل می‌شود، صرفاً به‌صورت یک گاز معلق باقی نمی‌ماند. این گاز فوراً با مولکول‌های آب واکنش می‌دهد تا اسید کربنیک بسازد؛ ترکیبی ضعیف اما با پیامدهایی بسیار سنگین. این اسید به‌سرعت تجزیه شده و یون‌های هیدروژن آزاد را در آب اطراف رها می‌کند. انباشت همین یون‌های هیدروژن است که پدیده اسیدی شدن اقیانوس‌ها را پیش می‌راند و شیمی پایه‌ای را که حیات دریایی ده‌ها میلیون سال به آن وابسته بوده، به‌طور بنیادین تغییر می‌دهد.[1][7]

مقیاس این تغییر شیمیایی اغلب در پسِ معیاری که برای اندازه‌گیری آن استفاده می‌شود، پنهان می‌ماند. پیش از عصر صنعتی، میانگین پی‌اچ سطح اقیانوس‌های جهان حدود ۸.۲ بود. امروزه، این میانگین به ۸.۱ کاهش یافته است. از آنجا که مقیاس پی‌اچ لگاریتمی است، این کاهش ظاهراً ناچیز ۰.۱ واحدی، نشان‌دهنده یک تغییر ساختاری عظیم در ستون آب است.[4]

به‌طور دقیق‌تر، افت از ۸.۲ به ۸.۱ به معنای افزایش ۲۵.۹ درصدی در غلظت مطلق یون‌های هیدروژن در اقیانوس است. این سرعت از اسیدی شدن، سریع‌تر از هر تغییر شناخته‌شده‌ای در شیمی اقیانوس‌ها طی ۵۰ میلیون سال گذشته در حال وقوع است و از توانایی بسیاری از اکوسیستم‌های دریایی برای سازگاری طبیعی پیشی می‌گیرد.[4][8]

هجوم یون‌های هیدروژن یک واکنش زنجیره‌ای شیمیایی ثانویه و مخرب‌تر ایجاد می‌کند. یون‌های هیدروژن آزاد به‌شدت واکنش‌پذیر هستند و با تهاجم به دنبال یون‌های کربنات شناور در آب دریا می‌گردند تا با آن‌ها پیوند خورده و بی‌کربنات تشکیل دهند. این واکنش به‌طور فعال یون‌های کربنات را از ستون آب بیرون می‌کشد و دسترسی کلی به آن‌ها را کاهش می‌دهد.[1][4][7]

این کاهش، تهدید مکانیکی اصلی برای حیات دریایی است. ارگانیسم‌های آهک‌ساز—دسته وسیعی که شامل صدف‌های خوراکی، صدف‌های دوکفه‌ای، توتیای دریایی، مرجان‌های آب‌های کم‌عمق، مرجان‌های اعماق دریا و پلانکتون‌های آهکی می‌شود—برای ساخت و حفظ صدف‌ها و ساختارهای اسکلتی خود به فراوانی یون‌های کربنات وابسته‌اند. آن‌ها کلسیم و کربنات را از آب استخراج می‌کنند تا کربنات کلسیم بسازند.[1][4][5]

هنگامی که یون‌های کربنات کمیاب می‌شوند، ارگانیسم‌های آهک‌ساز باید انرژی متابولیک بسیار بیشتری صرف کنند تا یون‌های باقی‌مانده را از آب استخراج کنند. این انحراف انرژی، منابع کمتری را برای رشد، تولیدمثل و دفاع ایمنی آن‌ها باقی می‌گذارد. اگر غلظت کربنات بیش از حد کاهش یابد، آب خاصیت خورندگی پیدا می‌کند و ساختارهای کربنات کلسیم موجود در واقع شروع به حل شدن دوباره در اقیانوس می‌کنند.[1][5]

آسیب‌پذیری یک گونه به‌شدت به ساختار بلوری خاص کربنات کلسیمی که تولید می‌کند بستگی دارد. ارگانیسم‌های دریایی معمولاً صدف‌های خود را با استفاده از یکی از دو شکل معدنی می‌سازند: کلسیت یا آراگونیت. آراگونیت به‌طور قابل‌توجهی انحلال‌پذیرتر از کلسیت است، به این معنی که ارگانیسم‌های وابسته به آن، اولین قربانیان افت پی‌اچ هستند.[2][5]

پتروپودها که اغلب پروانه‌های دریایی نامیده می‌شوند، حلزون‌های دریایی کوچکی هستند که پایه شبکه غذایی را در بسیاری از اکوسیستم‌های عرض‌های جغرافیایی بالا تشکیل می‌دهند و کاملاً به آراگونیت وابسته‌اند. مشاهدات میدانی پیش‌تر انحلال شدید صدف در پتروپودهای زنده را در مناطقی ثبت کرده‌اند که جریان‌های فراچاهنده، آب‌های عمیق و به‌طور طبیعی اسیدی را به سطح می‌آورند و بار کربن انسانی را تشدید می‌کنند.[3][5]

عمقی که در آن آراگونیت شروع به حل شدن می‌کند، به‌عنوان افق اشباع آراگونیت شناخته می‌شود. از نظر تاریخی، این افق در اعماق ستون آب قرار داشت و اقیانوس فوقانی را کاملاً اشباع و برای ارگانیسم‌های آهک‌ساز مساعد نگه می‌داشت. با جذب بیشتر دی‌اکسید کربن توسط اقیانوس، این مرز خورنده در حال حرکت به سمت بالا است و زیستگاه مناسب برای گونه‌های وابسته به آراگونیت را کوچک‌تر می‌کند.[2][6]

پیامدهای بیولوژیکی بسیار فراتر از خود ارگانیسم‌های آهک‌ساز است. پتروپودها منبع غذایی اصلی برای ماهی‌های آزاد جوان اقیانوس آرام و سایر گونه‌های ماهی با اهمیت تجاری هستند. اگر پایه شبکه غذایی به دلیل انحلال صدف‌ها فرو بپریزد، اثرات آن به سمت بالا تا شکارچیان رأس هرم و شیلات انسانی کشیده خواهد شد.[3][5]

باربل هونیش، زیست‌شناس و اقیانوس‌شناس در رصدخانه زمین لامونت-دوهرتی دانشگاه کلمبیا، ماهیت دوگانه بحران کربن را این‌گونه خلاصه کرد. هونیش اظهار داشت: اسیدی شدن اقیانوس‌ها دوقلوی شیطانی گرمایش جهانی نامیده شده است. این روی دیگر مشکل دی‌اکسید کربن است. همان‌طور که ما اسیدیته آب دریا را افزایش می‌دهیم، این امر بر ارگانیسم‌ها تأثیر می‌گذارد.[3]

در حالی که مکانیسم شیمیایی اسیدی شدن اقیانوس‌ها غیرقابل انکار است، واکنش بیولوژیکی همچنان یک حوزه تحقیقاتی فعال است. شواهد بسیار قوی نشان می‌دهند که در شرایط آزمایشگاهی شبیه‌سازی‌کننده سطوح پی‌اچ در آینده، نرخ آهک‌سازی کاهش و انحلال صدف‌ها افزایش می‌یابد. با این حال، شواهد در مورد سازگاری تکاملی بسیار ضعیف‌تر است.[5][6]

محققان هنوز نمی‌دانند که نجات تکاملی طی چند نسل تا چه حد ممکن است به برخی گونه‌ها اجازه دهد تا با محیط‌هایی با پی‌اچ پایین‌تر سازگار شوند. برخی مطالعات نشان می‌دهند که فیتوپلانکتون‌های خاصی مانند کوکولیتوفورها ممکن است در شرایط خاصِ کربن بالا، آهک‌سازی را افزایش دهند، که نشان می‌دهد واکنش بیولوژیکی در بین تمام گونه‌ها یکسان نخواهد بود.[5][6]

با وجود این موارد پراکنده از تاب‌آوری، روند کلان به سمت اختلال شدید در اکوسیستم اشاره دارد. بر اساس گزارش هیئت بین‌دولتی تغییر اقلیم، اگر مسیرهای فعلی انتشار گازهای گلخانه‌ای ادامه یابد، میانگین پی‌اچ سطح اقیانوس‌ها تا پایان قرن می‌تواند به بین ۷.۷ تا ۷.۹ سقوط کند.[4]

افت به ۷.۸ نشان‌دهنده افزایش ۱۵۰ درصدی اسیدیته در مقایسه با سطوح پیش از عصر صنعتی است. در آن آستانه، ظرفیت سپر شیمیایی اقیانوس به‌طور بنیادین در هم می‌شکند و بخش‌های وسیعی از اقیانوس‌های جهان را کاملاً از یون‌های کربنات مورد نیاز برای حفظ تنوع زیستی کنونی دریاها، غیراشباع و تهی رها می‌کند.[2][4][8]