Havforsuring

Havforsuring er et begrep som brukes om den pågående nedgangen i pH-verdien i verdenshavene forårsaket av deres opptak av menneskelige utslipp av karbondioksid fra Jordens atmosfære. Det er beregnet at pH-verdien i havene mellom 1751 og 1994 gikk ned fra omtrent 8,179 til 8,104, en endring på -0,075 på den logaritmiske pH-skalaen som tilsvarer en økning på 18,9 % i H+-konsentrasjonen (surhet).
I det første tiåret i det 21. århundret derimot, var det en netto endring i havenes pH-nivå, kontra nivået før den industrielle revolusjon på omtrent -0,11. Dette representerer en økning i surhet på 30 % i verdenshavene.
Karbonkretsløpet omfatter utvekslingen av luftas karbondioksid med havene, Jordens landbaserte biosfære, og litosfæren. Menneskelige aktiviteter som forbrenning av fossilt petroleum, arealendringer, og produksjon av sement, har ført til en ny fluks av karbondioksid opp i atmosfæren. Noe av denne gassmengden har forblitt i atmosfæren, noe har blitt tatt opp av landbaserte planter og noe har gått ned i havene.
Karbonkretsløpet kan deles i to: Det organiske og det uorganiske. Det uorganiske kretsløpet er spesielt relevant for havforsuring, siden det inkluderer de mange formene av oppløst karbondioksid i verdenshavene.
Når karbondioksid løses opp, reagerer det med vann og danner en jevn fordeling av ioniske og ikke-ioniske komponenter: Oppløst, fritt karbondioksid, karbonsyre, bikarbonat og karbonat. Det innbyrdes mengdeforholdet av disse komponentene avhenger av faktorer som vanntemperatur og alkaliteten (vannets evne til å nøytralisere en sterk syre ved en bestemt pH-verdi).
Oppløst karbondioksid i sjøvann øker konsentrasjonen av hydrogenioner i havet, og senker derfor havets pH. CO2 løses opp i sjøvann og det skjer en kjemisk reaksjon der det dannes karbonsyre (H2CO3). H2CO3 reagerer videre og danner hydrogenioner, som reagerer med karbonat (CO3) oppløst fra havets kalkstein og andre mineraler, som igjen reagerer og danner hydrogenkarbonat (HCO3). Dette uorganiske karbonet, som ikke innlemmes i organisk karbon via fotosyntese, blir til uoppløselige ioniske salter, hvorav størstedelen er kalsiumkarbonat (Ca2CO3). Ca2CO3 er uoppløselig, og blir til bunnfall. Imidlertid er det mange organismer i havet som bruker Ca2CO3 som byggesteiner, for eksempel koraller, skalldyr og plankton.
Etter hvert som CO2-konsentrasjonen i atmosfæren øker, tas stadig mer CO2 opp i havet. Konsentrasjonen av H-ioner øker, mens konsentrasjonen av CaCO3 og CO3-ioner reduseres. Effekten av dette er at havets pH-verdi synker og havet blir surere. Surheten i de øverste vannlagene har blitt redusert fra 8,2 til 8,1 pH de siste hundre år. På denne tiden har havet tatt opp 100 GtC eller omtrent 370 Gt (Gigatonn) CO2
Siden den industrielle revolusjon begynte, er det beregnet at pH-verdien nær havoverflaten har sunket med litt over 0,1 enheter på den logaritmiske pH-skalaen, noe som representerer en omtrentlig økning på 29 % i konsentrasjonen av hydrogenioner. Det er også blitt beregnet at pH-nivået vil synke med ytterligere 0,3 til 0,5 enheter innen 2100 idet havene absorberer mer karbondioksid. Disse endringene er anslått til å fortsette å øke hurtig idet havene tar opp mer av de menneskeskapte CO2-utslippene fra atmosfæren, men graden av endringer i havkjemien avhenger av utslippsscenarioene som samfunnet legger seg på. Merk at selv om havet blir surere, så er fremdeles dets pH-verdi over 7, så man kan også si at havet blir mindre basisk.
En av de første detaljerte datasettene som undersøkte variasjoner i pH-verdien i tempererte kyststrøk, viste at forsuringen skjedde i et mye raskere tempo enn det man tidligere var klar over, med tilhørende konsekvenser for kystnære økosystemer.
I desember 2009 antok en rapport fra National Geographic at surheten i havene ville doble seg i løpet av de neste 40 årene. En slik hastighet på forsuringen er 100 ganger raskere enn noen endringer i havets surhet i løpet av de siste 20 millioner år, noe som gjør det usannsynlig at livet i havet kan tilpasse seg til forandringene.
Forskning ved Universitetet i Bristol, som ble publisert i tidsskriftet Nature Geosciences i februar 2010, sammenlignet nåværende forsuring med drivhuseffekten i overgangen mellom epokene paleocen og eocen for 55 millioner år siden. Den gang ble organismene i havet utsatt for en masseutryddelse etter som overflatetemperaturen i havet steg med 5 til 6 grader celsius. Forskerne konkluderte med at den nåværende forsuringen er på vei til å bli høyere enn på 65 millioner år. Studien fant også ut at den nåværende forsuringen er ti ganger raskere enn ved masseutryddelsen for 55 millioner år siden. En studie fra National Research Council som ble publisert i april 2010 konkluderte også med at havforsuringen i dag er en unik hendelse.
En gjennomgang av en rapport fra Royal Society foretatt av klimaforskerne ved bloggen RealClimate påpekte også at dagens havforsuring er eksepsjonell, og de skrev: «Det naturlige pH-nivået i havet er bestemt av en balanse mellom avsetningen og nedgravingen av kalsiumkarbonat på havbunnen mot en fluks av kalsiumioner og karbonationer inn i havet fra oppløste bergarter på land. Disse prosessene stabiliserer pH-verdien i havet gjennom en mekanisme som kalles for karbonat-kompensasjon... Poenget med å bringe dette opp igjen er for å merke seg at hvis CO2-konsetrasjonen i atmosfæren forandrer seg senere enn dette, som det alltid har gjort i Vostok-målingene, så vil pH-verdien i havet forbli relativt uforandret på grunn av karbonat-kompenseringen. Den nåværende forsuringen er mye raskere enn naturlige forandringer, og derfor vil surhetstoppen blir mer intens enn Jorden har sett i hvert fall i løpet av de siste 800 000 år.»
En artikkel i Scientific American publisert i juli 2010 siterte geolog William Howard ved Antarctic Climate and Ecosystems Cooperative Research Center i Hobart i Tasmania som sa at den nåværende forsuringen er omtrent 100 ganger raskere enn de raskeste hendelsene i den geologiske fortid. Forskning ved Universitetet i Sør-Florida har vist at i løpet av 15-årsperioden fra 1995 til 2010 alene, har surheten økt med 6 % i de øverste 100 meterne i Stillehavet fra Hawaii til Alaska.
Forandringer i havkjemien kan ha en betydelig direkte eller indirekte effekt på organismer og deres leveområder. En av de viktigste konsekvensene av økt havforsuring handler om produksjonen av skjell og plater fra kalsiumkarbonat. Denne prosessen kalles forkalkning, og er viktig for at en rekke organismer i havet skal overleve. Etter at skjell- og platestrukturer har blitt dannet, er de sårbare for oppløsning hvis det ikke finnes konsentrasjoner av karbonationer i det omkringliggende havvannet. Metningstilstanden til sjøvann for et mineral (kjent som Ω) er et mål på det termodynamiske potensialet til det mineralet for enten å dannes eller oppløses, og den er beskrevet ved følgende ligning:
Ω = [ C a 2 + ] [ C O 3 2 − ] K s p {\displaystyle {\Omega }={\frac {\left[Ca^{2+}\right]\left[CO_{3}^{2-}\right]}{K_{sp}}}}
Her er Ω produktet av konsentrasjonene av de reaktive ionene som danner mineralet (Ca og CO3), delt med produktet av konsentrasjonene av disse ionene når mineralet er i kjemisk likevekt, med andre ord når mineralet verken dannes eller løser seg opp. I sjøvann dannes det en naturlig horisontal grense som et resultat av temperatur, trykk, og dybde, og er kjent som metningshorisonten. Over denne metningshorisonten har Ω en verdi større enn 1, og kalsiumkarbonat løser seg ikke opp. De fleste forkalkende organismer lever i slike havområder. Nedenfor denne dybden har Ω en større verdi enn 1, og kalsiumkarbonat vil løse seg opp. Men hvis produksjonen av kalsiumkarbonat er høy nok til å kompensere for denne oppløsningen, så vil dette stoffet fremdeles eksistere hvor Ω er mindre enn 1. Karbonat-kompensasjonsdybden inntreffer på dybder i havet hvor produksjonen er overgått av oppløsningen.
Kalsiumkarbonat inntreffer i to vanlige former: aragonitt og kalsitt. Aragonitt er mye mer løselig enn kalsitt, med det resultatet at metningshorisonten til aragonitt er alltid nærmere overflaten enn den er for kalsitt. Dette betyr også at de organismene som produserer aragonitt kan være mer sårbare for endringer i havkjemien enn de som produserer kalsitt. Økende CO2-nivåer og det resulterende lavere pH-nivået i sjøvannet senker metningstilstanden til kalsiumkarbonat og hever metningshorisonten til begge variantene nærmere overflaten. Man tror denne nedgangen i metningstilstanden er en av hovedfaktorene som fører til redusert forkalkning hos marine organismer, da det har blitt oppdaget at den inorganiske utfellingen av kalsiumkarbonat er direkte proporsjonal til dens metningstilstand.
Selv om den naturlige absorpsjonen av CO2 i havene hjelper til med å bremse den globale oppvarmingen, er det ventet at den resulterende nedgangen i pH vil ha negative konsekvenser, hovedsakelig for organismer som bruker forkalkning for å danne skall og plater. Disse finnes over hele næringskjeden fra krill og plankton til hele korallrev. Som beskrevet ovenfor synker konsentrasjonen av karbonationer når pH-verdien synker, og da blir strukturer laget av kalsiumkarbonat sårbare for oppløsning.
Forskning har allerede funnet ut at koraller, planteplankton, kalkalger, skalldyr og sjøsnegler opplever redusert forkalkning eller økt oppløsning når de blir utsatt for økte nivåer av CO2. Royal Society i London publiserte en omfattende oversikt over havforsuring og dets potensielle konsekvenser i juni 2005. Men noen studier har oppdaget forskjellige reaksjoner på havforsuring som blant annet økt fotosyntese med økte CO2-nivåer. Selv om de fulle økologiske konsekvensene av disse endringene i forkalkning fremdeles er usikre, så er det sannsynlig at mange forkalkende arter vil bli hardt rammet. Eksperimenter med slangestjerne-larver som ble utsatt for en pH-verdi redusert med 0.2 til 0.4, viste at mindre enn 0.1 prosent overlevde i mer enn åtte dager.
I tillegg til forkalkning, så vil organismer bli rammet på andre måter også, enten direkte gjennom effekter på forplantning og fysiologi eller indirekte gjennom negativ innvirkning på mattilgangen. Havforsuring kan også tvinge enkelte arter til å måtte flytte ressurser vekk fra forplantning og næringsinntak for å kunne opprettholde den interne pH-verdien i cellene. Det har også blitt foreslått at havforsuring vil endre de akustiske egenskapene til sjøvann, noe som vil tillate at lyder forplanter seg over lengre avstander, og dette vil ha en innvirkning på dyr som bruker lyd for å navigere. Men også her er det ennå ikke en full forståelse for disse prosessene i økosystemer i havet.
Som en konsekvens av de biologiske effektene venter man at havforsuringen i fremtiden vil føre til en betraktelig nedgang i dannelsen av karbonatsedimenter for flere århundrer frem i tid. Dette vil føre til at havet kan ta opp mer CO2, som kan ha en moderat (og kanskje fordelaktig) innvirkning på global oppvarming.