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.

В крайна сметка, в резултат на жизнената дейност на организмите, част от въглеродния диоксид се складира на морското дъно и в земната кора под формата на карбонатни отложения и за по-дълго или за по-кратко излиза от активен обмен. Така се компенсира притокът в системата на карбонати от разтворените от речните и морските води карбонатни скали.

Между атмосферата и океана от хилядолетия се е установило равновесие в обмена на въглеродния диоксид и неговите производни продукти, образуващи се при химичните реакции във водна среда. Във връзка със специфичните особености на този обмен (съответно и на факта, че част от въглеродния диоксид се складира под формата на седименти), океанската вода се отличава със слабо алкална реакция (рН най-често между 7,9 и 8,3). Най-високи стойности (8,0 — 8,35) pH достига в повърхностния слой на океана, поради интензивното усвояване на въглероден диоксид в процесите на фотосинтеза. С увеличение на дълбочината, стойността на pH намалява, което е свързано с нарастването на концентрацията на въглероден диоксид. В хоризонтално направление най-алкални са водите в малките ширини, докато с нарастване на географската ширина величината на рН намалява.

Постоянно протичащите обратими реакции на химическо превръщане на свързания с водата въглероден диоксид в хидрокарбонати и карбонати зависят от киселинността на водата – при присъщите на океанската вода стойности на рН най-голям е делът на хидрокарбонатните йони, докато карбонатните са сравнително малко. Когато съдържанието на въглероден диоксид във водата се повиши, нараства и количеството на водородните йони. Както личи от Фиг. 1, всяка добавена молекула въглена киселина (H2CO3) ангажира, макар и в обратими реакции, поне един допълнителен карбонатен йон от водата, образувайки хидрокарбонатни йони. В такива условия формирането на скелети и черупки от страна на организмите се затруднява, защото повечето от тях умеят да усвояват свободните карбонатни йони, но не и хидрокарбонатните. Именно затова коралите, които са сред най-големите биологични концентратори на калциев карбонат (CaCO3), живеят само в тропичните води. Там високата температура на водата обуславя по-ниска разтворимост на въглероден диоксид в сравнение с умерените и големите географски ширини, и съответно по-малко съдържание на въглена киселина.

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

 С увеличаването на съдържанието на въглероден диоксид в атмосферата, все по-голямо количество от този газ се разтваря в океанската вода. Образува се повече въглена киселина (H2CO3) и се увеличава концентрацията на водородните йони във водата, т.е. нейната киселинност нараства. 

Вкиселяването на водите в Световния океан е научно потвърдено явление – за последните 30 години средната величина на рН в повърхностните океански слоеве се е понижила от 8,3 на 8,1, което съответства на нарастване на киселинността с 30%, като се очаква до края на този век да достигне 7,8.

До какви проблеми може да доведе това?

Нарастването на киселинността води до все по-затруднено извличане на карбонатни йони от водата от морските организми, понеже тези йони все по-често биват придърпвани от свободните водородни йони и се съединяват с тях, като образуват хидрокарбонати. Повишеното съдържание на въглена киселина води и до по-голяма разтворимост на карбонатните съединения и тъкани, които вече са синтезирани от организмите (например черупки), а това е дирекна сериозна заплаха за живота на много видове морски обитатели. Особено уязвими са коралите, чиито колонии са обитаема среда за хиляди растителни и животински видове в малките ширини. Увеличаване на киселинността по същата причина се наблюдава освен в морето и при подпочвените, речните и езерните води.

Посредством карбонатната система, водните басейни и преди всичко океаните, се явяват гигантски резервоар за въглерода и неговите съединения. Океанът успява да “поглъща” до 60% от отделяните от човека въглеродни емисии (Millero, 2000). Според специалистите от Smitsonian Institute от началото на промишлената революция досега океанът е абсорбирал около 525 милиарда тона атмосферен въглероден диоксид, а понастоящем – около 22 милиона тона всеки ден, което е еквивалентът на емисиите от 11 милиарда литра дизелово гориво.

Тоест, океанът действа като гигантски буфер, който забавя ефектите на глобалното затопляне, като цената за това е увеличаването на киселинността на водите. Проблемът е, че ако нивото на киселинност се повиши твърде много, поемният капацитет на океанската вода спрямо въглеродния диоксид също рязко ще се понижи. Причината за това е, че при изобилие на водородни йони, по-голямата част от химически реагиралия във водата въглероден диоксид няма да се трансформира в хидрокарбонатни йони (HCO3–) и карбонатни йони (CO32-), както е понастоящем, а ще остава под формата на въглена киселина (H2CO3) На фиг. 2, съвременната киселинност на океанската вода е показана с черен пунктир. При понижаване на рН, концентрацията на хидрокарбонатни (HCO3) йони (които извеждат въглерода от активна циркулация) първо се увеличава, но после рязко пада за сметка на концентрацията на свързан във въглена киселина СО2, който може свободно да преминава от океана в атмосферата. В резултат на това „заключване на карбонатите“ във въглената киселина, биологичното усвояване на тези съединения и тяхното отлагане на океанското дъно ще стават все по-трудно, а с това и възможностите на океана за извеждане на въглерода от системата ще бъдат все по-ограничени.

Фигура 2. Относителен дял в океанската вода на различните компоненти на карбонатната система (CO2 под форма на въглена киселина, хидрокарбонатни и карбонатни йони) в зависимост от концентрацията на водородни йони (изразена чрез рН). 

Карбонатната система е един от инструментите на взаимодействие между океана, сушата и атмосферата. Благодарение на нея, океанът притъпява ефектите от глобалното затопляне. Всеки ден водите му поглъщат огромни количества въглероден диоксид и изолират задълго голяма част от този газ от контакт с атмосферата. Прекомерното натоварване на океана по този начин обаче е свързано с химическа промяна на самата вода – увеличава се нейната киселинност, което може да застраши морските организми в дългосрочен план. 

Автор: Емил Гачев / Климатека

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).

В публикацията са използвани материали от:

  1. Гачев, Е. 2021. Води на Земята. УИ “Неофит Рилски”, Благоевград. 392 стр.
  2. Millero, F., 2000. The carbonate System in Marine Environments. In: Gianguzza, A., E. Pelizetti, S. Sammartano (eds.) Chemical Processes in Marine Environments. Springer. 9-41.
  3. Smithsonian Institute, 2018. Ocean Acidification. https://ocean.si.edu/oceanlife/invertebrates/ocean-acidification
  4. https://www.nrdc.org/. NRDC. Ocean acidification: what you need to know.