Termi ”valtamerten happamoituminen” ei ole täysin oikea; valtameret ovat itse asiassa muuttumassa vähemmän emäksisiksi. Pintaveden pH on laskenut 8,2:sta 8,1:een (pH 7 on neutraali) muutamassa sadassa vuodessa sen jälkeen, kun se oli pysynyt vakiona miljoonia vuosia. 0,1 pH-yksikön lasku ei ehkä kuulosta paljolta, mutta pH:n logaritmisella asteikolla se tarkoittaa 30 prosentin happamuuden nousua. Meriveden pH:n ennustetaan laskevan vielä 0,3-0,4 yksikköä, jos hiilidioksidipitoisuus nousee 800 ppm:n tasolle – mikä on yksi hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin ennustamista skenaarioista vuoteen 2100 mennessä – ja nostaa vetyionien (H+) pitoisuuksia 100-150 prosenttia (Orr et al., 2005). Royal Society of Britain arvioi, että voi kestää ”kymmeniä tuhansia vuosia”, ennen kuin valtamerten kemia palaa esiteolliselle tasolle.
Kun hiilidioksidi on liuennut meriveteen, se reagoi veden, H2O, kanssa muodostaen hiilihappoa, H2CO3: CO2 + H2O ↔ H2CO3. Hiilihappo liukenee nopeasti muodostaen H+ -ioneja (happo) ja bikarbonaattia, HCO3- (emäs). Merivesi on luonnostaan kyllästetty toisella emäksellä, karbonaatti-ionilla (CO3-2), joka toimii ikään kuin happamuudensäätöaineena neutraloidakseen H+:n ja muodostaen lisää bikarbonaattia. Nettoreaktio näyttää seuraavalta: Kun karbonaatti-ioni vähenee, merivedestä tulee vajaakyllästettyä kahta kuoren rakentamisen kannalta elintärkeää kalsiumkarbonaattimineraalia, aragoniittia ja kalsiittia. Tieteelliset mallit viittaavat siihen, että valtameret ovat alikyllästymässä aragoniitin suhteen napa-alueilla, joissa kylmät ja tiheät vedet imevät helpoimmin ilmakehän hiilidioksidia. Eteläisen valtameren odotetaan alikyllästyvän aragoniitin suhteen vuoteen 2050 mennessä, ja ongelma voi ulottua subarktiseen Tyyneen valtamereen vuoteen 2100 mennessä (Orr et al., 2005).
Aragoniitin kyllästyminen vähenee korkeammilla leveysasteilla. Credit: Kleypas et al., 2006.
Pieni eläinplanktonlaji, pteropodi, jota kutsutaan ”meriperhosiksi” niiden hyytelömäisten siipien vuoksi, joita ne käyttävät uidessaan, saattaa olla vaarassa. Kokeessa, jossa pteropodi upotettiin meriveteen, jossa oli alhainen aragoniittipitoisuus, osa eliön kuoresta rapautui jo kahdessa päivässä (Orr ym., 2005).
Satojen vuosien ja pidempienkin ajanjaksojen aikana merten karbonaatti-ionit täydentyvät kalkkikivien ja kuolleiden eläinten, kuten pteropodien, kemiallisesta säänvaihtelusta, sillä ne käyttävät kalsiumkarbonaattia kuorensa rakentamiseen. Kalsiumkarbonaatin muodostuminen ja liukeneminen riippuu veden kyllästystilasta (Ω) eli kalsium- ja karbonaattipitoisuuksien ionituotteesta. Yhtälössä Ω = Ca2+ + CO3-2/K’sp oleva liukoisuustuote riippuu lämpötilasta, suolapitoisuudesta, paineesta ja tietystä mineraalista. Kuoren muodostuminen tapahtuu yleensä silloin, kun Ω on suurempi kuin yksi, kun taas liukeneminen tapahtuu silloin, kun Ω on pienempi kuin yksi.
Kun kalsiumkarbonaatti liukenee riittävän suurina määrinä palauttaakseen valtamerten pH:n takaisin luonnolliseen tilaansa, mikä saattaa olla syynä siihen, että pH ei menneisyydessä laskenut niin dramaattisesti kuin menneisyyden korkeat hiilidioksidipitoisuudet voisivat antaa ymmärtää.
On olemassa viitteitä siitä, että karbonaatti-ionien tasot voisivat kasvaa valtamerten lämmetessä, mutta mallien mukaan tämä kompensoisi vain 10 prosenttia valtamerten happamoitumisesta johtuvasta karbonaatti-ionien menetyksestä (Orr ym, 2005).