Rozdzielczość JOIDES wygląda jak dziwaczna hybryda platformy wiertniczej i statku towarowego. W rzeczywistości jest to statek badawczy, którego oceanolodzy używają do wydobywania osadów z dna morskiego. W 2003 roku, podczas rejsu do południowo-wschodniego Atlantyku, naukowcy na pokładzie JOIDES Resolution wydobyli szczególnie uderzający łup.
Wiercili w dół w osad, który uformował się na dnie morza w ciągu milionów lat. Najstarszy osad w wiertle był biały. Powstał on z węglanowych skorupek wapnia organizmów jednokomórkowych – tego samego rodzaju materiału, z którego zbudowane są Białe Klify Dover. Ale kiedy naukowcy zbadali osad, który powstał 55 milionów lat temu, jego kolor zmienił się w geologicznym mgnieniu oka.
„W środku tego białego osadu, jest ten duży korek czerwonej gliny,” mówi Andy Ridgwell, naukowiec ziemi na Uniwersytecie w Bristolu.
Innymi słowy, ogromne chmury skorupiastych stworzeń w głębokich oceanach praktycznie zniknęły. Wielu naukowców zgadza się obecnie, że zmiana ta została spowodowana drastycznym spadkiem poziomu pH oceanu. Woda morska stała się tak żrąca, że zżerała muszle, a także inne gatunki posiadające w swoim ciele węglan wapnia. To trwało setki tysięcy lat dla oceanów, aby odzyskać od tego kryzysu, a dla dna morskiego, aby włączyć z czerwonego z powrotem do white.
Glina, że załoga JOIDES Resolution pogłębione może być złowieszcze ostrzeżenie o tym, co przyszłość ma w sklepie. Wyrzucając dwutlenek węgla do atmosfery, ponownie zakwaszamy oceany.
Przechowywanie CO2 w oceanach wiąże się z poważnymi kosztami: zmienia chemię wody morskiej.
Dzisiaj Ridgwell i Daniela Schmidt, również z Uniwersytetu w Bristolu, publikują badania w czasopiśmie Natural Geoscience, porównując to, co działo się w oceanach 55 milionów lat temu, z tym, czego oceany doświadczają obecnie. Ich badania potwierdzają to, co inni badacze podejrzewali od dawna: Zakwaszenie oceanu jest dziś większe i szybsze niż cokolwiek, co geolodzy mogą znaleźć w zapisie kopalnym w ciągu ostatnich 65 milionów lat. Rzeczywiście, jego prędkość i siła – Ridgwell szacuje, że obecne zakwaszenie oceanu odbywa się w tempie dziesięć razy większym niż tempo, które poprzedziło masowe wymieranie 55 milionów lat temu – może oznaczać zgubę dla wielu gatunków morskich, zwłaszcza tych, które żyją w głębokim oceanie.
„To jest prawie bezprecedensowe wydarzenie geologiczne”, mówi Ridgwell.
Gdy my, ludzie, spalamy paliwa kopalne, pompujemy dwutlenek węgla do atmosfery, gdzie gaz zatrzymuje ciepło. Jednak duża część tego dwutlenku węgla nie pozostaje w powietrzu. Zamiast tego, zostaje wessany do oceanów. Gdyby nie oceany, klimatolodzy uważają, że nasza planeta byłaby znacznie cieplejsza niż jest obecnie. Nawet przy ogromnym wchłanianiu CO2 przez oceany, ostatnia dekada była najcieplejsza od czasu, gdy zaczęto prowadzić nowoczesne rejestry. Ale przechowywanie dwutlenku węgla w oceanach może wiązać się z poważnymi kosztami: zmienia chemię wody morskiej.
Na powierzchni oceanu woda morska ma zwykle pH około 8 do 8,3 jednostek pH. Dla porównania, pH czystej wody wynosi 7, a kwasu żołądkowego około 2. Poziom pH cieczy zależy od tego, ile dodatnio naładowanych atomów wodoru w niej się znajduje. Im więcej jonów wodorowych, tym niższe pH. Kiedy dwutlenek węgla dostaje się do oceanu, obniża pH poprzez reakcję z wodą.
Dwutlenek węgla, który wprowadziliśmy do atmosfery od czasów rewolucji przemysłowej, obniżył poziom pH oceanu o 0,1. To może wydawać się malutkie, ale tak nie jest. Skala pH jest logarytmiczny, co oznacza, że istnieje 10 razy więcej jonów wodorowych w pH 5 cieczy niż jeden w pH 6, a 100 razy więcej niż pH 7. W rezultacie, spadek tylko .1 jednostek pH oznacza, że stężenie jonów wodorowych w oceanie poszedł w górę o około 30 procent w ciągu ostatnich dwóch stuleci.
Aby sprawdzić, jak zakwaszenie oceanu wpłynie na życie w oceanie, naukowcy przeprowadzili eksperymenty laboratoryjne, w których hodowali organizmy na różnych poziomach pH. Wyniki były niepokojące – szczególnie dla gatunków, które budują szkielety z węglanu wapnia, takich jak koralowce i podobne do ameby organizmy zwane foraminiferami. Dodatkowy wodór w wodzie morskiej o niskim pH reaguje z węglanem wapnia, przekształcając go w inne związki, których zwierzęta nie mogą wykorzystać do budowy swoich muszli.
Te wyniki są niepokojące, nie tylko dla poszczególnych gatunków, które naukowcy badają, ale dla ekosystemów, w których żyją. Niektóre z tych wrażliwych gatunków są kluczowe dla całych ekosystemów w oceanie. Małe organizmy budujące muszle są pożywieniem dla bezkręgowców, takich jak mięczaki i małe ryby, które z kolei są pożywieniem dla większych drapieżników. Rafy koralowe tworzą podwodny las deszczowy, w którym znajduje się jedna czwarta bioróżnorodności oceanu.
Ale na własną rękę, eksperymenty laboratoryjne trwające kilka dni lub tygodni może nie powiedzieć naukowcom, jak zakwaszenie oceanu wpłynie na całą planetę. „To nie jest oczywiste, co to oznacza w świecie rzeczywistym,” mówi Ridgwell.
Jednym ze sposobów, aby uzyskać więcej informacji jest spojrzenie na historię oceanów sami, co jest to, co Ridgwell i Schmidt zrobili w swoim nowym badaniu. Na pierwszy rzut oka, ta historia może sugerować, że nie mamy się o co martwić. Sto milionów lat temu w atmosferze było ponad pięć razy więcej dwutlenku węgla, a pH oceanów było o 0,8 jednostki niższe. Mimo to było tam mnóstwo węglanu wapnia dla foraminiferów i innych gatunków. To właśnie w tym okresie, w rzeczywistości, organizmy morskie budujące muszle wytworzyły formacje wapienne, które ostatecznie stały się Białymi Klifami Dover.
Jest jednak zasadnicza różnica między Ziemią 100 milionów lat temu a dniem dzisiejszym. W tamtych czasach stężenie dwutlenku węgla zmieniało się bardzo powoli przez miliony lat. Te powolne zmiany wywołały inne powolne zmiany w chemii Ziemi. Na przykład, gdy planeta ocieplała się od większej ilości dwutlenku węgla, zwiększone opady deszczu przenosiły więcej minerałów z gór do oceanu, gdzie mogły one zmienić skład chemiczny wody morskiej. Nawet przy niskim pH ocean zawiera wystarczającą ilość rozpuszczonego węglanu wapnia, aby koralowce i inne gatunki mogły przetrwać.
Dzisiaj jednak zalewamy atmosferę dwutlenkiem węgla w tempie rzadko spotykanym w historii naszej planety. Sprzężenie zwrotne planety nie będzie w stanie skompensować nagłego spadku pH przez setki tysięcy lat.
Naukowcy przeszukują zapis kopalny w poszukiwaniu okresów historycznych, które mogą oferować wskazówki, jak planeta zareaguje na obecny wstrząs węglowy. Odkryli, że 55 milionów lat temu, Ziemia przeszła przez podobną zmianę. Lee Kump z Penn State i jego koledzy oszacowali, że około 6,8 biliona ton węgla dostało się do atmosfery Ziemi w ciągu około 10 000 lat.
Nikt nie może powiedzieć na pewno, co uwolniło cały ten węgiel, ale okazało się, że miało to drastyczny wpływ na klimat. Temperatury wzrosły od 5 do 9 stopni Celsjusza (9 do 16 Fahrenheita). Wiele gatunków głębokowodnych wyginęło, prawdopodobnie dlatego, że pH głębokiego oceanu stało się zbyt niskie, aby mogły przetrwać.
Ale ta starożytna katastrofa (znana jako paleoceńsko-eoceńskie maksimum termiczne, lub PETM) nie była doskonałym prequelem do tego, co dzieje się na Ziemi dzisiaj. Zanim wybuchła bomba węglowa, temperatura była cieplejsza, a pH oceanów niższe. Ułożenie kontynentów również było inne. Wiatry wiały w różnych kierunkach, co powodowało, że oceany poruszały się w różnych kierunkach.
Wszystkie te czynniki robią dużą różnicę na efekt zakwaszenia oceanów. Na przykład, wpływ niskiego pH na organizmy budujące szkielet zależy od ciśnienia i temperatury oceanu. Poniżej pewnej głębokości w oceanie, woda staje się tak zimna, a ciśnienie tak wysokie, że nie ma już węglanu wapnia dla organizmów budujących skorupy. Ten próg znany jest jako horyzont nasycenia.
Nasza napędzana węglem cywilizacja wpływa na życie wszędzie na Ziemi – nawet głęboko pod wodą.
Aby dokonać sensownego porównania między PETM a dniem dzisiejszym, Ridgwell i Schmidt zbudowali wielkoskalowe symulacje oceanu w obu punktach czasu. Stworzyli wirtualną wersję Ziemi 55 milionów lat temu i pozwolili symulacji działać aż do osiągnięcia stabilnego stanu. Poziom pH symulowanego przez nich oceanu mieścił się w zakresie szacunków pH rzeczywistego oceanu sprzed 55 milionów lat. Następnie zbudowali wersję współczesnej Ziemi, z dzisiejszymi układami kontynentów, średnią temperaturą i innymi zmiennymi. Pozwolili współczesnemu światu osiągnąć stabilny stan, a następnie sprawdzili pH oceanu. Po raz kolejny, to dopasowane do rzeczywistego pH znaleźć w oceanach today.
Ridgwell i Schmidt następnie wstrząsnął obu tych symulowanych oceanów z masywnych zastrzyków dwutlenku węgla. Do swojego świata PETM dodali 6,8 biliona ton węgla w ciągu 10 000 lat. Używając konserwatywnych prognoz przyszłych emisji dwutlenku węgla, dodali 2,1 biliona ton węgla w ciągu zaledwie kilku stuleci do współczesnego świata. Ridgwell i Schmidt następnie użyli modelu do oszacowania, jak łatwo węglan rozpuści się na różnych głębokościach oceanu.
Wyniki były uderzająco różne. Ridgwell i Schmidt odkryli, że zakwaszanie oceanu zachodzi dziś około dziesięć razy szybciej niż 55 milionów lat temu. I podczas gdy horyzont nasycenia wzrósł do 1500 metrów 55 milionów lat temu, to będzie lurch w górę do 550 metrów średnio do 2150, zgodnie z modelem.
PETM był wystarczająco silny, aby wywołać powszechne wymierania w głębokich oceanach. Dzisiejsze szybsze, większe zmiany w oceanie mogą przynieść nową falę wymierań. Paleontolodzy nie znaleźli oznak znacznego wymierania koralowców lub innych gatunków opartych na węglanach w wodach powierzchniowych wokół PETM. Ale ponieważ dzisiejsze zakwaszenie oceanu jest o wiele silniejsze, może ono wpłynąć na życie również w płytkich wodach. „Nie możemy powiedzieć rzeczy na pewno o wpływie na ekosystemy, ale jest wiele powodów do obaw”, mówi Ridgwell.
Ellen Thomas, paleoceanograf na Uniwersytecie Yale, mówi, że nowy papier „jest bardzo znaczący dla naszych pomysłów na zakwaszenie oceanu”. Ale ona zwraca uwagę, że życie w oceanie było buffeted przez więcej niż tylko spadek pH. „Nie jestem przekonana, że to jest cała odpowiedź”, mówi. Temperatura oceanu wzrosła, a poziom tlenu spadł. Wszystkie te zmiany miały złożony wpływ na biologię oceanu 55 milionów lat temu. Naukowcy muszą teraz określić, jaki rodzaj połączonego efektu będą one miały na ocean w przyszłości.
Nasza napędzana węglem cywilizacja wpływa na życie wszędzie na Ziemi, zgodnie z pracą naukowców takich jak Ridgwell – nawet na życie, które zamieszkuje tysiące stóp pod wodą. „Zasięg naszych działań może być naprawdę dość globalny” – mówi Ridgwell. Jest całkiem możliwe, że osady oceaniczne, które powstaną w ciągu najbliższych kilku stuleci zmienią się z białego węglanu wapnia z powrotem w czerwoną glinę, ponieważ zakwaszenie oceanu wymazuje ekosystemy głębinowe.
„To da ludziom setki milionów lat od teraz coś, przez co będą mogli zidentyfikować naszą cywilizację”, mówi Ridgwell.
.