Морская химия , также известная как химия океана или химическая океанография , находится под влиянием тектоники плит и распространения морского дна , мутных течений , отложений , уровней pH , атмосферных составляющих, метаморфической активности и экологии . Область химической океанографии изучает химию морской среды, включая влияние различных переменных. Морская жизнь адаптировалась к химическому составу, уникальному для океанов Земли , а морские экосистемы чувствительны к изменениям в химическом составе океана.
Воздействие человеческой деятельности на химический состав океанов Земли со временем возросло, при этом загрязнение от промышленности и различных методов землепользования существенно повлияло на океаны. Более того, повышение уровня углекислого газа в атмосфере Земли привело к закислению океана , что оказывает негативное воздействие на морские экосистемы. Международное сообщество согласилось с тем, что восстановление химического состава океанов является приоритетом, и усилия по достижению этой цели отслеживаются как часть Цели устойчивого развития 14 .
Химическая океанография — это изучение химии океанов Земли . Химические океанографы, являясь междисциплинарной областью, изучают распределение и реакции как природных, так и антропогенных химических веществ от молекулярного до глобального масштаба. [2]
Из-за взаимосвязанности океана химики-океанографы часто работают над проблемами, связанными с физической океанографией , геологией и геохимией , биологией и биохимией , а также наукой об атмосфере . Многие химики-океанографы исследуют биогеохимические циклы , и морской углеродный цикл, в частности, вызывает значительный интерес из-за его роли в секвестрации углерода и закислении океана . [3] Другие важные темы, представляющие интерес, включают аналитическую химию океанов, загрязнение морской среды и антропогенное изменение климата .
По оценкам , цветное растворенное органическое вещество (CРОВ) составляет 20–70% содержания углерода в океанах, причем его содержание выше у устьев рек и ниже в открытом океане. [4]
Морская жизнь во многом схожа по биохимии с наземными организмами, за исключением того, что они обитают в соленой среде. Одним из последствий их адаптации является то, что морские организмы являются наиболее богатым источником галогенированных органических соединений . [5]
Океан является домом для множества морских организмов, известных как экстремофилы — организмов, которые процветают в экстремальных условиях температуры, давления и доступности света. Экстремофилы населяют множество уникальных мест обитания в океане, таких как гидротермальные источники , черные курильщики, холодные просачивания , гиперсоленые регионы и карманы с рассолом морского льда . [6]
В гидротермальных источниках и подобных средах многие экстремофилы приобретают энергию посредством хемоавтотрофии , используя в качестве источников энергии химические соединения, а не свет, как при фотоавтотрофии . Гидротермальные источники обогащают окружающую среду восстановленными химическими веществами, такими как H 2 , H 2 S, Fe 2+ и CH 4 . Хемоавтотрофные организмы, главным образом бактерии и археи, окисляют эти восстановленные химические вещества в качестве источников энергии и служат источниками питания для более высоких трофических уровней . [7]
Морское дно, распространяющееся на срединно-океанические хребты, представляет собой ионообменную систему глобального масштаба . [8] Гидротермальные жерла в центрах распространения приносят в океан различные количества железа , серы , марганца , кремния и других элементов, некоторые из которых перерабатываются в океанскую кору . Гелий-3 , изотоп, который сопровождает вулканизм в мантии, выбрасывается гидротермальными жерлами и может быть обнаружен в шлейфах в океане. [9]
Скорость распространения на срединно-океанических хребтах колеблется от 10 до 200 мм/год. Быстрые скорости распространения вызывают повышенную реакцию базальта с морской водой. Соотношение магний / кальций будет ниже, поскольку больше ионов магния удаляется из морской воды и поглощается породой, а больше ионов кальция удаляется из породы и попадает в морскую воду . Гидротермальная деятельность на гребне хребта эффективна для удаления магния. [10] Более низкое соотношение Mg/Ca благоприятствует осаждению полиморфных модификаций карбоната кальция с низким содержанием Mg ( кальцитовые моря ). [8]
Медленное распространение на срединно-океанических хребтах имеет противоположный эффект и приведет к более высокому соотношению Mg/Ca, что будет способствовать осаждению арагонита и полиморфных модификаций карбоната кальция с высоким содержанием Mg кальцита ( арагонитовые моря ). [8]
Эксперименты показывают, что большинство современных кальцитовых организмов с высоким содержанием Mg в прошлых кальцитовых морях представляли собой кальцит с низким содержанием Mg [11]. Это означает, что соотношение Mg/Ca в скелете организма варьируется в зависимости от соотношения Mg/Ca в морской воде, в которой он находился. вырос.
Таким образом , минералогия рифообразующих и производящих отложения организмов регулируется химическими реакциями, происходящими вдоль срединно-океанического хребта, скорость которых контролируется скоростью расширения морского дна. [10] [11]
Загрязнение морской среды происходит, когда вещества, используемые или распространяемые людьми, такие как промышленные , сельскохозяйственные и бытовые отходы , частицы , шум , избыток углекислого газа или инвазивные организмы, попадают в океан и вызывают там вредные последствия. Большая часть этих отходов (80%) образуется в результате наземной деятельности, хотя значительный вклад вносит и морской транспорт . [12] Это смесь химикатов и мусора, большая часть которых поступает из наземных источников и смывается или выбрасывается в океан. Это загрязнение наносит ущерб окружающей среде, здоровью всех организмов и экономическим структурам во всем мире. [13] Поскольку большая часть выбросов поступает с суши, либо через реки , сточные воды или атмосферу, это означает, что континентальные шельфы более уязвимы к загрязнению. Загрязнение воздуха также является фактором, уносящим в океан железо, углекислоту, азот , кремний, серу, пестициды или частицы пыли. [14] Загрязнение часто происходит из неточечных источников , таких как сельскохозяйственные стоки , мусор , переносимый ветром , и пыль. Эти неточечные источники в основном возникают из-за стока, который попадает в океан через реки, но переносимый ветром мусор и пыль также могут сыграть свою роль, поскольку эти загрязнители могут оседать в водные пути и океаны. [15] Пути загрязнения включают прямой сброс, сток с земель, загрязнение с судов , загрязнение трюмами , загрязнение атмосферы и, возможно, глубоководную добычу полезных ископаемых .
Типы загрязнения морской среды можно сгруппировать как загрязнение морским мусором , пластиковое загрязнение , включая микропластик , закисление океана , загрязнение биогенными веществами , токсины и подводный шум. Пластиковое загрязнение океана — это тип загрязнения морской среды пластиком , размер которого варьируется от крупных исходных материалов, таких как бутылки и пакеты, до микропластика , образующегося в результате фрагментации пластикового материала. Морской мусор – это в основном выброшенный человеком мусор, который плавает или находится во взвешенном состоянии в океане. Пластиковое загрязнение вредно для морской жизни .Повышенный уровень углекислого газа , в основном из-за сжигания ископаемого топлива , меняет химический состав океана. Глобальное потепление и изменения солености [16] имеют серьезные последствия для экологии морской среды . [17]
Закисление океана — это продолжающееся снижение pH земного океана . В период с 1950 по 2020 год средний pH поверхности океана упал примерно с 8,15 до 8,05. [18] Выбросы углекислого газа в результате деятельности человека являются основной причиной закисления океана: уровень углекислого газа (CO 2 ) в атмосфере превышает 410 частей на миллион (в 2020 году). CO 2 из атмосферы поглощается океанами. При этом образуется угольная кислота ( H2CO3 ), которая диссоциирует на ион бикарбоната ( HCO ) .−3) и ион водорода ( H + ). Наличие свободных ионов водорода ( H + ) снижает pH океана, повышая кислотность (это не значит, что морская вода еще кислая; она все еще щелочная , с pH выше 8). Морские кальцифицирующие организмы , такие как моллюски и кораллы , особенно уязвимы, поскольку они полагаются на карбонат кальция для построения раковин и скелетов. [19]
Изменение pH на 0,1 представляет собой увеличение концентрации ионов водорода в мировом океане на 26% (шкала pH логарифмическая, поэтому изменение на единицу в единицах pH эквивалентно десятикратному изменению концентрации ионов водорода). Уровень pH морской поверхности и насыщенность карбонатами варьируются в зависимости от глубины и местоположения океана. Воды более холодных и более высоких широт способны поглощать больше CO 2 . Это может привести к повышению кислотности, снижению pH и уровня насыщения карбонатами в этих областях. Другие факторы, которые влияют на обмен CO 2 между атмосферой и океаном и, следовательно, на локальное закисление океана, включают: океанские течения и зоны апвеллинга , близость к крупным континентальным рекам, покрытие морским льдом и обмен атмосферы азотом и серой в результате сжигания ископаемого топлива и сельского хозяйства . [20] [21] [22]
Деоксигенация океана — это уменьшение содержания кислорода в различных частях океана в результате деятельности человека. [24] [25] Это происходит в первую очередь в прибрежных зонах , где эвтрофикация привела к довольно быстрому (за несколько десятилетий) снижению содержания кислорода до очень низкого уровня. [24] Этот тип деоксигенации океана также называют « мертвыми зонами ». Во-вторых, в настоящее время наблюдается продолжающееся снижение уровня кислорода в открытом океане: естественные области с низким содержанием кислорода (так называемые зоны минимума кислорода (ОМЗ)) теперь медленно расширяются. [26] Это расширение происходит в результате антропогенного изменения климата . [27] [28] В результате снижение содержания кислорода в океанах представляет угрозу для морской жизни , а также для людей, которые зависят от морской жизни как источника питания или средств к существованию. [29] [30] [31] Деоксигенация океана приводит к последствиям для продуктивности океана , круговорота питательных веществ, круговорота углерода и морской среды обитания . [32] [33]
Потепление океана усугубляет деоксигенацию океана и усиливает стресс для морских организмов, снижая доступность питательных веществ за счет увеличения стратификации океана из-за эффектов плотности и растворимости, одновременно увеличивая метаболические потребности. [34] [35] Повышение температуры в океанах вызывает снижение растворимости кислорода в воде, что может объяснить около 50% потерь кислорода на верхнем уровне океана (> 1000 м). Более теплая океанская вода содержит меньше кислорода и обладает большей плавучестью, чем более холодная вода. Это приводит к уменьшению смешивания насыщенной кислородом воды у поверхности с более глубокой водой, которая, естественно, содержит меньше кислорода. Более теплая вода также повышает потребность живых организмов в кислороде; в результате для морской жизни доступно меньше кислорода. [36]
Исследования показали, что океаны уже потеряли 1-2% своего кислорода с середины 20-го века, [37] [38] , а модельное моделирование предсказывает снижение содержания O 2 в мировом океане до 7% в течение следующего столетия. сотня лет. По прогнозам, снижение содержания кислорода будет продолжаться еще тысячу лет или даже больше. [39].jpg/1280px-HMS_Challenger_(1858).jpg)
Ранние исследования морской химии обычно касались происхождения солености океана, включая работы Роберта Бойля . Современная химическая океанография началась как область с экспедиции Челленджера 1872–1876 годов , которая провела первые систематические измерения химии океана.
Океанографы-химики собирают и измеряют химические вещества в морской воде, используя стандартный набор инструментов аналитической химии , а также такие инструменты, как pH-метры , измерители электропроводности , флуорометры и измерители растворенного CO₂. Большая часть данных собирается посредством судовых измерений, а также с автономных поплавков или буев , но также используется дистанционное зондирование . На океанографическом исследовательском судне CTD используется для измерения электропроводности , температуры и давления и часто устанавливается на розетке бутылок Нансена для сбора морской воды для анализа. Отложения обычно изучаются с помощью коробчатого керна или отстойника , а более старые отложения могут быть извлечены с помощью научного бурения .
Химический состав подземного океана Европы может быть похож на земной. [40] Подповерхностный океан Энцелада выбрасывает в космос водород и углекислый газ. [41]
Рисунок 1f
Текст был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0. Архивировано 16 октября 2017 г. на Wayback Machine.
{{cite news}}: |last2=имеет общее имя ( справка )