ระบบคาร์บอเนตในทะเลและการเป็นกรดของมหาสมุทร

ปฏิกิริยาระหว่างคาร์บอนไดออกไซด์ที่ละลายน้ำ ไบคาร์บอเนต และคาร์บอเนตไอออน ก่อให้เกิดกลไกทางเคมีที่ช่วยรักษาสมดุลค่า pH ของมหาสมุทร กักเก็บคาร์บอนอนินทรีย์ส่วนใหญ่ไว้ และกำลังถูกผลักดันให้เสียสมดุลจากการเพิ่มขึ้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศ

Definition

ระบบคาร์บอเนตในทะเลคือชุดของสมดุลทางเคมีที่เชื่อมโยงคาร์บอนไดออกไซด์ กรดคาร์บอนิก ไบคาร์บอเนต และคาร์บอเนตไอออนในน้ำทะเล; การเป็นกรดของมหาสมุทรคือการลดลงอย่างต่อเนื่องของค่า pH ในน้ำทะเลและความอิ่มตัวของคาร์บอเนต ซึ่งเกิดจากการที่มหาสมุทรดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดจากกิจกรรมของมนุษย์

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงสมดุลของระบบคาร์บอเนตในน้ำทะเล พารามิเตอร์ที่สามารถวัดได้ ได้แก่ pH, ความเป็นด่างรวม, คาร์บอนอนินทรีย์ที่ละลายน้ำ และความดันย่อยของคาร์บอนไดออกไซด์; ความสามารถในการบัฟเฟอร์ของน้ำทะเล; สถานะความอิ่มตัวของแร่แคลเซียมคาร์บอเนต; รวมถึงสาเหตุและผลกระทบทางชีววิทยาของการเป็นกรดของมหาสมุทร

Core questions

• สมดุลของคาร์บอเนตกระจายคาร์บอนอนินทรีย์ในสปีชีส์ทางเคมีอย่างไร?
• ค่า pH, ความเป็นด่าง, คาร์บอนอนินทรีย์ที่ละลายน้ำ และความดันย่อยของคาร์บอนไดออกไซด์แต่ละค่าวัดอะไร?
• ระบบคาร์บอเนตช่วยบัฟเฟอร์น้ำทะเลจากการเปลี่ยนแปลงค่า pH ได้อย่างไร?
• เหตุใดการเพิ่มขึ้นของคาร์บอนไดออกไซด์จึงลดค่า pH ของน้ำทะเลและสถานะความอิ่มตัวของแคลเซียมคาร์บอเนต?

Key theories

สมดุลคาร์บอเนตและการบัฟเฟอร์

คาร์บอนไดออกไซด์ที่ละลายน้ำทำปฏิกิริยาเพื่อสร้างกรดคาร์บอนิกที่แตกตัวเป็นไบคาร์บอเนตและคาร์บอเนต ซึ่งเป็นระบบที่ต้านทานการเปลี่ยนแปลงค่า pH และแบ่งคาร์บอนระหว่างสปีชีส์ตามค่า pH และอุณหภูมิ

การเป็นกรดและความอิ่มตัวของแคลเซียมคาร์บอเนต

คาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มขึ้นจะเพิ่มความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนและไบคาร์บอเนต ในขณะที่ลดคาร์บอเนตไอออน ซึ่งลดสถานะความอิ่มตัวของอะราโกไนต์และแคลไซต์ และสร้างความเครียดให้กับสิ่งมีชีวิตที่สร้างเปลือกหอย

Mechanisms

เมื่อคาร์บอนไดออกไซด์ละลายในน้ำทะเล จะเกิดเป็นกรดคาร์บอนิก ซึ่งจะแตกตัวและปล่อยไฮโดรเจนไอออนออกมา; ไอออนเหล่านี้จะทำปฏิกิริยากับคาร์บอเนตไอออนเพื่อสร้างไบคาร์บอเนต ซึ่งจะลดค่า pH และลดปริมาณคาร์บอเนตไอออนที่ปะการัง หอย และแพลงก์ตอนจำนวนมากต้องใช้ในการสร้างเปลือกและโครงสร้างแคลเซียมคาร์บอเนต

Clinical relevance

การเป็นกรดของมหาสมุทรคุกคามแนวปะการัง หอย และเพอโรพอดซึ่งเป็นฐานของห่วงโซ่อาหารในทะเล ส่งผลกระทบต่อการประมงและเศรษฐกิจชายฝั่ง; ระบบคาร์บอเนตยังควบคุมปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่มหาสมุทรสามารถดูดซับได้ ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของงบประมาณคาร์บอนทั่วโลก

History

Revelle และ Suess แสดงให้เห็นในปี 1957 ว่าเคมีของน้ำทะเลจำกัดความเร็วที่มหาสมุทรสามารถดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์จากเชื้อเพลิงฟอสซิลได้ ตั้งแต่ทศวรรษ 1990 การวัดอย่างต่อเนื่องได้บันทึกการลดลงของค่า pH ในมหาสมุทรเปิด และคำว่าการเป็นกรดของมหาสมุทรได้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในทศวรรษ 2000 เมื่อความเสี่ยงทางชีววิทยาของมันชัดเจนขึ้น

Key figures

• Roger Revelle
• Richard Feely
• Scott Doney

Seminal works

• zeebeWolfGladrow2001
• doney2009

Frequently asked questions

ความเป็นด่างรวมคืออะไร?

ความเป็นด่างรวมคือการวัดความสามารถของน้ำทะเลในการทำให้กรดเป็นกลาง ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากไบคาร์บอเนตและคาร์บอเนตไอออน; เมื่อรวมกับพารามิเตอร์คาร์บอเนตอื่น ๆ จะช่วยให้นักเคมีสามารถคำนวณระบบคาร์บอเนตทั้งหมดได้

เหตุใดการเป็นกรดของมหาสมุทรจึงเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตที่สร้างเปลือก?

การเป็นกรดจะลดความเข้มข้นของคาร์บอเนตไอออนและลดสถานะความอิ่มตัวของแคลเซียมคาร์บอเนต ทำให้ปะการัง หอย และแพลงก์ตอนบางชนิดสร้างและบำรุงรักษาเปลือกของพวกมันได้ยากขึ้นและต้องใช้พลังงานมากขึ้น