Hröð aukning CO₂ og aukin súrnun sjávar

Frá því iðnvæðing vesturlanda hófst fyrir 250 árum hafa orðið gríðarlegar breytingar  á magni koltvíoxíðs (CO₂) í andrúmslofti jarðarinnar.  Eftir því sem iðnvæðingin hefur orðið hraðari og útbreiddari hefur þetta magn aukist hraðar.  Ein afleiðing þessara breytinga er súrnun sjávar sem er ekki síður alvarleg þróun en hlýnun jarðar.

Fyrir iðnvæðingu var hlutþrýstingur CO₂ í andrúmsloftinu 280 ppm og nú, 250 árum síðar, er hann orðinn 391 ppm og gæti náð yfir 700 ppm fyrir næstu aldamót (ppm = part per million).  Loftslagsbreytingar væru vafalítið fyrirfinnanlegri í dag ef ekki væri fyrir upptöku sjávar og grænna landssvæða á helmingi þess koltvíoxíðs sem menn hafa blásið út í andrúmsloftið frá iðnvæðingu.  Af þessum helmingi hefur sjórinn tekið til sín um 30% og græn landsvæði um 20% (Feely o.fl. 2004).

Vegna upptöku á CO₂ hefur sýrustig sjávarins þegar fallið um 0,1 pH gildi (30% aukning á H⁺) frá iðnvæðingu og gæti fallið um 0,3-0,4 pH gildi fyrir árið 2100 (~150% aukning á H⁺).  Sýrustig er mælt á pH skala sem er byggður á neikvæðu veldisfalli á styrk vetnisjóna (H⁺) en sýrustig lækkar eftir því sem styrkur vetnisjóna vex. Þetta þýðir að fyrir hverja heila tölu sem sýrustig (pH) fellur, þá súrnar sjórinn tífalt..

Hvaða sögu segir jarðsagan?

Lífverur sjávar eru margskonar, allt frá örsmáum bakteríum til stærstu spendýra og er umhverfi þeirra að breytast hratt vegna útblásturs mannkyns á CO₂. Kalkmyndandi lífverum stafar sérstaklega mikil hætta af aukningu á CO₂ þar sem súrnun sjávar leiðir til minni kalkmettunar í sjónum. Til þess að skilja hvernig lífríkið mun bregðast við súrnun sjávar nútímans og framtíðar er óvitlaust að horfa til jarðsögunnar, enda er þetta ekki í fyrsta skipti sem aukning á CO₂ verður í andrúmslofti jarðar.

Hér er farið yfir atburði í jarðsögunni og tengsl þeirra við ástand kóralrifja og líkur á því að súrnun sjávar hafi átt sér stað.

Fyrir 250 milljónum ára varð einn stærsti útdauði lífvera í jarðsögunni þegar ~95% lífvera í hafinu dóu út. Þá jókst styrkur CO₂ í andrúmsloftinu mikið og olli miklum loftslags- og sýrustigsbreytingum í sjónum (sjá pistilinn: Útdauðinn fyrir 250 milljónum ára). Ljóst er að miklar breytingar urðu á lífríki bæði á landi og í hafi en sá langi tími sem liðinn er frá þessum atburði gerir rannsóknir á honum erfiðar. Auk þess jókst CO₂ í andrúmsloftinu þá vegna mikillar eldvirkni og ólíklegt að jarðefnaeldsneyti jarðar gæti gefið af sér jafnmikið magn CO₂ og þá var blásið út í andrúmsloftið. Betra er að líta okkur nær í tíma ef ætlunin er að bera saman forsögulegann atburð við nútímann.

Krítartímabilið fyrir 145-65 milljón árum síðan var áhugavert tímabil í jarðsögunni. Þá átti sér stað hæg aukning á CO₂ í andrúmslofti jarðar og fór hlutþrýstingur CO₂ yfir 1000 ppm (part per million).  Þrátt fyrir þennan háa hlutþrýsting CO₂ var mikið um kalkmyndandi lífverur í hafinu á þessum tíma en þegar sjór súrnar þá eiga kalkframleiðendur venjulega erfiðara með að mynda kalkskeljar. Kalkmyndandi lífverur lifðu reyndar svo góðu lífi að hinir hvítu klettar í Dover í Englandi mynduðust á þessum tíma þegar skeljar örsmárra kalkþörunga féllu til botns og mynduðu setlög (sjá gervihnattamynd af Íslandi neðarlega í pistli). Þetta útskýrist af því að aukningin á CO₂ í andrúmsloftinu varð yfir gríðarlega langan tíma; milljónir ára og vegna hlýrra andrúmslofts og aukinnar úrkomu var framburður áa á efnum til sjávar mikill, sem olli því að kalkmettun sjávar hélst há, þrátt fyrir súrnun sjávarins (Ridgwell & Zeebe, 2005).

Fyrir 55 milljónum ára, urðu miklar og snöggar breytingar á loftslagi jarðar en þá hlýnaði mikið og sýrustig (pH) sjávarins lækkaði vegna losunnar á CO₂. Setkjarnar frá þessum tíma sýna snögga breytingu frá hvítu og kalkmiklu seti, yfir í rauðan leir, sem bendir til þess að kalkframleiðendur hafi nánast horfið úr sjónum. Þetta er sá atburður sem helst er litið til ef bera á saman þróun dagsins í dag við forsögulega atburði en hafa ber í huga að aukning á CO₂ í andrúmsloftinu er líklega 10 sinnum hraðari í dag en fyrir 55 milljónum ára. Nánar er fjallað um þessar náttúruhamfarir í pistlinum Súrnun sjávar hraðari en fyrir 55 milljónum ára.

Ekki er hægt að segja annað en að vísbendingar jarðsögunnar undirstriki með afgerandi hætti hversu alvarleg áhrif loftslagsbreytingar og súrnun sjávar geta haft og þar af leiðandi hve brýn nauðsyn er til þess að minnka losun á koltvíoxíði verulega nú þegar. Þá er mikilvægt að hafa í huga að engin fordæmi eru í jarðsögunni fyrir hraðari aukningu á CO₂ í andrúmsloftinu en nú á sér stað.

Síðustu 20 milljón ár einkennast af stöðugleika

Hugsanlega gætu sumar þeirra tegunda sem eru viðkvæmar fyrir súrnun sjávar aðlagast þeim breytingum sem eru að verða í umhverfi þeirra en aðlögunarhæfni lífvera er almennt illa þekkt og því erfitt að spá þar um. Því miður draga tvær staðreyndir úr líkum á því að lífverur eigi eftir að eiga auðvelt með að aðlagast súrara umhverfi.

Sýrustig sjávar (pH) hefur verið stöðugt í yfir 20 milljón ár en með útblæstri á CO2 er mannkynið að valda hraðri súrnun sjávar. Nú þegar hefur sýrustig sjávarins fallið um 0.1 pH gildi og er spáð því að pH sjávarins falli um 0.3-0.4 pH gildi fyrir næstu aldamót. (Mynd: Turley o.fl. 2006)

Hlutþrýstingur CO₂ í andrúmsloftinu, og sýrustig sjávar (pH) verið stöðugt í yfir 20 milljón ár (Pierson & Palmer, 2000) og hafa ber í huga að núlifandi lífverur jarðar þróuðust á þessu tímabili stöðugleika. Þetta skapar óvissu um hvort nægur breytileiki eða sveigjanleiki sé í erfðamengi lífveranna til þess að takast á við verðandi breytingar. Að auki er sjórinn að súrna hratt og gefst því lítill tími til aðlögunar. Þær lífverur sem hafa stuttan líftíma, þ.e. kynslóðir endurnýjast hratt, eru líklegri til að geta aðlagast heldur en lífverur sem lifa lengi, t.d. 40 ár.

Súrnun sjávar og lífríkið

Súrnun sjávar getur haft áhrif á ýmis lífeðlisfræðileg ferli í lífverum en dýr og þörungar sem mynda kalk eru í mestri hættu vegna þess hve kalkmettun sjávar (Ω_CaCO3) er nátengd sýrustigi sjávar. Mikill fjöldi tegunda í hafinu myndar kalk og koma kalkframleiðandi lífverur við sögu í flestum fæðukeðjum ásamt því að byggja upp búsvæði fyrir fjölda annara lífvera og má þar helst nefna kóralrif og rauðþörungabreiður.

Kalkmyndandi lífríki er í mestri hættu

Kalkmyndandi lífverur eiga auðvelt með að mynda og viðhalda kalkskeljum þegar kalk er yfirmettað í umhverfi þeirra  (Ω_CaCO3>1). Ef kalkmettun sjávarins er of lítil verður kalkmyndunarferlið erfiðara en breytilegt er á milli tegunda við hvaða mettunarstig þær takmarka kalkframleiðslu sína.  Í sjó sem er undirmettaður af kalki (Ω_CaCO3<1) byrjar kalk að leysast upp undir eðlilegum kringumstæðum. Til samanburðar má benda á að háa tíðni tannskemmda hjá fólki sem neytir mikið af drykkjum með lágt sýrustig (pH), s.s. kóki eða appelsínusafa.

Dýpi hefur neikvæð áhrif á kalkmettun og á ákveðnu dýpi (Ωkalk=1) hættir sjórinn að vera yfirmettaður af kalki (Ωkalk>1) og verður undirmettaður af kalki (Ωkalk<1), þ.e.a.s. Þá ætti kalkið að leysast upp fyrir neðan þetta dýpi (blátt svæði). Hér er sýnd mettun kalkgerðarinnar aragóníts í Atlantshafi og Kyrrahafi. Þegar sjórinn súrnar mun dýpið þar sem kalk verður undirmettað grynnka. (Mynd er úr skýrslunni, IPCC fourth assessment report: climate change 2007, sem finna má á vefslóðinni: http://www.ipcc.ch/)

Auk koltvíoxíðs (CO₂) hafa hitastig og dýpi (þrýstingur) áhrif á kalkmettun sjávar. Leysni kalks vex með lækkandi hitastigi og því er kalkmettun í hafinu norður af Íslandi talsvert minni en við t.d. miðbaug. Í ofanálag minnkar kalkmettun með dýpi og á ákveðnu dýpi færist kalk úr því að vera yfirmettað yfir í að vera undirmettað. Þetta dýpi er breytilegt og stjórnast helst af hitastigi, sýrustigi og eftir því hvaða kalkgerð á í hlut. Nú þegar hefur súrnunin valdið því að kalk er að verða undirmettað á minna dýpi en áður og með sömu þróun verður yfirborðsjór kaldra hafsvæða undirmettaður m.t.t. ákveðinna kalkgerða eftir fáa áratugi.

Kalkmettun á köldum hafssvæðum er minni en á hlýjum hafssvæðum. Mettun kalkgerðarinnar aragónít er lág og ef spár ganga eftir mun aragónít verða undirmettað á köldum hafsvæðum eftir fáa áratugi.

Ein bestu langtímagögn sem sýna grynnkun á mettunarlagi kalks koma frá Íslandi en CO₂ hefur verið mælt í yfirborðssjó við Ísland frá árinu 1985 og úr vatnssúlunni á tveim stöðum við Ísland frá árinu 1994 (Ólafsson o.fl. 2009).  Á þessum gögnum má greinilega sjá hvernig kalk er að verða undirmettað á minna dýpi með tíma. Í Íslandshafi eru breytingarnar hraðar en kalkgerðin aragónít er undirmettuð undir 1700 metra dýpi og er þetta mettunarlag að grynnka um fjóra metra á ári, að meðaltali.

Nú er í gangi vinna við að meta hver áhrif þessara breytinga í Íslandshafi gætu orðið fyrir þær lífverur sem mynda kalkgerðina aragónít en margar samlokur og sniglar eru dæmi um slíkar lífverur.  Þörf er á að útskýra betur muninn á milli þeirra kalkgerða sem lífverur mynda, og hvernig kalkgerðir geta skipt máli fyrir lífvænleika lífvera í súrnandi sjó.

Kalkmyndandi lífverur og súrnun sjávar

Kalkgerðin skiptir máli

Kalkmyndandi lífverur mynda aðallega tvær kristalgerðir kalks (CaCO₃), kalsít og aragónít, sem hafa ólíka eðliseiginleika. Aragónít er uppleysanlegra en kalsít og því er mettun kalsíts ávalt hærri en aragóníts í sjónum. Auk kalsíts og aragóníts er stundum rætt um magnesíum-ríkt kalsít sem þriðju kalkgerðina sem lífverur mynda, þá er hátt hlutfall af magnesíum á móti kalsíum (MgCO₃/CaCO₃) í kalsít kristalgerðinni. Á svipaðan hátt og aragónít, er magnesíumríkt kalsít (Mg-kalsít) uppleysanlegra en kalsít. Þetta leiðir af sér að þegar sýrustig (pH) sjávarins lækkar verður hann undirmettaður m.t.t. aragóníts og Mg-kalsíts nokkru áður en hann verður undirmettaður m.t.t. kalsíts.  Þess vegna eru þær lífverur sem mynda aragónít (t.d. lindýr og kóralar) og Mg-kalsít (t.d. skrápdýr og rauðþörungar) taldar viðkvæmari fyrir súrnun sjávar heldur en lífverur sem mynda kalsít. Á myndinni hér til hliðar má sjá hvaða kalktegundir helstu lífveruhópar mynda. Þær lífverur sem eru taldar í mestri áhættu vegna súrnun sjávar eru merktar með gulum lit.

Kóralar (Anthozoa)

Kóralrif eru ekki einungis ein fallegustu svæði á jörðinni heldur einnig þau mikilvægustu fyrir verndun líffræðilegs fjölbreytileika í hafinu.  Til dagsins í dag hafa kóralar verið sá lífveruhópur sem hefur verið mest rannsakaður m.t.t. súrnunar sjávar enda eru á margan hátt mikilvægir og mynda kristalgerðina aragónít. Þar sem stór kóralrif eru til staðar er aragónít mjög yfirmettað (Ω_ARAGÓNÍT = 3-5) og sjórinn er hlýr, en við skoðun hefur komið í ljós að hlýsjávarkóralrif finnast sjaldan þar sem mettun aragóníts er lægri en þrír (Ω_ARAGÓNÍT < 3). Ef útblástursspár á CO₂ ganga eftir mun mettun aragóníts í hafinu verða að mestu undir þremur í byrjun næstu aldar (Ω_ARAGÓNÍT < 3) (Cao & Caldeira o.fl. 2008). Illmögulegt er að spá fyrir um afleiðingar þessara gríðarlegu umhverfisbreytinga en ekki er erfitt að átta sig á alvarleika málsins.

Hlutþrýstingur CO2 hefur þegar hækkað úr 280 ppm fyrir iðnvæðingu í 380 ppm í andrúmslofti og mun líklega ná 550-750 ppm á þessari öld. Mettun aragóníts hefur þegar lækkað frá iðnvæðngu og mun lækka enn frekar á þessari öld. Hlýsjávarkórala er helst að finna þar sem aragónítmettun er hærri en þrír. (Cho & Caldeira, 2008).

Mælingar hafa sýnt fram á að kalkmyndun kórala á The Great Barrier Reef hefur minnkað um 14% frá árinu 1990 (De’ath o.fl. 2009) sem skýrist líklega af samverkandi áhrifum súrnunar sjávar og hlýnunar. Silverman og fl. (2009) benda á að hlýsjávarkóralrif gætu hætt að vaxa, og jafnvel byrjað að leysast upp þegar hlutþrýstingur CO₂ í andrúmslofti nær 560 ppm en ágætis líkur eru á að það muni eiga sér stað á þessari öld.

Frá rannsóknarleiðangri á Bjarna Sæmunssyni, sumar 2010, þegar íslensk kóralrif voru mynduð og umhverfi þeirra mælt

Kóralar finnast einnig á kaldari hafsvæðum og lifa þá ekki í sambýli við ljóstillífandi þörunga og geta því þrifist á mun meira dýpi en hlýsjávarkóralar, enda eru þeir ýmist nefndir kaldsjávarkóralar eða djúpsjávarkóralar. Kaldsjávarkóralrif er m.a. að finna á landgrunnsbrúninni suður af Íslandi og við Noregsstrendur. Því miður eru mörg þessara kóralsvæða ekki svipur hjá sjón í dag vegna margra áratuga togveiða, en þau eru vistfræðilega mikilvæg sem uppeldissvæði fyrir nytjafiska og hýsa mikinn fjölbreytileika lífvera.  Kaldsjávarkóröllum stafar mikil hætta af súrnun sjávar vegna þess að þeir finnast í köldum sjó og á miklu dýpi, en eins og áður sagði minnkar kalkmettun með lækkandi hitastigi og auknu dýpi.  Á ákveðnu dýpi byrjar aragónít að leysast upp, eða þegar mettun þess er undir 1 (Ω_ARAGÓNÍT<1) og er sá þröskuldur þar sem Ω_ARAGÓNÍT=1 að grynnka.  Það er talið líklegt að þessi þróun muni valda útdauða kórala úr dýpstu lögunum fyrst en þegar fram líða stundir er talið að djúpsjávarkóralar geti horfið alfarið af ákveðnum hafssvæðum.

Íslenskir kóralar eru á norðurmörkum dreifingar kaldsjávarkóralrifja, enda finnast engin kaldsjávarkóralrif norður af Íslandi þar sem sjórinn er umtalsvert kaldari en sunnan við landið. Sumarið 2010 fór pistlahöfundur í leiðangur á rannsóknarskipinu Bjarna Sæmundssyni ásamt botndýrateymi Hafrannsóknarstofnunnar og var takmarkið að skoða þekkt íslensk kóralsvæði og að reyna að finna áður óþekkt kóralrif.  Til þess var notuð neðansjávarmyndavél en auk þess voru tekin sýni af sjó á mismunandi dýpi til þess að mæla CO₂ í sjónum og fræðast um núverandi mettun aragóníts í umhverfi kóralanna. Enn er verið að vinna úr þeim gögnum sem þá fengust en ljóst er að mettun aragóníts umhverfis kóralana var lág (Ω_ARAGÓNÍT ≤ 2), en þegar aragónít er undir einum byrjar það að leysast upp. Vegna þeirra langtímamælinga á CO₂ sem farið hafa fram við Ísland vitum við að kalkmettun í hafinu hér við land fer minnkandi og því er framtíð íslenskra kóralrifja í óvissu vegna súrnunar sjávar.

Framhald af þessum pistli má sjá hér: Súrnun sjávar og lífríki hafsins II

Athugasemdir

ummæli