Рост кислотности мирового океана: недооценённая угроза?
Парниковый эффект и его разрушительное воздействие на климат планеты давно уже стали притчей во языцех. О глобальном потеплении, об угрозах, связанных с выбросами парниковых газов в атмосферу написано и сказано столько, что не осталось уже, наверное, ни одного грамотного человека, не слыхавшего хотя бы краем уха об этой проблеме. Однако объёмы добычи и потребления ископаемых энергоносителей – будь то нефть, газ или уголь, – продолжают нарастать, а образующийся при их сжигании углекислый газ уходит в атмосферу, поддерживая и усиливая парниковый эффект. Чтобы справиться с этой тенденцией, некоторые учёные даже выдвинули идею широкомасштабного растворения промышленных выбросов углекислого газа в мировом океане. Однако, как выясняется, океан и сам нуждается в защите ничуть не меньше, чем атмосфера. Немало углекислого газа и так абсорбируется морской водой, что приводит к повышению кислотности мирового океана. Причём этот процесс идёт гораздо быстрее, чем было принято считать до сих пор. Об этом недвусмысленно свидетельствуют данные, полученные в ходе уникального по масштабу исследования – «World Ocean Circulation Experiment», то есть «Эксперимент по изучению циркуляции вод мирового океана». Исследование продолжалось почти 10 лет – с 1989-го по 1998-й годы, – говорит немецкий физик, профессор Райнер Шлитцер (Reiner Schlitzer), научный сотрудник Института полярных и морских исследований имени Альфреда Вегенера в Бремерхафене:
Все развитые страны выделили свои исследовательские суда для этого проекта. Чёткая координация и согласованность усилий позволили нам охватить экспериментом всю акваторию мирового океана, взять пробы воды со всех глубин и произвести их анализ по столь широкому спектру показателей, что это исследование с чистой совестью можно считать совершенно уникальным.
Данных оказалось столько, что их обработка заняла долгие годы. Однако овчинка стоила выделки. Полученная учёными информация позволила с высокой точностью оценить распределение антропогенного углекислого газа в океане. И оказалось, что во многих регионах кислотность нарастает значительно быстрее, чем предсказывали прогнозы. Есть, правда, и такие участки акватории, где имеет место прямо противоположная тенденция, – говорит профессор Шлитцер:
Например, в тропической зоне Тихого океана происходит активный выброс углекислого газа из океана в атмосферу. Об этом мало кто знает. Процесс этот и сегодня продолжается, невзирая на парниковый эффект. А связано это с тем, что здесь поднимается на поверхность очень холодная вода с больших глубин, насыщенная углекислым газом, и он уходит в атмосферу.
Но это исключение лишь подтверждает правило. На большей часть своей акватории мировой океан углекислый газ поглощает. Например, холодная вода к югу от Гренландии или вдоль побережья Антарктиды растворяет очень много углекислого газа, а затем стремительно погружается в глубину, достигая самого дна. Прежде чем она снова оказывается на поверхности, проходят столетия.
На этот эффект мы и рассчитываем. Наши данные говорят о том, что океан уже поглотил 40 процентов всей массы антропогенных выбросов углекислого газа. Если бы не океан, концентрация СО2 в атмосфере была бы значительно выше.
Таким образом, океан тормозит процесс глобального потепления. В то же время повышение кислотности воды создаёт серьёзную угрозу морской флоре и фауне – прежде всего, кораллам. До недавнего времени считалось, что главным фактором, вызывающим массовую гибель кораллов, является повышение температуры воды. Кораллы – эти кишечнополостные полипы, образующие огромные подводные колонии, – чрезвычайно чувствительны к изменению температуры окружающей среды. Стоит ей слегка превысить 30 градусов, как в колонии кораллов начинается так называемая «белая чума» - загадочная болезнь, быстро превращающая цветущий подводный ландшафт в безжизненное кладбище известковых скелетов. Однако дело тут, видимо, не только в слишком тёплой воде, – говорит американский исследователь Роберт Хэлли (Robert Halley), сотрудник Океанографической станции в Санкт-Питерсбёрге, штат Флорида:
Тут имеют место довольно сложные закономерности. Известны случаи, когда вода прогревалась до очень высоких температур, однако это не оказывало никакого влияния на кораллы. Значит, мы здесь имеем дело со сложным взаимодействием разных факторов. Не вызывает сомнений, что наряду с температурой ключевую роль играет и концентрация углекислого газа. И всё же следует иметь в виду, что зарегистрированы случаи, когда и температура воды, и содержание углекислоты были неблагоприятными, однако хорошая циркуляция воды предотвратила гибель кораллов. То есть мы знаем о наличии и влиянии разных факторов, но не можем пока чётко сказать, какой из них какие последствия вызовет.
Однако в том, что дальнейшее повышение кислотности мирового океана самым трагическим образом отразиться на судьбе кораллов, нет никаких сомнений: эти животные начнут испытывать всё более острую нехватку растворённой в воде извести, необходимой для формирование скелета. И рано или поздно наступит такой момент, когда образование скелета станет невозможным: углекислота будет просто растворять любые известковые структуры. Этот эффект хорошо известен каждому школьнику, видевшему на занятиях по химии, что происходит с куском мела, если на него капнуть соляной кислотой. Ханс Отто Пёртнер (Hans Otto Pörtner) из Института полярных и морских исследований имени Альфреда Вегенера уверен:
В экосистемах мирового океана произойдут изменения, то есть равновесие нарушится, и пострадают от этого организмы, образующие известковые структуры. И пищевые цепочки претерпят изменения: некоторые виды организмов уже не будут располагать тем обилием пищи, к которому они привыкли. Понятно, что такие процессы повлекут за собой уменьшение видового разнообразия морских обитателей.
Несколько лет назад немало шума наделал мрачный прогноз израильского океанографа Джонатана Эреца (Jonathan Erez), профессора Еврейского университета в Иерусалиме. Учёный заявил тогда, что его внукам уже не доведётся увидеть коралловые рифы. Тогда ряд исследователей выразил сомнения в справедливости столь пессимистической оценки положения, однако сегодня они склонны согласиться с израильским коллегой. Крис Лэнгдон (Chris Langdon), профессор химии университета в Майами, штат Флорида, говорит:
К сожалению, мы считаем такое развитие событий весьма вероятным. В Карибском бассейне за последние несколько лет во многих местах погибло до 80-ти процентов коралловых колоний. То есть налицо очень сильная и ярко выраженная тенденция.
Аналогичные данные получены и учёными другой группы. Возможно, кто-то помнит ещё о проекте «Биосфера-2». В начале 90-х годов американский миллиардер Эдуард Бэсс (Edward Bass) выделил 200 миллионов долларов на строительство в пустыне штата Аризона специального комплекса зданий и сооружений для проведения крупномасштабного научного эксперимента. Комплекс представлял собой искусственную замкнутую экологическую систему, а цель эксперимента состояла в том, чтобы выяснить, возможна ли долгосрочная автономная жизнедеятельность людей в такой изолированной среде. В покрытых прозрачным герметичным колпаком семи блоках общей площадью в полтора гектара были воссозданы тропический лес и пустыня, саванна и океан. Помимо 8 добровольцев-испытателей, поддерживавших связь с внешним миром исключительно с помощью компьютерной сети, в парнике находилось и 3 тысячи видов растений и животных. Эксперимент провалился, поскольку очень скоро началось непредвиденно быстрое (и до сих пор не до конца объяснённое) размножение микроорганизмов в почве и некоторых насекомых, главным образом муравьёв и тараканов, что привело к острому дефициту кислорода. Эксперимент пришлось прервать, однако один важный результат он всё же дал: стало ясно, что человек пока плохо понимает, как функционируют сложные экосистемы, а уж о том, чтобы ими эффективно управлять, и вовсе речи быть не может. После этого комплекс зданий «Биосфера-2» поступил в распоряжение учёных Колумбийского университета города Нью-Йорка, и здесь стали проводить хоть и менее масштабные, зато более успешные эксперименты. В частности, Крис Лэнгдон сконцентрировал своё внимание на мини-океане:
До того, как проект «Биосфера-2» перешёл в наше ведение, никто не следил за химическим составом воды в океане. Я же первым делом измерил «pH» – водородный показатель – и обнаружил, что он сильно понижен, то есть кислотность воды значительно превышает норму. В результате рост практически всех обитающих в воде организмов прекратился. Я добавил в неё некоторые химикалии, чтобы восстановить естественные для океана условия, и там сразу произошёл мощный всплеск биологической активности.
Кораллы в мини-океане «Биосферы-2» быстро оправились от стресса. После этого профессор Лэнгдон вместе с коллегами начал изучать реакцию экспериментальной экосистемы на разные экстремальные воздействия. Опыты заняли не один месяц. При этом исследователи постарались как бы в ускоренном режиме воспроизвести эволюцию океана: сначала они создали в нём условия, типичные для последнего периода оледенения Земли, когда концентрация СО2 в мировом океане была вдвое ниже нынешней, затем вернулись к сегодняшнему состоянию, а потом попытались заглянуть в будущее, вдвое увеличив содержание углекислого газа. Оказалось, что чем выше кислотность воды, тем сильнее она тормозит развитие коралловых колоний. Для подавляющего большинства специалистов такой результат стал полной неожиданностью, – говорит профессор Лэнгдон:
Люди полагали, что до тех пор пока не достигнуто равновесие, то есть до тех пока химические условия в воде остаются более благоприятными для образования извести, чем для её растворения, вообще никаких изменений происходить не будет. Но выяснилось, что здесь имеет место линейная зависимость: чем ниже водородный показатель, тем ограниченнее возможности для роста кораллов.
То есть угроза для кораллов становится реальной не после того, как кислотность воды поднимется настолько, что их известковые скелеты начнут растворяться, а гораздо раньше. Уже сейчас. Райнер Шлитцер, принимавший самое непосредственное участие в анализе и обработке данных, полученных в ходе уже упоминавшегося нами международного «Эксперимента по изучению циркуляции вод мирового океана», говорит:
Мы использовали расчёты на компьютерных моделях, позволяющих не только реконструировать прошлое, но и заглянуть в будущее. Исходя из имеющихся у нас сегодня вполне реалистичных прогнозов, касающихся объёмов выбросов углекислого газа в атмосферу в ближайшие 50 лет, мы оценили динамику изменения кислотности мирового океана и пришли к выводу, что она будет нарастать вдвое быстрее, чем считалось до сих пор.
Для обработки полученных в ходе эксперимента данных исследователи разных стран мира использовали 13 различных компьютерных моделей. Однако в том, что касается динамики кислотности, все они дали очень близкие результаты. Крис Сэбайн (Chris Sabine), сотрудник Американской национальной службы по исследованию океана в Сиэтле, штат Вашингтон, подчёркивает, что речь идёт о фактах гораздо более достоверных, чем обычные климатологические прогнозы:
Независимо от того, верите вы или нет в причинно-следственную связь между эмиссией углекислого газа в атмосферу и глобальным потеплением климата, две вещи не подлежат сомнению. Во-первых, то, что мы, люди, вносим свой весомый вклад в повышение концентрации СО2 в атмосфере: до начала промышленной революции этот показатель практически не менялся на протяжении как минимум тысячи лет, а затем всего за два века он удвоился. А второй факт, не подлежащий сомнению, состоит в том, что углекислый газ растворяется в мировом океане и изменяет его химический состав.
Профессор Шлитцер добавляет:
Мы полагаем, что нарастание кислотности морской воды происходит, прежде всего, в холодных регионах, то есть в Северном и особенно в Южном Ледовитом океанах. По нашим расчётам, в этих регионах уже к 2030-му году, то есть совсем скоро, в поверхностных слоях воды будет достигнут уровень кислотности, при котором одна из разновидностей извести уже становится нестабильной.
Но для морской фауны, населяющей холодные воды, условия обитания меняются уже сегодня. Прежде всего, это касается зоопланктона, то есть мельчайших организмов вроде голотурий или крылоногих моллюсков. Они служат важнейшим источником питания для многих мелких рачков и рыб, являясь началом той пищевой цепочки, в конце которой находятся столь экономически значимые промысловые рыбы как лосось, треска и макрель. Экосистемы в тропических регионах, включая коралловые рифы, станут жертвой этой же тенденции несколькими десятилетиями позже. В целом рост кислотности океана может привести к массовой, глобальной гибели многих сотен и тысяч видов организмов, – предостерегают учёные. Ханс Отто Пёртнер из Института полярных и морских исследований изучает эту проблему в специально оборудованной лаборатории:
Мы находимся в помещении, представляющем собой своего рода инкубатор для морских обитателей с контролируемым содержанием СО2 в воде. Тут мы исследуем влияние концентрации углекислоты на разных животных, в том числе на рыб.
Что касается рыб, то до сих пор эксперименты не выявили сколько-нибудь значительного негативного воздействия повышенной кислотности воды на их развитие. Похоже, подтверждается гипотеза, согласно которой наиболее чувствительно на изменения химического состава воды реагируют именно беспозвоночные. Виктория Фабри (Victoria Fabry), специалистка в области биологии моря из Калифорнийского университета в Сан-Маркосе, недавно опубликовала результаты своих наблюдений за мельчайшими крылоногими моллюсками у берегов Аляски:
Раковины этих организмов просто растворялись. Это было заметно даже невооружённым глазом и полностью подтвердилось при исследовании под растровым туннельным микроскопом. В то же время анализ воды выявил повышенное содержание в ней углекислоты.
Следует отметить, что известковые раковины крылоногих моллюсков состоят не из кальцита, как, скажем, скелеты кораллов, а из арагонита, более чувствительно реагирующего на кислоты. Так что, возможно, именно этот вид беспозвоночных станет первой жертвой повышения кислотности мирового океана. Роберт Хэлли из Океанографической станции в Санкт-Питерсбёрге, подводит неутешительный итог:
В сегодняшних океанах пока доминирует образование извести – но такое положение продлится лишь до тех пор пока не будет достигнут порог, за которым начнёт преобладать растворение извести. В полярных регионах это может произойти уже лет через 30. Существенно, что эта цифра получена тремя путями: теоретическими расчётами на моделях, в ходе экспериментов в рамках проекта «Биосфера-2» и в процессе натурных наблюдений. Все три метода дали практически идентичный результат, так что названная цифра, к великому сожалению, вполне достоверна.