科学家发现快速融化的北极冰与海洋酸化之间的联系 - 海洋酸化化学反应

一个国际研究小组对北冰洋西部地区的化学变化敲响了新的警钟，因为他们发现酸度水平的增加比其他地方的海水快三到四倍。

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包括美国特拉华大学海洋化学专家蔡文君（Wei-Jun Cai）在内的研究小组还发现了该地区冰雪融化速度加快与海洋酸化速度之间的密切关系，这种危险的组合威胁着植物、贝类、珊瑚礁和其他海洋生物的生存以及整个地球生态系统的生物过程。

这项新的研究于9月30日星期四发表在《科学》杂志上，是对北极酸化的首次分析，其中包括从1994年到2020年这二十多年的数据。

科学家们预测，如果不是更早的话，到2050年这一地区的北极海冰将不再能在日益温暖的夏季生存。由于每年夏天海冰的退缩，海洋的化学成分将变得更加酸性，而没有持续的冰盖来减缓或以其他方式缓解这种进展。

这给依赖健康的海洋生存的种类繁多的海洋生物、植物和其他生物带来了威胁生命的重大难题。例如，螃蟹生活在一个由海水中普遍存在的碳酸钙构成的硬壳中。北极熊依靠健康的鱼群为食，鱼类和海鸟依靠浮游生物和植物，海产品是许多人类饮食的关键元素。

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这使得这些遥远的水域的酸化对地球上的许多居民来说是个大问题。

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首先，对于忘记初中化学的读者，我们来快速复习一下pH值，它表示一种特定液体的酸碱程度。任何含有水的液体都可以用pH值来描述，其范围从0到14，纯水的pH值为7，被认为是中性的。所有低于7的水平都是酸性的，所有大于7的水平都是碱性或碱性的，每整级代表氢离子浓度相差10倍。酸性方面的例子包括蓄电池稀硫酸，其pH值为0，胃酸（1），黑咖啡（5）和牛奶（6.5）。倾向于碱性的有血液（7.4）、小苏打（9.5）、氨水（11）和下水道清洁剂（14）。海水通常是碱性的，pH值约为8.1。

蔡文君和特拉华大学地球、海洋和环境学院海洋科学和政策学院的玛丽·赖菲普（Mary A.S. Lighthipe）教授，发表了关于地球海洋化学变化的重要研究，本月完成了从新斯科舍到佛罗里达的巡航，赖菲普教授在这次研究船上巡航的27名科学家中担任首席科学家。这项工作包括四个研究领域。美国东海岸、墨西哥湾、太平洋海岸和阿拉斯加/北极地区。

《科学》杂志的新研究包括美国特拉华大学（University of Delaware）的博士后研究员欧阳章宪（Zhangxian Ouyang），他参加了最近的航行，在北冰洋的楚科奇海和加拿大盆地收集数据。

该出版物的第一作者是齐迪，他与中国在厦门和青岛的研究机构合作。合作完成该出版物的还有来自西雅图、瑞典、俄罗斯和其他六个中国研究基地的科学家。

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这种夸大洲的研究不能只靠某个人，某个机构。这种国际合作对于在遥远的海洋中收集大面积的长期数据非常重要。蔡文君表示："近年来，我们还与日本科学家合作，因为在过去三年中，由于COVID-19的原因，进入北极水域更加困难。而且我们总是有欧洲科学家参与"。

蔡文君说，当他和齐迪在上海的一次会议上第一次一起审查北极的数据时，他们都感到很困惑。水的酸度比其他地方的海水要快三到四倍。

这确实令人震惊。但是为什么会发生这种情况呢？

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蔡文君教授很快确定了一个主要的怀疑对象：在北极的夏季，海冰的融化增加。

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历史上，北极的海冰在夏季的浅水边缘地区融化。蔡教授说，这种情况在20世纪80年代开始改变，但是周期性地起伏不定。在过去的15年里，冰的融化速度加快，这种融化推进到北部的深盆地中。

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有一段时间，科学家们认为融化的冰层可以提供一个有希望的 "碳汇集"，大气中的二氧化碳将被吸入隐藏在冰层下的寒冷、更渴望碳的水域。这种寒冷的水将比温暖的水容纳更多的二氧化碳，并可能有助于抵消大气中其他地方二氧化碳增加的影响。

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当蔡教授在2008年首次研究北冰洋时，他看到冰层已经融化到该地区西北角的楚科奇海之外，一直到加拿大盆地，这种融化速度远远超出了它的典型范围。他和他的合作者发现，新鲜的融化水并没有混入更深的水域，这将稀释二氧化碳。相反，表层水吸收了二氧化碳，直到它达到与大气中的水平差不多，然后停止收集它。他们在2010年《科学》杂志的一篇论文中报告了这一结果。

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他们知道，这也会改变北极水域的pH值，减少海水的碱性水平，降低其抵抗酸化的能力。但是有多大？又有多快？他们又花了十年的时间来收集足够的数据，以得出关于长期酸化趋势的合理结论。

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分析从1994年到2020年收集的数据。第一次有可能进行这样的长期展望，蔡教授、齐迪教授和他们的合作者发现，海水酸化程度有了很大的提高，而且与冰雪融化的速度有很大的关系。

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他们指出，海冰融化是解释pH值迅速下降的关键机制，因为它以三种主要方式改变了表面水的物理和化学性质。

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海冰下的水原本缺少二氧化碳，现在暴露在大气中的二氧化碳中，可以自由吸收二氧化碳。与融水混合的海水很轻，不容易混入深层水域，这意味着从大气中摄取的二氧化碳集中在表面。融水稀释了海水中的碳酸盐离子浓度，削弱了其将二氧化碳中和为碳酸氢盐的能力，并迅速降低了海洋的pH值。

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研究人员需要更多的研究来进一步完善上述机制并更好地预测未来的变化，但迄今为止的数据再次显示了气候变化的深远涟漪效应。

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研究人员发现了如果所有的多年生冰都被第一年生冰所取代，那么就会出现较低的碱度和较低的缓冲能力，酸化继续进行，到2050年，研究人员认为所有的冰都会在夏天消失。一些论文预测这将在2030年发生。如果海洋酸化按照目前的趋势再持续20年，夏季的酸化将非常非常强烈。

没有人确切地知道这将对依赖健康海水的生物和植物以及其他生物造成什么影响。

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根据包括美国特拉华大学教授蔡文君（Wei-Jun Cai）在内的国际合作团队在《自然-气候变化》杂志上发表的新的跨学科研究报告，海洋酸化（OA）在北冰洋西部的面积和深度上都在迅速蔓延。

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研究表明，在20世纪90年代至2010年期间，酸化水域从美国阿拉斯加西北部海岸的楚科奇斜坡向北扩展了约480公里（300海里），正好在北极下方。同时，发现酸化水域的深度也增加了，从大约100米增加到250米以上（或从325英尺增加到800英尺）。

"北冰洋是蔡文君教授团队看到的第一个酸化速度如此之快、规模如此之大的海洋，至少是在太平洋或大西洋观察到的酸化速度的两倍。

海洋酸化在北极西部的迅速蔓延对海洋生物有影响，特别是蛤蜊、贻贝和微小的海蜗牛，它们在日益酸化的水中可能难以建立或维持它们的外壳。被称为翼足类的海蜗牛是北极食物网的一部分，对鲑鱼和鲱鱼的饮食很重要。它们的减少可能会影响更大的海洋生态系统。

在北极的物种中，有可能受到海洋酸化的威胁的是虾和鲑鱼和螃蟹的品种的生计渔业。

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该国际项目的其他合作者包括中国国家海洋局第三海洋研究所的首席调查员和科学家陈立奇，以及中国厦门大学和瑞典哥德堡大学等机构的科学家。

太平洋冬季的水

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研究人员研究了中国破冰船 "雪龙 "号（意为 "雪龙"）在2008年夏季和2010年巡航期间从北极边缘海域的上层海洋到最北端纬度88度的盆地所采集的水样，以及其他三次巡航的数据。

科学家们测量了溶解的无机碳和碱度，这使他们能够计算pH值和文石的饱和状态，文石是一种碳酸盐矿物，海洋生物需要它来建造它们的外壳。

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船舶收集的数据和模型模拟表明，由环流模式和夏季海冰退缩驱动的太平洋冬季水（PWW）的增加，主要是造成这种海洋有机物扩张的原因。这项工作将有助于提高研究人员对北极地区气候变化、碳循环和海洋酸化的理解，特别是它对海洋和渔业科学和技术的影响。

太平洋冬季水（PWW）来自太平洋，通过白令海峡和楚科奇海的大陆架，进入北极盆地。近年来，海冰的融化使更多的太平洋水通过白令海峡流入北冰洋。太平洋水的二氧化碳含量已经很高，酸度也较高。随着海洋质量向北移动，它从水中和沉积物中分解的有机物中吸收了额外的二氧化碳，增加了酸度。

北极海冰在夏季的融化和退缩，也使得太平洋冬季水（PWW）比过去更向北移动，当时海流把它向西推向加拿大群岛。北极海冰在夏季融化，曾经只在深度小于650英尺或200米的浅水区发现，现在却进一步扩散到北冰洋。

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太平洋冬季水（PWW）就像漂浮在北冰洋上的一个融化的池塘。这是一个薄薄的水团，与上面的大气迅速交换二氧化碳，导致海水上面的融水中的二氧化碳和酸度增加，当冬季冰层形成时，冰层下面的酸化水变得密集，并下沉到水柱中，扩散到更深的水域。

美国国家海洋局、美国阿拉斯加大学和伍兹霍尔海洋研究所在《海洋学》杂志上的新研究表明，楚科奇海和波弗特海的表层水的酸度可能在2030年达到威胁动物建造和维持其外壳的能力的水平，白令海在2044年达到这种酸度水平。

研究表明，在15年内，楚科奇海和波弗特海这些水域的化学成分可能不再有足够的碳酸钙饱和度，从微小的海蜗牛到阿拉斯加帝王蟹的一些动物在一年中的某些时候可以建造和维持它们的外壳，这种由于海洋酸化引起的变化不仅会影响造壳动物，而且会波及整个海洋生态系统。

来自美国阿拉斯加大学费尔班克斯分校的科学家团队在2011年和2012年在对白令海、楚科奇海和波弗特海进行了两次为期一个月的考察，收集了水温、盐度和溶解碳的观测数据。

这些数据被用来验证该地区的一个预测模型，该模型计算了溶解在海水中的钙离子和碳酸根离子的数量随时间的变化，这是海洋酸化的一个重要指标。该模型表明，这些水平将在2025年波弗特海、2027年楚科奇海和2044年白令海下降到目前的范围以下。这项研究的一个关键进展是将现场观测的力量与数值模型结合起来，以更好地预测未来。

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海洋中的一种碳酸钙形式，称为文石，被动物用来建造和维持外壳。当钙和碳酸盐离子的浓度滑落到可接受的水平以下时，文石壳就会开始溶解，特别是在早期的生命阶段。当水的化学成分滑落到现在的范围以下时（因季节而异），造壳生物和依靠这些物种为食物的鱼类会受到影响。

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这个地区是我们国家一些最有价值的商业和自给性渔业的所在地。NOAA最新的美国渔业报告估计，按重量计算，近60%的美国商业渔业上岸量是在阿拉斯加收获的。这些58亿磅的货物带来了19亿美元的批发价值，或占2013年美国所有上岸货物价值的三分之一。

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白令海、楚科奇海和波弗特海的大陆架特别容易受到海洋酸化的影响，因为人类对二氧化碳排放的吸收并不是造成酸化的唯一过程。冰川融化，富含二氧化碳的深海水域上涌，河流的淡水输入，以及冷水比暖水吸收更多的二氧化碳，都加剧了该地区的海洋酸化。

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太平洋以及北极地区，由于其对海洋酸化的脆弱性，让我们提前看到了全球海洋将如何应对人类造成的二氧化碳排放的增加，这些二氧化碳正在被我们的海洋所吸收。科学家们增加在这一地区的观测，将有助于开发政策制定者和工业界所需要的环境信息，以应对日益增长的海洋酸化的挑战。

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