Carbon Balance and Management, 2006; 1: 2-2 (más artículos en esta revista)

Proyección de los efectos del cambio climático sobre la acidificación oceánica

BioMed Central
Ben McNeil I (b.mcneil @ unsw.edu.au) [1], Richard J Matear (richard.matear @ csiro.au) [2]
[1] sobre el Clima y el Medio Ambiente Laboratorio de Dinámica de la Facultad de Matemáticas de la Universidad de Nueva Gales del Sur, Sydney, NSW, Australia
[2] CSIRO Marine Research y la Antártida, el clima y los ecosistemas CRC, Hobart, Australia

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Resumen
Fondo

Antropógenas de CO 2 absorción por los océanos disminuye el pH del agua de mar, dando lugar a un "acidificación", que puede tener consecuencias perjudiciales potenciales en los organismos marinos [1]. Océano calentamiento o la circulación alteraciones inducidas por el cambio climático tiene el potencial de desaceleración de la tasa de acidificación de las aguas oceánicas al disminuir la cantidad de absorción de CO 2 por los océanos [2]. Sin embargo, un estudio reciente mostró que el cambio climático afecta a la disminución del pH insignificante [3]. En este sentido, examinar la sensibilidad de la futura acidificación oceánica al cambio climático de retroalimentación dentro de un acoplado atmósfera-océano y encontrar el modelo que el calentamiento del océano domina el cambio climático de retroalimentación.

Resultados

Nuestros resultados muestran que la disminución directa del pH debido al calentamiento del océano es aproximadamente igual a lo contrario, pero en magnitud a la indirecta aumento en el pH asociada con el calentamiento del océano (es decir, reducido DIC concentración de la parte superior del océano provocadas por la disminución de la solubilidad de CO 2).

Conclusión

Como el cambio climático de retroalimentación sobre el pH de aproximadamente cancelar, la acidificación oceánica futuro seguirá de cerca las futuras concentraciones atmosféricas de CO 2. Esto sugiere la única manera de desaceleración o mitigar las posibles consecuencias biológicas de la futura acidificación del océano es reducir de forma importante de combustibles fósiles que las emisiones de CO 2 a la atmósfera.

Fondo

El aumento de concentraciones atmosféricas de CO 2 a través de emisiones de combustibles fósiles conducirá a un aumento de CO 2 oceánico a través de equilibrio termodinámico. La química del carbono en agua de mar se somete a las siguientes reacciones de equilibrio en forma de CO 2 entra en el océano.

CO 2 + H 2 OH 2 CO 3 + H + + 2H 2H + (1)

El pH del agua de mar se define por la cantidad de iones H +: pH =-log 10 [H +]. El aumento de las concentraciones de CO 2 en la superficie del océano a través de antropogénicas de CO 2 absorción tendrá consecuencias para oceánicas pH. Como se muestra en la ecuación (1), cuando el CO 2 se disuelve en agua forma un ácido débil (H 2 CO 3), desvincula a la generación de bicarbonato de iones de hidrógeno (H +), lo que hace que el océano menos básicos (pH disminuye). El uso de un océano único modelo forzada con el CO 2 atmosférico proyecciones (IS92a), Caldeira y Wickett [4] predijo una disminución del pH de 0,4 unidades para el año 2100 y un nuevo descenso del 0,7 para el año 2300.

Futuro acidificación (reducción del pH) puedan afectar adversamente la biota marina, pero nuestra comprensión actual de la respuesta biológica potencial es limitado [1]. No obstante, se reconoce que el descenso del pH, se altera el ácido-base equilibrio con las células de organismos marinos [1]. Los organismos marinos intercelular regular el pH de la interconversión metabólica de ácidos y bases, el pasivo químicos buffering de intra y extra celular fluidos, y los activos de transporte de iones (por ejemplo, el transporte de protones extra-respiratorias proteínas celulares, como la hemoglobina) [5]. Ácido-base desequilibrios en los organismos marinos puede conducir a la disolución del exoskeletal componentes, tales como conchas calcáreas, supresión metabólica, la reducción de la síntesis de proteínas y la reducción de actividad [6, 7]. Los experimentos para determinar la probable respuesta de los organismos marinos a cambios de pH han inducido grandes cambios en el pH en condiciones de laboratorio (> 1) [8 - 13]. Poco se sabe sobre lo que el gradual efectos a largo plazo de reducción del pH será en los organismos marinos. Como cambios de pH tienen el potencial de repercutir directamente en la biota marina es importante para comprender la magnitud de estos cambios en virtud de elevados niveles de CO 2 y el calentamiento global.

Las proyecciones de las futuras disminuciones en el pH se han obtenido a partir de un océano único modelo que no ha examinado el efecto del cambio climático de retroalimentación sobre la química del carbono del océano [4]. Recientemente, un estudio exploró el papel que desempeña el cambio climático en la medida en la acidificación de los océanos [3]. El uso de tres modelos climáticos que encontraron el cambio climático a la insignificante impacto proyecciones de la futura disminución de pH. Sin embargo no hubo investigación sobre este resultado, aunque los mismos modelos utilizados predecir grandes reducciones de CO 2 oceánico absorción debido al cambio climático en asociación con la temperatura, la circulación y retroalimentación biológica [2]. En este estudio utilizamos un modelo climático para examinar, discutir y partición de la que domina el cambio climático de retroalimentación controlar el futuro la superficie del océano de pH.

Resultados y discusión

Los cambios en la superficie de pH reflejar los cambios en la especiación de carbono en el océano y están en función de la temperatura, salinidad, alcalinidad y las concentraciones DIC. Con el cambio climático, el modelo prevé una media de la temperatura de la superficie (SST) para calentar de 18 ° C a alrededor de 21,5 ° C para el año 2100 (Figura 1b], mientras que la media mundial de la salinidad superficial del mar (SSS) refresca de 34,71 a 34,53. La salinidad normalizado Alcalinidad seguía siendo casi constante a un promedio global de concentración de 2270 μ mol / kg. Con el cambio climático, proyecto para el año 2100 que la superficie del océano DIC concentración es de 18% menos que el experimento de control (DIC reducción en el crecimiento de 135 μ mol / kg a 110 μ mol / kg; ver Figura 1c]. La reducción del crecimiento en DIC concentración con el cambio climático en gran parte refleja la reducción de la solubilidad de CO 2 en la superficie del agua debido al recalentamiento del planeta. Nos parece que disminuye el pH a ser insensible al cambio climático con prácticamente ninguna diferencia entre la transitoria y el control experimento (Figura 1d]. Para ambos experimentos, el pH promedio a nivel mundial se prevé una disminución de 8,17 en el año 1880 a alrededor de 7,91 para el año 2100.

La insensibilidad de pH para el cambio climático está asociado a compensar los efectos relacionados con el calentamiento del océano comentarios. Figura 2 ilustra mejor la influencia de la DIC y la temperatura superficial del mar (TSM) en el pH en relación con la evolución tanto del control y el cambio climático a partir de experimentos del modelo. La evolución del pH de 1880 a 2100 para el control del experimento se ilustra por la línea AC, mientras que la línea AD en la Figura 2 es la evolución del cambio climático experimento. En el experimento de control, no hay cambios en la TSM, mientras que la absorción oceánica de antropogénicas de CO 2 aumenta la concentración de DIC (de ~ 135 μ mol / kg), lo que en consecuencia, disminuye considerablemente el pH. Bajo el cambio climático, al tiempo que aumenta la SST DIC concentración aumenta en menor medida que para el control (de ~ 110 μ mol / kg). La diferencia entre los puntos C y D se muestra la red de afectar el cambio climático en el pH. Para pH, punto C y D (neto comentarios sobre el cambio climático) se encuentran en casi exactamente los contornos de pH constante, por lo tanto, lo que implica que el cambio climático no tiene netas proyectadas afectan a la disminución de pH.

La solubilidad impulsado por la reducción en el crecimiento de la superficie DIC concentración debido al calentamiento aumentar el pH de una magnitud que es casi igual a la disminución del pH directamente relacionados con el calentamiento del océano, lo que causa las dos afecta a casi anular sí. En la Figura 2, las líneas de pH constante son casi paralelas a las pendientes de la . Como consecuencia de ello, las proyecciones mundiales disminución del pH del cambio climático experimento no difiere de la proyección hecha con el control del experimento.

Para investigar la importancia de las diferentes propiedades del agua en los cambios mundiales-un promedio de pH, se compara el cambio de pH entre el experimento de control y el cambio climático experimento para cada cambio de agua de propiedad (es decir, ). Futuro variaciones en la salinidad y la alcalinidad tienen poco efecto sobre el pH, mientras que los efectos directos de calentamiento del océano (SST) y los efectos indirectos en DIC (solubilidad cambios inducidos) dominan (Figura 3]. Para el pH, los votos negativos asociados con una reducción en el crecimiento de la superficie DIC concentraciones debido a la solubilidad se ve compensado por los comentarios positivos relacionados con los efectos directos de calentamiento del océano (Figura 3]. El neto global del cambio climático comentarios impacto sobre el pH es pequeño. Sin embargo, tal como se describe anteriormente los modelos climáticos muestran diferentes sensibilidades y que no está claro si este resultado es único para el CSIRO modelo climático. Hay pruebas circunstanciales sugieren que este fenómeno puede ser independiente del tipo de modelo climático usado. El IPSL modelo climático tiene una menor sensibilidad (~ 3,6 ° C), pero se encontró a someterse a la insensibilidad de pH similar en cuanto a la CSIRO modelo climático en Orr et al. (2005). Análisis de modelos con una amplia gama de sensibilidades aclarar aún más si nuestros resultados son más indicativos de los modelos climáticos en general.

El CO 2 de la bomba biológica dentro de nuestras simulaciones cambiado considerablemente con la disminución de las exportaciones de carbono con el cambio climático [2]. Estos cambios también dar lugar a cambios en el pH en la columna de agua, sin embargo, en la superficie del océano, mediada biológicamente cambios de pH se encontraron a ser insignificante.

Figura 4a se muestra la evolución de zona de pH en la superficie del océano hasta el año 2100. Tanto el pH de distribución a lo largo de la misma disminución zonally es relativamente uniforme, con una reducción de alrededor de 8,2 a 7,9, aunque el Océano Ártico es más básico (~ 8.3). Figura 4b muestra la zona de pH evoution relacionados con la red de información sobre el cambio climático. Hay muy poca variación en la magnitud y la estructura de la meridional cambio en el pH debido al cambio climático. En el Océano Ártico (> 60 ° N), sin embargo, hay una reacción positiva y una débil reacción positiva en el Océano Austral alto (> 65 ° S) más allá del año 2070. Para estas regiones, el cambio climático reduce la extensión del hielo marino lo que permite mayor absorción antropógenas de CO 2 independientes calentamiento de los océanos, lo que reduce el pH más allá de que de otras partes del océano.

Conclusión

Nuestro estudio confirma anteriores sugerencias de que el cambio climático reacciones no influyen en la reducción de pH. Esta falta de sensibilidad al cambio climático se produce debido a la disminución del pH debido al calentamiento es casi igual pero opuesta a la magnitud de aumento del pH asociada con reducción del crecimiento de DIC concentración en la parte superior del océano provocadas por la disminución de la solubilidad de CO 2 con el calentamiento del océano (Figura 2 ). Por lo tanto, las proyecciones que hacen caso omiso del cambio climático [4] proporcionar una estimación razonable del futuro cambio de pH. Las proyecciones futuras de la acidificación del océano, por lo tanto, todo dependerá en el futuro nivel de CO 2 atmosférico. Las consecuencias de un pequeño pero sostenido descenso en el pH de los océanos el fitoplancton marino son prácticamente desconocidos. Será importante para los ecologistas marinos en el futuro para comprender mejor las sensibilidades de crecimiento del fitoplancton a pH en particular, a fin de cuantificar mejor los posibles futuros cambios biológicos en los planos regional y mundial.

Métodos
Modelo

El acoplado atmósfera-océano de hielo del ciclo del carbono modelo desarrollado por la Comunidad Científica Industrial Research Organisation (CSIRO) se utilizó para este estudio [14]. Detalles del modelo se describen en otros lugares [2]. El cambio climático reacciones fueron cuantificados mediante la comparación de dos experimentos modelo climático. El 'control' experimento no incluyen los efectos del calentamiento de los gases de efecto invernadero elevadas en la atmósfera (sin forzamiento radiativo), mientras que el "cambio climático" experimento incluye explícitamente el forzamiento radiativo de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Para ambos experimentos atmosféricas de CO 2 aumentaron los niveles de acuerdo a las observaciones entre 1880 y 1995, seguido IS92a proyecciones hasta el año 2100 [15]. Las diferencias en los modelos climáticos mantener diferentes sensibilidades a climático antropogénico forzar. La sensibilidad se define como la temperatura mundial anual de cambio asociado con una duplicación del CO 2 atmosférico. La sensibilidad de la CSIRO Mark II modelo climático es de 4,3 ° C [16], y se encuentra en el extremo superior de modelo mundial sensibilidades [15].

Autores de las contribuciones

BIM inició el estudio y RJM desarrollado el modelo de ciclo de carbono. BIM analiza el modelo de producción, siempre que el principal para la interpretación del papel y escribió un proyecto de manuscrito. RJM proporcionó más interpretaciones y aprobó la versión final.

Agradecimientos

Reconocemos las sugerencias constructivas del editor, Christopher Sabine, Mark Baird y tres revisores anónimos. BIM fue apoyada a través de una donación del Consejo de Investigación Australiano RJM, mientras que fue apoyada a través de la Oficina de Gases de Efecto Invernadero de Australia al programa sobre cambio climático.