북극해의 해양 산성화

북극해의 면적은 14,056,000km이고, 평균 수온이 화씨 32도임에도 불구하고 다양하고 중요한 생물들의 사회경제적 먹이사슬을 지원한다.^[1] 지난 30년 동안 북극해는 기후 변화로 급격한 변화를 겪어왔다.^[1] 그 변화들 중 하나는 태평양과 대서양의 두 배 속도로 꾸준히 증가하고 있는 바다의 산성도에 있다.^[2] 북극해 산성화는 기후 시스템 메커니즘으로부터의 피드백의 결과로서, 북극해 생태계와 그 안에 살고 있는 유기체에 부정적인 영향을 미치고 있다.

과정

해양 산성화는 전 세계적으로 일어나는 과정인 대기와 대기의 등거리교정에 의해 발생한다. 대기 중의 이산화탄소는 안정되고 바다로 용해된다. 이 반응 동안 이산화탄소는 물과 반응하여 탄산을 형성한다. 탄산은 중탄산염 이온과 수소 이온으로 분리된다.^[3] 이 반응은 물의 pH를 낮추어 효과적으로 산성화시킨다.^[3] 해양 산성화는 전 세계의 모든 바다에서 일어나고 있다. 산업혁명이 시작된 이래로, 세계 해양은 약 5,250억 톤의 이산화탄소를 흡수했다.^[1] 이 기간 동안 세계 해양 pH는 8.2에서 8.1로 집합적으로 감소했으며, 기후 모델링은 2100년까지 pH가 0.3 단위 더 감소할 것으로 예측했다.^[1] 그러나 북극해는 냉수온도가 낮아지고 수온이 낮아짐에 따라 가스의 용해도가 높아져 더욱 큰 영향을 받았다. 차가운 북극 물은 따뜻한 태평양과 대서양에 비해 더 많은 양의 이산화탄소를 흡수할 수 있다.^[4]

북극해의 산성화에 따른 화학적 변화는 생태학적, 사회경제적으로 부정적인 영향을 미치고 있다. 환경의 화학적 변화로 북극 유기체는 새로운 스트레스 요인에 도전하게 된다. 이러한 스트레스 요인은 이러한 유기체에 해로운 영향을 미칠 수 있으며, 어떤 것들은 다른 것들보다 더 많은 영향을 받는다. 석회화 유기체는 생존하기 위해 탄산염 가용성에 의존하기 때문에 특히 이러한 변화하는 물 구성의 영향을 가장 많이 받는 것으로 보인다. 용해된 탄산염 농도는 이산화탄소가 증가하면서 감소하고 물 속 pH가 낮아진다.^[5]

생태 음식 거미줄도 산성화에 의해 변형된다. 산화는 많은 물고기의 성장 능력을 떨어뜨릴 뿐 아니라 이러한 어업에 의존하는 인간에게도 영향을 미친다.^[1] 경제적 효과는 인기 있는 물고기 수를 감소시키는 먹이 그물망 이동에 기인한다. 이러한 물고기 개체수는 수산업에 종사하는 사람들에게 일자리를 제공한다.^[6] 명백하게, 해양 산성화는 어떠한 긍정적인 혜택도 결여되어 있고, 그 결과, 미국 및 다른 기관들 내에서도 해양 연구 과학 위원회, 유네스코 정부간 해양학 위원회, 해양 탄소 및 생물 화학 프로그램, 통합 해양 생물학 프로그램, 통합 해양 생물학 프로그램 등의 우선 순위에 높은 순위에 올랐다.생태화학 생태계 연구 프로젝트와 해양 리더십 컨소시엄.^[1]

원인들

해빙 감소

북극해빙은 지난 수십 년간 극도의 감소를 경험해 왔으며, 2019년 해빙 최소면적이 432만 km로²,^[7] 최소면적이 701만 km였던² 1980년에 비해 38%나 급감했다.^[8] 해빙은 북극해의 건강에 중요한 역할을 하며, 그 감소는 북극해 화학에 해로운 영향을 끼쳤다. 모든 바다는 대기권 밖으로 이산화탄소를 끌어내어 대기와 평형을 이루며 물의 pH를 낮춘다.^[9] 해빙은 물이 대기에 완전히 노출되지 않도록 보호함으로써 이산화탄소와^[10] 공해 가스 교환을 제한한다. 강한 냉각, 신선한 물의 유출, 해양 유기체로부터의 광합성 때문에 낮은 이산화탄소 수치는 북극해에 중요하다.^[10] 해빙의 감소는 더 많은 이산화탄소가 북극의 물과 평형화되도록 하여 산성화를 증가시켰다. 해빙의 감소는 또한 태평양 겨울 물이라고 불리는 겨울 동안 더 많은 태평양의 물이 북극해로 흘러들게 했다. 태평양의 물은 이산화탄소가 많고, 해빙의 양이 줄어들면서 더 많은 태평양의 물이 이산화탄소를 운반하면서 북극해로 들어갈 수 있게 되었다. 이 태평양 겨울 물은 산성화된 물의 깊이를 증가시킬 뿐만 아니라 북극해를 더욱 산성화시켰다.^[2]

녹는 메탄 하이드레이트

기후 변화는 북극해 내의 여러 기후 시스템의 불안정을 야기하고 있다. 기후 변화가 영향을 미치는 한 가지 시스템은 메탄 하이드레이트다. 메탄 하이드레이트는 대륙 여백을 따라 위치하며, 고기압에 의해 안정되고, 균일하게 낮은 온도도 안정된다. 기후 변화는 압력을 낮추고 온도를 증가시켜 메탄 하이드레이트가 녹아서 북극해로 메탄을 방출할 수 있게 함으로써 북극해 내의 이러한 메탄 하이드레이트를 불안정하게 만들기 시작했다.^[11] 메탄이 물에 방출되면 혐기성 대사나 해양 침전물 속 미생물에 의한 유산소 대사를 통해 사용하거나 바다에서 대기 중으로 방출될 수 있다.^[11] 해양 산성화에 가장 큰 영향을 미치는 것은 물기둥에 있는 미생물에 의한 에어로빅 산화다.^[11] 이산화탄소는 물 속의 메탄과 산소의 반응에 의해 생성된다. 그러면 이산화탄소는 물과 평형을 이루며 탄산을 생성하는데, 탄산은 평형을 이루어 수소 이온과 중탄산을 방출하고 나아가 해양 산성화에 기여한다.

북극생물에 미치는 영향

북극해의 유기체들은 극도의 차가운 물과 같은 높은 환경적 스트레스를 받고 있다. 이러한 높은 스트레스 환경은 해양 산성화 인자가 이들 유기체에 더 강한 영향을 미치게 할 것으로 생각된다. 그것은 또한 북극이 바다의 다른 부분에 나타나기 전에 북극에 이러한 효과를 나타나게 할 수도 있다. 해양생물의 해양산화 증가에 대한 민감도에는 상당한 차이가 있다. 석회화 유기체는 석회화되지만 부정적인 영향을 받지 않는 갑각류를 제외하고, 일반적으로 수많은 반응 변수에 걸쳐 비석회화 유기체보다 해양산화에 따른 부정적 반응이 더 크다.^[12] 이것은 주로 석회화 생물이 이용하는 해양 생물 유발 석회화 과정 때문이다.

석회화생물

탄산염 이온(CO₃^2-)은 플랑크톤이나 조개류 같은 해양 석회화 생물체에서 탄산칼슘(calcium carbonate)을 생산해야 하기 때문에 필수적이다.CaCO₃) 포탄과 해골.^[13] 바다가 산성화되면서 바닷물에 의한 CO₂ 흡수량이 증가하면 수소 이온의 농도가 높아져 물의 pH가 낮아진다.^[14] 무기 탄소계의 화학 평형에서의 이러한 변화는 이러한 탄산염 이온의 농도를 감소시킨다. 이것은 이 유기체들이 조개껍질과 해골을 만드는 능력을 감소시킨다.

해양생물이 생산하는 탄산칼슘의 두 다형체는 아라곤이트와 석회석이다. 이것들은 석회화 유기체의 껍질과 뼈대 대부분을 구성하는 물질들이다. 예를 들어 아라곤사이트는 산호의 외골격뿐만 아니라 거의 모든 연체동물 껍질들을 구성한다.^[13] 이러한 물질의 형성은 바닷물의 CaCO₃ 포화 상태에 따라 달라진다. CaCO에₃ 포화된 물은 강수량 및 CaCO₃ 껍질 및 골격 형성에 유리하지만, 과포화 된 물은 CaCO₃ 껍질에 부식성이 있다. 보호 메커니즘이 없을 때 탄산칼슘의 용해가 발생할 것이다. 북극의 차가운 물이 CO를₂ 더 많이 흡수할수록₃^2- CO의 농도가 감소하기 때문에, 따라서 탄산칼슘의 포화도는 열대나 온대양보다 고위도 해양에서 낮다.^[10]

CaCO의₃ 과소화는 석회화 유기체의 껍질이 녹게 하고, 이것은 생태계에 파괴적인 결과를 가져올 수 있다.^[15] 껍질이 녹으면서 유기체는 적절한 건강을 유지하기 위해 고군분투하며, 이는 대량 사망으로 이어질 수 있다. 이러한 많은 해양 석회화 생물들이 키스톤 종이기 때문에, 이러한 많은 종의 상실은 북극해의 해양 먹이 그물에 강렬한 결과를 초래할 수 있다. 높은 CO₂ 환경에서 다양한 해양 생물군에 대한 실험실 실험에 따르면 아라곤산 포화도의 변화는 coccolithopore, foraminifera, pteropods, 홍합, 조개를 포함한 많은 종류의 해양 생물에 대해 전체적인 석회화 속도에 상당한 변화를 일으킨다.^[10]

비록 북극의 물의 undersaturation 유기체들의 능력 자신들의 껍데기를 촉진시키기 위해에 영향을 미치는 것으로 증명되었고, 최근의 연구들은 산호, coccolithophores, 유공충류와 이매패와 같은 calcifiers의 석회화율 pCO2이 높아지면서 바닷물 CaC에 관한로 과포화 상태 심지어의 감소 보여 주었다.O. 또한 pCO의₂ 증가는 다양한 해양 석회화학의 생리, 성장, 생식 성공에 복합적인 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.^[16]

라이프 사이클

CO₂ 허용오차는 다양한 해양 생물과 다른 수명 주기 단계에서의 CO 허용오차₂(예: 애벌레와 성체)에 따라 다른 것으로 보인다. 높은 CO2 함량으로부터 심각한 위험에 처한 해양 석회화기의 라이프사이클의 첫 번째 단계는 플랑크톤 애벌레 단계다. 주로 성게와 이발소와 같은 몇몇 해양 종의 애벌레 발달은 해수 pCO의₂ 상승에 의해 큰 영향을 받는다.^[16] 실험실 실험에서, 많은 성게 배아가 애벌레 단계로 발전할 때까지 다른 CO₂ 농도로 사육되었다. 일단 이 단계에 도달하면 애벌레와 팔의 크기가 현저히 작아지는 것은 물론, 비정상적인 골격 형태학도 pCO₂ 증가와 함께 주목받은 것으로 나타났다.^[16] CO₂ 처리된 홍합 유충에서도 유사한 결과가 발견되었는데, 이는 애벌레 크기가 약 20% 감소하고 볼록한 경첩, 약하고 얇은 껍질, 맨틀 돌출 등 형태학적 이상을 보였다.^[17] 유충의 몸 크기는 또한 식품 입자의 접촉과 간격률에도 영향을 미치며, 유충 껍질이 작거나 변형되면 이들 유충은 굶주리기 쉽다. 또한 CaCO₃ 구조는 포식 방지, 먹이 공급, 부력 제어 및 pH 조절 등의 역할뿐만 아니라 석회화된 유충에 대한 중요한 기능을 제공한다.^[16]

해양 산성화에 의해 심각하게 영향을 받을 수 있는 종의 또 다른 예는 프테로포드인데, 다양한 생태계의 먹이-웹에서 중요한 역할을 하는 펠라믹 연체동물을 깎은 것이다. 그들은 아라곤성 껍데기를 가지고 있기 때문에, 인공적인 이산화탄소₂ 배출의 증가로 인한 해양 산성화에 매우 민감할 수 있다. 실험실 실험 결과 석회화는 현재 pH 값보다 2100년에 예상되는 북극해의 pH 값이 28% 감소하는 것으로 나타났다. 낮은 pH 조건에서 석회화의 28% 감소는 산호와 같은 다른 석회화 유기체에 대해 보고된 범위 내에 있다.^[5] 성게와 쌍생애벌레와는 대조적으로 산호와 해양새우는 정착 후 해양산화의 영향을 더 심하게 받는 반면 용종 단계로 발전했다. 실험실 시험에서, 산호의₂ CO 처리된 폴리프 내골격의 형태학은 대조군 폴리프의 방사형 패턴에 비해 교란되고 기형되었다.^[16]

해양 산성화가 서로 다른 유기체의 다른 수명 주기 단계에 미치는 영향의 이러한 변동성은 대부분의 에치노데름과 연체동물이 유충 단계에서 껍질과 골격 합성을 시작하고 산호는 정착 단계에서 시작한다는 사실에 의해 부분적으로 설명될 수 있다.^[16] 따라서, 이러한 단계들은 해양 산성화의 잠재적인 영향에 매우 민감하다. 산호, 에치노데름, 이발관, 갑각류 등 대부분의 석회화는 키스톤종, 바이오터버터, 생태계 엔지니어로서 연안 생태계에서 중요한 역할을 한다.^[16] 북극해의 먹이 그물은 다소 잘려 있는데, 그것은 짧고 단순하다는 것을 의미한다. 먹이사슬의 주요 종에 대한 어떠한 영향도 나머지 먹이 사슬 전체에 기하급수적으로 파괴적인 영향을 끼칠 수 있다. 왜냐하면 그들은 더 이상 믿을 수 있는 먹이 공급원을 갖지 못할 것이기 때문이다. 만약 이 더 큰 유기체들이 더 이상 영양소를 공급받지 않는다면, 그들 역시 결국 멸종할 것이고, 북극 해양 생태계 전체가 영향을 받을 것이다. 이것은 생계를 위해 북극 물고기를 잡는 북극 사람들에게 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라 이러한 가족의 식량과 생활 수입의 심각한 부족에 따른 경제적 파장을 가져올 것이다.

참조