مخاطر ازدياد حموضة مياه المحيطات

مخاطر ازدياد حموضة مياه المحيطات^(*)

يدخل الكثير من غاز ثنائي أكسيد الكربون المنبعث من احتراق الوقود

الأحفوري في المحيطات، حيث يغيّر التوازن الحمضي لمياه البحر.

وقد يكون تأثير هذا التغير في الحياة البحرية كبيرا جدا.

<C.S.دوني>

 

 

في عام 1956، أشار كل من<R.ريفل> و<H.سويس> [وهما جيوكيميائيان يعملان في معهد سكريپس لعلم المحيطات في كاليفورنيا] إلى الحاجة إلى قياس كمية غاز ثنائي أكسيد الكربون(CO₂) في الهواء والمحيطات للوصول إلى «فهم أوضح للتأثيرات  المناخية المحتملة الناجمة عن الإنتاج الصناعي الكبير المتوقع لثنائي أكسيد الكربون في الخمسين سنة القادمة.» وبتعبير آخر أرادا أن يفهما كيف يمكن أن تكون عليه الوضعية المنذرة بالكارثة في الوقت الحاضر؛ ولذلك يبدو مدهشا أن يحتاجا الآن إلى البرهنة على أهمية مثل هذه الملاحظات، ولكن في ذلك الوقت لم يعرف العلماء بالتأكيد فيما إذا كان ثنائي أكسيد الكربون المنطلق من عوادم الآلات ومداخن المعامل، يمكن أن يتراكم فعلا في الغلاف الجوي. وقد اعتقد البعض بقدرة مياه البحر على امتصاص جميع ثنائي أكسيد الكربون أو أن تمتصه نباتات اليابسة.

 

 

تتعرّض الشعاب المرجانية ـ والتنوُّع البيولوجي (الحيوي) الرائع الذي تعيله ـ لهجوم قوي متعدّد، يشمل التعرّض لموادّ كيميائية سامة ولتخريب فيزيائي مباشر. وربما كان التهديد الأعظم والمعروف بدرجة أقل هو تغيّر كيمياء مياه المحيطات الذي يسبّبه احتراق الوقود الأحفوري. ففي الوقت الحاضر، يدخل إلى مياه المحيطات ثلث كمية ثنائي أكسيد الكربون(CO2) المنطلق من عملية الحرق هذه خافضا بذلكً الرقم الهدروجيني pH  لمياهها القلوية الطبيعية. وهذا الانحراف نحو ظروف أكثر حمضية يضعف قدرة المرجانيات (والكثير من الكائنات الحية البحرية الأخرى) على النمو.

 

فقد رأى <ريفل> مع الراحل<D.C.كيلنگ> [الباحث الشاب الذي استخدمه في هذا المشروع] أنّه كان عليهما أن يضعا المعدّات في أمكنة بعيدة عن المصادر المحلية لإطلاق ثنائي أكسيد الكربون وامتصاصه، التي ربّما تُعطي قياسات متغيرة بصورة مضلِّلة. وكان أحد الأمكنة الذي اختاراه بعيدا كل البعد عن النشاطات الصناعية والغطاء النباتي الذي يمكن أن يصل إليه أي شخص: وهو القطب الجنوبي. أمّا المكان الآخر فكان في محطة الأرصاد الجوية المقامة على قمة مونا لوا في جزيرة هاواي.

 

استمر الرصد في مونا لوا من عام 1958 حتى الوقت الحاضر  (باستثناء انقطاع واحد قصير). ولأن موقع هاواي ليس بعيدا كموقع القطب الجنوبي، فهو يُري ارتفاعا وهبوطا حادّين في مستويات ثنائي أكسيد الكربون متوافقة مع تغيّر الفصول في نصف الكرة الشمالي، إلا أنه في نهاية كل سنة يصبح تركيز هذا الغاز الحابس للحرارة أعلى ممّا كان عليه قبل12 شهرا. وهكذا لم يمض زمن طويل  على المجتمع العلمي ليدرك أنّ <ريفل> كان مصيبا _ فمعظم ثنائي أكسيد الكربون المنطلق إلى الغلاف الجوي مقدّر له أن يبقى هناك. كما أن حساباته كانت صحيحة عندما أوضح أنّ جزءا مهما من هذا الغاز ينتهي في البحر. لقد كان واضحا لدى<ريفل> منذ مدة طويلة أنّ الجزء الذي انتهى في البحر سيغيّر كيميائية مياه البحر تغييرا جوهريا. وبخلاف بعض مظاهر التغيّر المناخي، فإنّ حقيقة هذا التأثير _ وهو بصورة أساسية ازدياد حموضة مياه المحيطات _ لم تُناقش بصورة جدية، مع أنّ تأثيراتها الكاملة قد بدأ كشفها حاليا.

 

كم هو غير طبيعي؟^(**)

 

سِجلّ نصف القرن الذي قدّمه <كيلنگ> قيّم للغاية، غير أنّ مدته كانت قصيرة جدا لوضع الحالة الراهنة في سياقها؛ ومع ذلك استطاع العلماء الحصول على عرض أطول مدةً وذلك بقياس الفقاعات الهوائية المحبوسة في لباب الجليد. فقد توصّلوا من هذا الأرشيف الطبيعي إلى أن تركيز ثنائي أكسيد الكربون في الغلاف الجوي كان ثابتا تقريبا لعدة آلاف من السنين وبعدها بدأ بالزيادة بسرعة مع بداية عصر التصنيع في القرن التاسع عشر. إنّ نسبة هذا الغاز في الوقت الحاضر أعلى بنحو 30% عما كانت عليه قبل عدة مئات من السنين، ومن المتوقّع أن تصبح ضعفي أو ثلاثة أضعاف مستواها السابق في نهاية هذا القرن.

 

يأتي المدد المتنامي من الكربون في جزئه الأكبر من احتراق الوقود الأحفوري: الفحم الحجري والنفط والغاز الطبيعي (تضيف صناعة الأسمنت واحتراق الغابات المدارية بعضا منه أيضا. وللتبسيط دعنا نصرف النظر عن هذا الرقم الثانوي من أجل الوضوح). وبخلاف مكونات الكائنات الحية، لا يحوي الوقود الأحفوري_ أو يحوي القليل من_ الشكلَ المشعّ من الكربون؛ أي من نظير الكربون 14 الذي  يتألّف من ثمانية نيوترونات في نواته عوضا عن ستة نيوترونات في الكربون العادي. كما أن في الوقود الأحفوري نسبة فريدة من نظيري الكربون المستقرين (الكربون 12 والكربون13)؛ ومن ثم فإن احتراق الوقود الأحفوري سيترك بصمة نظيرية متميّزة في الغلاف الجوي. وهكذا لا يمكن لأحد أن يتساءل من أين تأتي الزيادة المتنامية من ثنائي أكسيد الكربون.

 

يمكن أن تتغيّر معدّلات الامتصاص. وفي وقتنا الحاضر فإنّ نحوا من40% من ثنائي أكسيد الكربون المنبعث من الوقود الأحفوري  يبقى في الغلاف الجوي؛ أمّا الباقي فتمتصه نباتات اليابسة أو مياه المحيطات، بنسب متساوية تقريبا. إنّ حقن كربون الوقود الأحفوري في مياه البحر لا يكوّن حاليا إلا إضافة صغيرة نسبيا إلى المحيط الذي هو مستودع ضخم لهذا العنصر الطبيعي؛ ولذلك يتطلّب تحرّي الامتصاص وتحديد كميته قياسات دقيقة دقّة واحد في الألف. ونظرا إلى أن كميات الكربون تتغيّر من مكان إلى آخر، فإنّ العمل يحتاج أيضا إلى الموارد والمثابرة لمسح تركيزات الكربون عبر العالم. لقد قام علماء المحيطات بهذا العمل تماما في أواخر الثمانينات والتسعينات من القرن الماضي، كجزء من تقييم عالمي قامت به مجموعتا بحث عرفتا باسميهما المختصري JointGlobal Ocean FluxStudy) JGOFS)وWorld OceanCirculation Experiment)WOCE).

 

ومع ذلك لم تتمكّن تلك المسوح من التمييز في الكربون المقاس بين ما هو طبيعي وما هو مشتق من ثنائي أكسيد الكربون الذي طرحه الناس في الهواء. ولإنجاز هذا العمل قام في عام1996<N.كروبر> [الذي يعمل حاليا في جامعة كاليفونيا، لوس أنجلوس] مع اثنين من زملائه، بتطوير تقنية جديدة. إنّ تطبيق طريقة <كروبر> على معلومات المجموعتين JGOFS و WOCE ، هذا التمرين الذي انتهى في عام2004، يوحي بأنّ المحيطات امتصت تماما نصف الكربون الأحفوري المنطلق إلى الغلاف الجوي منذ بداية الثورة الصناعية.

 

والطريقة الأخرى لتوثيق هذه العملية هي إجراء قياسات متكررة للكربون في الجزء نفسه من المحيط. ويجب الحذر في تمييز الكربون الأحفوري من المصادر البيولوجية المختلفة لعنصر الكربون في مياه البحر. وتحتاج الملاحظات إلى عقد من الزمن أو أكثر للكشف عن الاتجاه الكلي الناتج من حرق الوقود الأحفوري مقابل خلفية التغيّرات الطبيعية. لقد قمت في العام الماضي (2005) مع <R.فانّينكوف> [من مختبرNational OceanicandAtmosphericAdministration’sAtlantic OceanographicandMeteorologicalLaboratory] بقيادة بعثة بحث لإجراء تجربة مثل هذه تماما.

 

 

منذ بداية الثورة الصناعية، امتصت المحيطات بصورة كاملة نصف كمية الكربون الأحفوري المنطلقة في الغلاف الجوي.

 

 

لقد أمضينا شهرين تقريبا مع فريق مكون من 31 عالما وفنيا وطالبا على متن  مركب لأخذ العينات من أجل دراسة الخواص الكيميائية والفيزيائية لجنوب غرب المحيط الأطلسي، بدءا من سطحه إلى قاعه ومن القطب الجنوبي إلى خط الاستواء، وهي الشريحة نفسها من المحيط التي قمت بقياسها مع علماء آخرين في عام1989 عندما كنت طالب دراسات عليا.

 

وعندما قارنا ملاحظاتنا التي أجريناها في عام 2005 بتلك التي أجريت قبل16 سنة، وجدنا أنّ تركيز الكربون في مئات الأمتار القليلة العليا من المحيط الأطلسي في الوقت الحاضر أعلى ممّا كانت عليه في الماضي القريب، وهو متوافق مع فكرة أنّ البحر يمتص ثنائي اكسيد الكربون الجوي. وقد وجد علماء بحار آخرون اتجاهات مشابهة في المحيطين الهادئ والهندي. فما هو بالضبط ما يُنذر به هذا التغيّر في البيئة البحرية؟

 

نظرة إجمالية/ثنائي أكسيد الكربون في المحيطات(***)    في الوقت الحاضر، ينتهي في المحيطات نحو ثلث كمية ثنائي أكسيد الكربون (CO2) المنطلق من احتراق الوقود الأحفوري.  يتكوّن حمض الكربون من ثنائي أكسيد الكربون الممتص في مياه البحر مخفضا بذلك مستوى الرقم الهدروجينيpH السائد (الذي هو  قليل القلوية) ومغيّرا توازن أيونات الكربونات والبيكربونات.  إنّ الانزياح نحو الحموضة والتغيّرات في كيميائية مياه المحيطات التي تنشأ، تجعل بناء المخلوقات البحرية لأجزائها الصلبة من كربونات الكالسيوم أكثر صعوبة. وهكذا فإن انخفاض الرقم الهدروجيني يهدّد مجموعة من الكائنات الحية البحرية تتضمّن المرجانيات التي هي أحد مواطن الكائنات الأغنى على الكرة الأرضية.  وخلال قرن من الزمن سيصبح سطح المحيط الجنوبي مؤذيا لأصداف القواقع (الحلزونيات) الصغيرة التي تشكًل حلقة مهمة من حلقات سلسلة الغذاء البحري ضمن هذه المنطقة المرتفعة الإنتاج.

 

مراجعة لأوليات كيمياء المحيطات^(****)

 

مع الأسف، يتطلّب تفسير هذه التغييرات في مياه المحيطات، مراجعة لبعض دروس كيمياء السنة الأولى الجامعية؛ ولكن الأمر ليس شاقا. يتحد ثنائي أكسيد الكربون(CO₂) مع الماء (H₂O) ليشكّل حمض الكربون الضعيف (H₂CO₃)، وهو  الحمض نفسه الموجود في المشروبات الغازية الكربوناتية. وهو مثل جميع الحموض يطلق أيونات الهدروجين (H⁺) في المحلول، ويُحرّر أيضا أيونات البيكربونات(HCO₃^-1) مع كمية أقل من أيونات الكربونات(CO₃^-2). ويبقى جزء  صغير من حمض الكربون في المحلول من دون أن يتفكّك مع كمية صغيرة أيضا من ثنائي أكسيد الكربون. والخليط الناتج المؤلّف من مركبات الكربون والأيونات هو إلى حد ما خليط معقّد.

 

والنتيجة البسيطة الوحيدة لكل هذا الذوبان والتفكّك هي زيادة في تركيز أيون الهدروجين، حيث يقدّر الكيميائيون عادة كميتها بمقياس الرقم الهدروجيني(pH) المعروف. إن انخفاض وحدة واحدة على هذا المقياس يتوافق  مع زيادة مقدارها عشرة أضعاف في تركيز أيونات الهدروجين، وهذا يجعل الماء أكثر حمضية، في حين أن ارتفاعه وحدة واحدة نحو الأعلى يتوافق مع نقصان10 أضعاف، وهذا يجعل الماء أكثر قلوية. والرقم الهدروجيني المتعادل (للماء النقي) هو7. ويراوح الرقم الهدروجيني لماء البحر الأصلي ما بين8 و 8.3، وهذا يعني أن مياه المحيطات إلى حدّ ما هي مياه قلوية بصورة طبيعية.

 

لقد تسبّب امتصاص ثنائي أكسيد الكربون في خفض الرقم الهدروجيني في المياه السطحية الحديثة قرابة0.1 (أقل قلوية) ممّا كان عليه في الأزمنة ما قبل  الصناعية. وما لم تُعدّل الحضارة «شهيتها» للوقود الأحفوري في القريب العاجل وبطريقة فعّالة فإنّ الرقم الهدروجيني لمياه المحيط سوف يهبط0.3إضافية عند حلول عام2100. وفي تنبؤ مقلق لمستقبل أكثر بعدا يشير<K.كالديرا> [المتخصص في علم المحيطات بمعهد كارنيگي في واشنطن] إلى أنّ الرقم الهدروجيني للمحيطات سيصبح بعد قرون من الآن أخفض من أي وقت مضى خلال 300 مليون سنة الماضية.

 

وقد تبدو هذه التغيّرات في الرقم الهدروجيني صغيرة ولكنها تنذر بالخطر؛ إذ تشير التجارب الحديثة بوضوح إلى أنّ هذا التغيّر يُؤذي بعض أشكال الحياة البحرية وبصورة خاصة الكائنات التي تعتمد على وجود أيونات الكربونات لبناء أصدافها (أو الأجزاء الصلبة الأخرى) من كربونات الكالسيوم(Ca CO₃).

 

في البداية، يبدو هذا «القلق» متناقضا. فعلى الرغم من جميع الاعتبارات، وإذا كان بعض ثنائي أكسيد الكربون الذي امتصته مياه البحر يتفكّك إلى أيونات كربونات، فيتوقع أن يوجد الكثير منها في هذه المياه، أكثر مما كان متاحا في غير هذه الظروف. ومع ذلك، يتصدّع هذا المنطق لأنه يهمل تأثير جميع أيونات الهدروحين التي تكون قد تشكّلت والتي تنزع إلى الاتحاد مع أيونات الكربونات مشكلة أيونات بيكربونات. والنتيجة النهائية هي إذًا نقصان في تركيز أيونات الكربونات.

 

ثنائي أكسيد الكربون (CO2): من الغلاف الجوي إلى المحيط(*****)   ارتفع تركيز ثنائي أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ارتفاعا كبيرا في القرن الماضي أو نحو ذلك. وقد تمّ توثيق هذا الارتفاع المقلق توثيقا جيدا (في اليمين) بضم تقنيتين اثنتين: أولاهما فحص فقاعات الهواء المنحبسة في جليد الجليديات (الثلاّجات) [الجزء الأخضر من الخط البياني الذي يبيّن معدل (متوسط) 75 سنة]، والتقنية الأخرى هي  القياسات المباشرة للغلاف الجوي [الجزء الأبيض من الخط البياني الذي يعكس المعدّل السنوي المقاس في محطة الأرصاد الجوية المقامة في أعلى جبل مونا لوا على الجزيرة الكبيرة من هاواي].     إنّ هذا التركيز المتزايد لثنائي أكسيد الكربون، بهذا القدر، يمكن أن يكون أكبر بكثير فيما لو لم تمتص مياه البحر الكثير منه _ وهي ظاهرة وثّّقتها المسوح التي أجريت في المحيطات. وتبيّن المقاطع السفلى أمكنة وجود نحو نصف تدفّق الوقود الأحفوري في الوقت الحاضر _ في الأجزاء العليا من محيطات العالَم.

 

ويكمن القلق من أنّ خفض الرقم الهدروجيني (وكذلك تركيز أيونات الكربونات التي من المتوقّع أن تنخفض إلى النصف في أثناء هذا القرن) سوف يعرقل قابلية بعض الكائنات الحية على تصنيع كربونات الكالسيوم إلى حدّ سيجعل نمو تلك الكائنات الحية صعبا. إنّ أكثر أشكال الحياة تأثّرا بذلك هو نوع من العوالق النباتيةphytoplankton (كائنات نباتية طافية) تدعى حاملات الكوكّوليتات coccolithophorids المغطاة بلويحات صغيرة من كربونات الكالسيوم  وتوجد بشكل عام قريبة من سطح المحيطات (حيث تستخدم ضوء الشمس الوفير في عملية التركيب الضوئي). أمّا الأمثلة الأخرى المهمة فهي الكائنات الطافية التي تدعى المنخرباتforaminifera (التي تنتمي إلى مجموعة المتموراتamoeba) والپتروپوداتpteropods (قواقع بحرية صغيرة). وهذه المخلوقات  الصغيرة تكوّن مصدرا غذائيا رئيسيا للأسماك والثدييات البحرية التي تتضمّن بعض أنواع الحيتان.

 

الحموضة المتغيرة في مياه المحيطات(******)   تكشف القياسات التي أجريت على الخمسين مترا العليا من مياه المحيطات، أنّ الرقم الهدروجيني يتغيّر تغيّرا كبيرا من مكان لآخر. ويتوقّع العلماء تناقص الرقم الهدروجيني في مياه المحيطات في السنوات القادمة. تنشأ المناطق المائية ذات الرقم الهدروجيني المنخفض نسبيا (يعني ذلك زيادة في الظروف الحمضية) على الأغلب من خلال صعود المياه العميقة طبيعيا. قد تكون هذه المناطق، مثل تلك التي تقع في الجزء الاستوائي الشرقي من المحيط الهادئ، أمكنة جيدة للعلماء لدراسة التأثيرات المتوقع سيادتها على مساحات أوسع في المستقبل.     مع أنّ ازدياد حموضة مياه البحار (المقاس بانخفاض الرقم الهدروجيني) كان ضعيفا إلى أبعد الحدود، فالعلماء يتوقعون تغيّرات أكبر في المستقبل. وستحدث أكبر التغيّرات بالقرب من السطح، ولكن عمق المحيط بأكمله سوف يتأثر مع تقدّم الزمن.

 

ويخشى البيولوجيون أيضا ممّا قد يحدث للمرجانيات، التي على الرغم من مظهرها الذي يشبه النباتات، فإنها في الواقع مستعمرات من حيوانات صغيرة تنتمي إلى شقائق البحرsea anemones، فهي تتغذّى بترشيح العوالق البحرية (كائنات صغيرة طافية) من مياه البحر وتفرز هياكل من كربونات الكالسيوم التي تتراكم مع الزمن لتشكيل ما يسمى الشعاب المرجانية coralreefs التي تشكّل النُّظُم البيئيةecosystems الأكثر إنتاجا وتنوّعا من الناحية البيولوجية. وإضافة إلى ذلك تسهم الطحالب المرجانيةcoralline algae (طحالب تفرز أيضا كربونات الكالسيوم، وغالبا ما تشابه المرجانيات في المظهر) في «كلسنة» calcificationالكثير من الشعاب المرجانية. فالرصيف (الشعب) الحاجزي الكبير GreatBarrierReef المقابل لشاطئ أستراليا مثلا _ وهو البنية البيولوجية الأكبر في العالم _  هو بكل بساطة تراكم من المرجانيات والطحالب المرجانية، جيلا بعد جيل.

 

 وتوجد أمثلة أقل وضوحا في أمكنة أعمق من البحار، حيث تغطّي جزئيا تجمّعات من مرجانيات الماء البارد الحواف القارية والجبال البحرية seamounts مشكلة مواطن مهمة للأسماك.

 

يتحد ثنائي أكسيد الكربون الممتص من الهواء مع الماء لتشكيل حمض الكربون. يبقى جزء من هذا المركّب في مياه المحيطات ولكن معظمه يتفكك إلى أيونات الهدروجين المحمِّض وأيونات البيكربونات. كما أنّ بعض أيونات البيكربونات تتفكّك مشكلة أيونات كربونات وأيونات هدروجين إضافية. وتسبّب هذه التغيّرات الكيميائية انزياح مستويات التشبّع saturation horizons نحو الأعلى (نحو سطح البحر) فيما يتعلّق بمعدني الكالسيت والأراگونيت _ حيث تذوب أصداف الكائنات الحية المكونة من هذين المعدنين في المياه العميقة تحت هذه المستويات.

 

تدين مرجانيات المياه الضحلة بألوانها الجميلة جزئيا إلى الطحالب المتكافلة معها التي تعيش داخل خلايا المرجان. تترك أحيانا هذه الطحالب عائلها (مضيفها) استجابة لأشكال متنوعة من الإجهاد البيئي كاشفة بذلك الهيكل الأبيض الذي تحتها المؤلّف من كربونات الكالسيوم. ويمكن أن تحدث عملية «التبييض» bleaching هذه، نتيجة لارتفاع درجات الحرارة ارتفاعا كبيرا مثلا.  ويظن بعض العلماء أنّ ازدياد حموضة مياه المحيطات (أو بتعبير أصحّ نقصان في الحالة القلوية الضعيفة في مياه المحيطات) ينزع أيضا إلى الحضّ على مثل هذه الأحداث العرَضية.

 

البقاء للأثخن؟^(*******)

 

ومع ذلك يمكن أن تتأثّر المرجانيات والكائنات البحرية المكلسِنة، بازدياد الحموضة بطرق أكثر أهمية_ أي يمكن لأصدافها في الواقع أن تتفتّت. وإذا أردت توضيح هذا القلق: دع قطعة من الطباشير (كربونات الكالسيوم) تسقط في كأس تحوي حمض الخل (وهو حمض ضعيف)، ستبدأ قطعة الطباشير بالذوبان فورا. وللوصول إلى فهم أكمل لشكل الحياة الأكثر عرضة للخطر، مثل خطر الموت، لا بدّ من درس آخر في الكيمياء.

 

توجد كربونات الكالسيوم في المرجانيات أو في أصداف المخلوقات البحرية الأخرى في شكلين معدنيين اثنين: الكالسيت والأراگونيت. كما أن بعض الكائنات الحية التي تفرز الكالسيت تضيف عنصر المغنيزيوم إلى المزيج. ويكون كل من الأراگونيت والكالسيت المغنيزي أكثر ذوبانا من الكالسيت العادي. وهكذا فإنّ المرجانيات و الپتروپودات التي تبني أصدافها من الأراگونيت، والطحالب المرجانية المكونة أصدافها من الكالسيت المغنيزي، قد تكون معرّضة بصورة خاصة للأذى نتيجة ازدياد حموضة مياه المحيطات.

 

تعتمد قابلية ذوبان كربونات الكالسيوم بصورة أساسية على تركيز أيونات الكربونات (ومن ثم تعتمد بصورة غير مباشرة على الرقم الهدروجيني)، ولكن قابلية الذوبان تتوقّف أيضا على متغيّرات متعدّدة أخرى تتضمّن درجة الحرارة والضغط. إن الكثير من المياه الباردة العميقة الحالية مياه حمضية تكفي لإذابة أصداف كربونات الكالسيوم. ويقال لهذه المياه إنها مياه «تحت مشبعة» undersaturated. وتوصف المياه السطحية الدافئة الضحلة بأنّها «فوق مشبعة»supersaturated فيما يتعلّق بالكالسيت والأراگونيت على السواء، وهذا يعني عدم  قابليتهما للذوبان. إنّ الانتقال بين الظروف تحت المشبعة والظروف فوق المشبعة يرجع إلى مستوى الإشباع؛ أي إلى المستوى الذي تبدأ تحته الأصداف والهياكل المؤلفة من كربونات الكالسيوم بالذوبان.

 

إن تدفق ثنائي أكسيد الكربون من الغلاف الجوي إلى المحيط تسبّب في إزاحة مستوى التشبُّع للأراگونيت والكالسيت مسافة50 إلى 200م إلى الأعلى  نحو سطح المحيطات مقارنة بما كان عليه في القرن التاسع عشر. وتشير الدراسات الحديثة إلى أنّ مستوى التشبع سيرتفع أكثر في العقود القادمة. ومن ثم، كلّما ازدادت حموضة مياه المحيطات أكثر فأكثر، صارت الأجزاء العلوية منها، الصديقة للقواقع⁽¹⁾، أقل سمكا. وبمعنى آخر ستصبح مياه المحيطات بالتدريج أقل ملاءمة للكائنات الحية المفرزة لكربونات الكالسيوم.

 

ومنذ البداية، استنتج الكثير من العلماء أنّ ازدياد حموضة مياه المحيطات يمكن أن يثير فقط مشكلة ثانوية لأنّ المياه السطحية ستبقى «فوق مشبعة» _ على الأقل فيما يتعلّق بالكالسيت الذي هو الشكل الأكثر استقرارا من كربونات الكالسيوم. ففي أواخر التسعينات من القرن الماضي، قاد<C.لانگدون> [المتخصص في البيولوجيا البحرية بجامعة ميامي] تجربة متميّزة لاختبار هذا الافتراض؛ إذ غيّر كيمياء المياه على رصيف مرجاني صنعي أقيم في خزان ضخم في مختبرالبيوسفيرII بجامعة كولومبيا (الذي يقع، بصورة مستغربة، في وسط صحراء أريزونا). وبصورة مدهشة وجد أن معدّل إنتاج كربونات الكالسيوم في المرجانيات قد انخفض مع انخفاض الرقم الهدروجيني، مع أنّ المياه بقيت فوق مشبعة إلى حد بعيد فيما يتعلّق بالأراگونيت. وبعد مدة قصيرة برهن<U.ريبيسل> [من معهد ألفرد وگنر للأبحاث البحرية والقطبية] وزملاؤه على وجود إعاقة مشابهة في نمو حاملات الكوكّوليتات الطافية. وتتوافر حاليا تجارب مختبرية للكشف عن التأثيرات المؤذية لتزايد ثنائي أكسيد الكربون (والرقم الهدروجيني الأخفض الذي ينتج منها) على كل المجموعات الرئيسية من الكائنات الحية البحرية التي تتمتع بأجزاء صلبة مؤلفة من كربونات الكالسيوم.

 

ونظرا إلى كون درجة فوق إشباع المياه الباردة هي أقل بصورة طبيعية من المياه الدافئة لجميع أشكال كربونات الكالسيوم، فإنّ نظُم البيئات المائية العميقة الواقعة في مناطق خطوط العرض العليا قد تكون الأولى التي تعاني ازدياد حموضة مياه المحيطات. والأمر الأكثر احتمالا أنّ المياه السطحية القطبية ستصبح «تحت مشبعة» بالنسبة إلى الأراگونيت قبل نهاية هذا القرن. واعتمادا على أعمال<V.J.فابري> [من جامعة ولاية كاليفورنيا، سان ماركوس]، فإنّ إحدى الإمكانيات المقلقة تكمن في أنّ الپتروپودات القطبية سوف تختفي جميعها تماما، أو ربّما سوف تجبر على الهجرة إلى مناطق خطوط العرض الأدنى والأدفأ على افتراض إمكانية تكيّفها مع تلك البيئات. ولا يعلم أحد كيف سيؤثّر النقصان الكبير في عدد الپتروپودات في الأجزاء الأخرى من النظام البيئي البحري. ولكن حقيقة أنّ تلك القواقع الصغيرة تشكل حلقة في السلسلة الغذائية للمحيط الجنوبي (فهي تعيل جماعات كبيرة من الأسماك والحيتان والطيور البحرية) هي سبب وجيه لهذا القلق.

 

وهكذا كلما ازدادت حموضة مياه المحيطات أكثر فأكثر صارت الأجزاء العلوية منها، الصديقة للقواقع(1)، أقل سمكا.

 

وقد ينتظر العوالقَ البحريةَ الكلسية النباتية والحيوانية في خطوط العرض العليا مصير مشابه، مع أنّ تضاؤل أعدادها سيتم بعد عقود من الزمن بسبب أنّ أصدافها مكوّنة من الكالسيت وهو شكل كربونات الكالسيوم الأقل ذوبانا. ومن المحتمل أيضا أن تتأثّر مجتمعات مرجان المياه العميقة وبصورة خاصة تلك التي تعيش في غرب الأطلسي الشمالي على طول ممر المياه المحتوية على تراكيز مرتفعة من الكربون الناجمة عن انبعاثات الوقود الأحفوري.

 

أمّا مستقبل الشعاب المرجانية المتوقع فمن المؤكد أنّه أكثر قتامة. وفي هذه النظم البيئية «الثمينة»، فإن ازدياد حموضة مياه المحيطات ليس إلا واحدا من إجهادات بيئية كثيرة، وهو هجوم يتضمّن: احترارا دفيئيا وتلوثا محليا وصيدا جائرا وتدميرا للمواطن. والكثير من الشعاب المرجانية حاليا في تراجع ويمكن أن يدفع ازدياد حموضة مياه المحيطات بعضها إلى الموت، ومن ثم إلى انقراضها.

 

تغيّر بحري قادم^(********)

 

وبمقدار ما يتوقع من حدوث ظروف سيئة للكثير من الكائنات الحية البحرية، فإنه سيكون هناك بعض المنتصرين أيضا. ففي الوقت الحاضر، توجد كمية قليلة من الكربون في مياه البحر على شكل ثنائي أكسيد كربون ذائب، وهذه الندرة تحدّ من نمو بعض أنماط العوالق النباتية (كائنات نباتية طافية). ويكرّس الكثير من هذه الأنواع جزءا مهما من طاقته لتركيز ثنائي أكسيد الكربون داخل خلاياه. ومن المفترض أنّ الزيادات في ثنائي أكسيد الكربون المذاب ستكون مفيدة لها، وربّما هذا هو الذي سيحصل. ومع ذلك لم يُعرف الشيء الكثير عن هذا المفعول التسميديfertilization لوضع تنبؤات ثابتة لمستقبل العوالق النباتية  أو للقول فيما إذا كانت المستويات الأعلى لثنائي أكسيد الكربون ستفيد الطحالب التي تقوم بعملية التركيب الضوئي والتي تعيش داخل المرجانيات. إنّ الكثير من أنواع العوالق النباتية البحرية يستخدم أيون البيكربونات في عملية التركيب الضوئي. ونظرا إلى أن تركيز هذا الأيون لن يتغير كثيرا، فلا يتوقع البيولوجيون أن يزداد نمو هذه الكائنات الحية زيادة كبيرة. إنّ بعض النباتات الأرقى (مثل الأعشاب البحرية) يستخدم مباشرة ثنائي أكسيد الكربون المذاب، ومن المحتمل أنه سيستفيد من مستوياته المرتفعة تماما مثل النباتات الأرضية التي يزداد نموها عندما يزداد تركيز هذا الغاز في الغلاف الجوي.

 

مرجان  (مليبورا تنيلا)   طحالب مرجانية (أمفيروا أنسيبس)   أحد أنواع المنخربات (گلوبيجرينا بولوئيدس)   أحد أنواع حاملات الكوكوليتات (إميليانا هكسليي)   أحد أنواع الپتروپودات (ليماسينا هيليسينا)   تتضمن الكائنات الحية البحرية المعرّضة للخطر من زيادة حموضة مياه المحيطات : المرجانيات والطحالب المرجانية التي توجد بصورة عامة في مجتمعات الشعاب المرجانية، إضافة إلى المنخربات وحاملات الكوكّوليتات الموجودة بكثرة في معظم المياه السطحية. وهناك مجموعة أخرى مهدّدة هي القواقع البحرية الصغيرة التي تدعى الپتروپودات وتعيش بصورة خاصة في المياه القطبية الباردة.

 

 

المستقبل «المُخرق» للأراگونيت(*********) إنّ نقصان مستويات الرقم الهدروجيني سيضعف قدرة بعض الكائنات البحرية على بناء أجزائها الصلبة وسوف يؤثّر هذا النقصان عاجلا وبشدةفي المخلوقات التي تبني أجزاءها الصلبة من الأراگونيت _ وهو شكل كربونات الكالسيوم الأكثر قابلية للذوبان. وستتغيّر درجة التهديد بحسب المناطق.   قبل الثورة الصناعية (في اليسار) كانت المياه السطحية بمعظمها فوق مشبعة إلى حد كبير فيما يتعلّق بالأراگونيت (اللون الأزرق الفاتح) متيحة للكائنات الحية البحرية تكوين هذا المعدن بسهولة. غير أنّه في الوقت الحاضر (في الوسط) تكون درجة فوق إشباع المياه القطبية منخفضة جدا (اللون الأزرق القاتم). أمّا في نهاية هذا القرن (في اليمين) فإنّه من المتوقع أن تصبح أمثال هذه المياه الباردة، وبصورة خاصة تلك التي تحيط بقارة القطب الجنوبي، تحت مشبعة (اللون الأرجواني)، وهي شروط يصعب معها على الكائنات الحية تصنيع الأراگونيت وتؤدّي إلى ذوبان الأراگونيت الذي تمّ تشكّله.      تشكّل الپتروپودات حلقة في سلسلة الغذاء في كامل المحيط الجنوبي. ويمكن أن تكون التغيّرات كارثية بالنسبة إلى هذه الحيوانات (والحيوانات التي تعتمد عليها في غذائها) كما تبين الصور (في اليمين). تبيّن الصورة a تآكل سطح صدفة الپتروپود (التي وضعت لمدة 48 ساعة في مياه تحت مشبعة بالنسبة إلى الأراگونيت). وتبيّن الصورة b هذا التآكل بصورة أوضح وبتكبير أكبر. أمّا الصورة c فتبيّن صَدفةَ لأحد الپتروپودات لم تتعرّض للذوبان.

 

كيف يمكن للعلماء أن يقيسوا بدقة استجابة النظم البيئية البحرية لعملية ازدياد حموضة المياه البحرية؟ إن معظم الجهود الحالية في هذا السياق تتركز على إجراء تجارب مختبرية لمدة قصيرة وعلى نوع واحد من الكائنات. إضافة إلى ذلك أجرى العلماء دراسات ميدانية محدودة لاختبار التأثيرات القاسية التي يمكن أن ترافق التخلص (بواسطة البشر) من ثنائي أكسيد الكربون الجوي في مياه البحر العميقة، وهذه هي إحدى الاستراتيجيات المختلفة التي فُكّر بها لعزل ثنائي أكسيد الكربون بعيدا عن الغلاف الجوي [انظر: «هل يمكننا دفن الاحترار العالمي؟»، العلوم، العددان10/11 (2005)، ص44]. ومع أنّ هذا العمل غني بالمعلومات، فالنتائج لم تترجم بسهولة إلى فهم عواقب التعرّض الطويل الأجل إلى رقم هدروجيني منخفض قليلا. كما أنّه ليس صحيحا أن نعمم الدراسات المختبرية على كامل النظم البيئية، حيث تتفاعل كائنات حية مختلفة كثيرة.

 

بدأ العديد من الشعاب المرجانية مرحلة الانحدار، وقد يؤدي ازدياد حموضة مياه المحيطات إلى دفع بعض هذه الشعاب إلى الانقراض.

 

وإحدى الإمكانيات لبلوغ تقييم أكثر واقعية للمشكلة، يكون في رفع مستويات ثنائي أكسيد الكربون بصورة صنعية لمدة أشهر وسنين في رقعة من المحيط أو في رصيف مرجاني. إنّ التجارب المتعلقة بتغيير مستويات ثنائي أكسيد الكربون على مدى واسع قد تم تنفيذها بصورة عامة على اليابسة، ويقوم حاليا علماء بحار ومهندسون باستكشاف طريقة عملية (لوجيستية) لتوسيع هذا النهج على المحيطات. أمّا التكتيك الآخر فيكمن في دراسة كيفية تكيّف الكائنات الحية في المناطق التي كانت لمدة طويلة معرضة إلى رقم هدروجيني منخفض، مثل جزر گالاباگوس المحاطة بمياه غنية، بصورة طبيعية، بثنائي أكسيد الكربون.

 

ومع ذلك فالاستراتيجية الثالثة تكمن في دراسة السجل الجيولوجي لأزمنة وصلت فيها تراكيز ثنائي أكسيد الكربون إلى مستويات أعلى ممّا هي عليه حاليا عندما كان الرقم الهدروجيني، على الأرجح، أدنى _ مثلا خلال فترة المناخ الدافئ الشاذ التي حدثت قبل نحو55 مليون سنة (فترة الحرارة العظمى  الباليوسينيةذالإيوسينية)، حينما انقرض الكثير من الكائنات الحية البحرية. وفي الوقت الحاضر يكمن قلق الكثير من العلماء في أنّ الزيادة الحالية في حموضة المحيطات تحدث بسرعة أكبر مما كانت عليه من قبل، لدرجة لم تترك للأنواع البحرية الوقت الكافي للتكيّف معها. ومع أنّ التأثيرات قد تكون خفية، فإن التغيّرات المثيرة في البيئة البحرية قد يتعذر تجنبها على ما يبدو. 

 

المؤلف

Scott C. Doney

 

 أستاذ في قسم كيمياء وجيوكيمياء البحار بمعهد وودز هول لعلوم البحار. وقد بدأ دراساته في علوم البحار عندما كان طالبا في مرحلة البكالوريوس بجامعة كاليفورنيا _سان دييگو، إلى أن حصل على شهادة الدكتوراه في كيمياء البحار عام 1991 بعد أن أنهى برنامجا مشتركا بين معهد ماساتشوستس التقاني ومعهد وودز هول لعلوم البحار. وتعد خدماته في الفريق العلمي لمرصد الكربون المداري في الوكالة ناسا واحدا من نشاطاته المميزة. وهو رئيس مجموعة التوجيه العلمي لدراسة التغير المناخي وكربون البحار التي تعتبر جزءا من البرنامج الأمريكي لأبحاث التغيرات العالمية.

 

  مراجع للاستزادة 

 

Anthropogenic Carbon and Ocean pH. Ken Caldeira and Michael E. Wickett in Nature, Vol. 425, page 365; September 25, 2003.

 

Anthropogenic Ocean Acidification over the Twenty-First Century and Its Impact on Calcifying Organisms, James C. Orr et al. in Nature, Vol. 437, pages 681-686; September 29, 2005.

 

Ocean Acidification Due to Increasing Atmosphearic Carbon Dioxide.

Royal Society , 2005. Available at www.royalsoc.ac.uk/displaypagedoc.asp?id=13314

 

(*) THE DANGERS OF OCEAN ACIDIFICATION

(**) How Unnatural?

(***)  Overview/ CO₂ in the Ocean

(****) Ocean Chemistry 101

(*****) CO₂: From Atmosphere To Ocean

(******) The Ocean’s Changing Acidity

(*******) Survival of the Thickest?

(********) Coming Sea Change

(*********) The ( RAGGED) Future of Aragonite

 

(1) shell friendly