- Az óceán és a csapadék savasodik, de csak lassan és elvileg az élőlények védekeznek ellene.
- Az emberi hatáshoz képest a természetes időbeli és térbeli változékonyság nagy.
- A klímaváltozás mérsékli a savasodást, illetve az algák felfokozott biológiai aktivitása is.
- Tenni nem igazán tudunk ellene, a tengervíz felmelegedése nagyobb probléma, ami pedig a klímaváltozás része.
- A vélemények megoszlanak, még nem teljesen világos, hogy mennyire veszélyes vagy ártalmatlan a jelenség.
- A múltban volt nagyobb is a szén-dioxid koncentráció, az óceánok savasabbak voltak, mégis voltak mészváz-építő tengeri lények.
Gázok beoldódása
A halak számára nélkülözhetetlen oxigénhez hasonlóan azt tapasztaljuk, hogy a légkörben található gázok bekerülnek, más szóval beoldódnak a csapadékba, folyókba, tavakba és más vizekbe. Az óceánok vizének savasodása is ezen folyamat során történik, a beoldódás pedig addig zajlik, amíg a víz telítetté nem válik az adott gázra. Általános esetben egy beoldódott gáz maximális mennyiségét úgy számíthatjuk ki, ha a gáz parciális nyomását (hozzájárulását az azt tartalmazó, több gáz alkotta elegy nyomásához) megszorozzuk egy megfelelő állandóval, amely kapcsolatot teremt a koncentráció (C) és a nyomás (p) között.
Fontos megjegyezni, hogy ez az állandó hőmérsékletfüggő! Az óceán vizének oxigéntartalma például nagy mértékben függ a víz hőmérsékletétől: általában a hidegebb, oxigéndúsabb tengervízben találunk több tengeri állatot. Más szavakkal minél nagyobb a víz (vagy más folyadék) hőmérséklete, annál gyengébben tart magában beoldott gázokat.
pH érték
A vizes oldatok kémhatásának mérésére a pH értéket használjuk, amely egy 0 és 14 közötti szám. Ha egy oldat pH értéke 0 és 7 közé esik, akkor savról beszélünk, ha pedig 7 és 14 közé, akkor bázisról, más néven lúgról. A skálán a 7-es kitüntetett szerepű, hiszen ez a semleges kémhatást jelöli, vagyis a desztillált vizet. Néhány ismertebb anyag pH értéke:
A Földön a pH érték egészen szélsőséges értékeket is felvehet. Az egyik legsavasabb természetes hely az Ijen tó, amely Indonéziában a Kawah Ijen vulkán mellett fekszik, pH-ja a tó közepén 0,13 (kénsavas). A leglúgosabb tó a tanzániai Nátron-tó, amelynek pH-ja 12. A talajok is különböző pH-val rendelkeznek: az esőerdőkben savas kémhatásúak (pH = 4–5), ezzel szemben a sivatagokban lúgosak (pH = 7–8).
A savak pozitív töltésű protonokat adnak át, és csökkentik a pH-t, a bázisok pedig protonokat vesznek fel, és növelik a pH-t. Egy sav és egy bázis kémiai reakciója során a sav egyik sója és víz képződik, például a sósav (HCl) és a nátrium-hidroxid (NaOH) egyesülése konyhasót (NaCl) és vizet eredményez.
A pH-t hidrogénion-kitevőnek is nevezik, ugyanis ez mutatja meg, hogy mekkora az oldat hidrogénion- (H+), azaz proton-koncentrációja. A pH értéket úgy kapjuk meg, ha a vizes oldat hidrogénion-koncentrációjának tízes alapú logaritmusát vesszük, és az eredményt megszorozzuk (−1)-gyel:
A logaritmikus összefüggés miatt, ha egy oldat pH-ja 1-gyel csökken, akkor a benne lévő hidrogénion-koncentráció, azaz a savasság már 10-szeresére nőtt!
Vizes oldatban a H+ ion hozzákapcsolódik a poláros vízmolekulához és oxóniumiont (H3O+) alkot, a megmaradt negatív ion pedig a hidroxidion (OH−). A tiszta vízben a proton-csere folyamatosan oda-vissza lezajlik, ezt nevezzük a víz autoprotolízisének. Mivel a tiszta víz elektromosan semleges, pH-ja pedig 7, ezért a benne az oxóniumion és a hidroxidion koncentrációja egyaránt 10−7 mol/liter. A két koncentráció szorzata a vízionszorzat, amely (25 °C-on) Kvíz = 10−14 mol2/liter2.
Az óceánok vize
Először határozzuk meg az óceánok pH-ját egy olyan feltételezett esetben, amikor vizükbe nem oldódnak be gázok a légkörből! A tengervíznek azért magas a sótartalma, mert a tengervíz és a csapadékvíz ásványi anyagokat old ki a tengerfenékről, illetve más kőzetekből. A sós tengervíz sok pozitív iont (kationt), például nátrium- (Na+), magnézium- (Mg2+), kalcium- (Ca2+), és káliumiont (K+) tartalmaz erős bázisokból, de találunk benne erős savakból származó negatív ionokat (anionok), főként klór- (Cl−) és szulfátionokat (SO42−) is. A pozitív ionok száma kis mértékben meghaladja a negatív ionok számát, a többlet töltést pedig lúgosságnak nevezzük, és [A]-val jelöljük.
Ha összeadjuk a pozitív ionok számát a lúgossággal, akkor ennek meg kell egyeznie a negatív ionok koncentrációjával. Mindkét oldalt beszorozva a protonkoncentrációval, majd az egyenletet átrendezve egy másodfokú egyenletet kapunk, amelyet megoldva meghatározhatjuk a hidrogénion-koncentrációt (a negatív végeredményt, mint koncentrációt nem értelmezzük), amiből az óceán átlagos kémhatására pHóceán = 11,36-ot kapunk.
Az óceánok tehát erősen lúgosak lennének, ha vizükbe nem oldódnának be gyenge savakat képző gázok. A legjelentősebb ilyen gáz a szén-dioxid, amelynek vizes oldata a szénsav (H2CO3), ami aztán protonra és hidrogénkarbonátionra (HCO3−) esik szét. A reakciók oda-vissza lejátszódnak, a szén-dioxid pedig egyensúlyba kerül a szénsavval. Így e „tompító” savak révén a jelenlegi átlagos pHóceán = 8,1 körül van. A „savasodás” kifejezés tehát inkább csak a pH-változás irányát jellemzi, az óceánok vize a só miatt továbbra is lúgos marad.
Összességében az emberi hatások miatt a tengervíz 30%-kal lett savasabb az ipari forradalom óta, pH-ja átlagosan 0,1-del csökkent, miközben a légköri szén-dioxid koncentráció másfélszeresére nőtt (270 ppm-ről 400 ppm-re).
Ha megduplázzuk a szén-dioxid koncentrációt 400 ppm-ről 800 ppm-re (ez várhatóan 2100-ra fog megtörténni), akkor az óceánok pH értéke 8,1-ről 7,9-re csökken. Igaz, hogy ez csak 0,2-es változást jelent a pH-ban, azonban ne felejtsük el, hogy a pH logaritmikus érték, az ionkoncentráció és a savasság majdnem 60%-kal nőne.
Azonban nem kell megijednünk. Az óceánok pH-ja nem érzékeny a légköri szén-dioxid koncentrációjának nagy változásaira, illetve az emiatt bekövetkező pH-változások elhanyagolhatóak az óceáni pH térbeli és időbeli természetes változékonyságához képest (lásd 1. és 2. ábra).
Az is kijelenthető továbbá, hogy az óceánok szén-dioxid elnyelő képessége a szén-dioxid légköri koncentrációjának növekedésével csökken.
Az óceánok vizének felső rétege a szén-dioxid tekintetében már most is túltelített állapotban van, az alsóbb rétegekbe való lekeveredés pedig lassú. Érdekes módon az alsóbb vízrétegek pH-ja kisebb (akár 7,3, lásd 2. ábra), mint a felszíni vizeké, mivel hőmérsékletük is kisebb, beoldott szén-dioxid koncentrációjuk pedig nagyobb. Ha tehát a mélyből víz emelkedik fel, akkor ez pH-csökkenést is eredményez. A korallzátonyoknál mérhető napi pH akár 7,8 és 8,3 között is ingadozhat (Hennige, 2014), a szubtrópusi óceáni területek pH-jának évszakos változékonysága pedig 8,05-től (melegebb hónapok) 8,15-ig (hidegebb hónapok) terjed (Takahashi et al., 2014).
Az óceáni pH csökkenését két hatás is mérsékli: a globális felmelegedés csökkenti az óceánok szén-dioxid koncentrációját, hiszen a légköri gázok gyengébben képesek beoldódni a melegebb vizekbe; emellett a fotoszintézist folytató növényi életformák (algák) fokozottabb biológiai aktivitást mutatnak magasabb beoldott szén-dioxid-szint mellett, amit fel is használnak, ezért növelik a pH-t.
Hatás az élővilágra
A vélemények megoszlanak az óceánok pH-csökkenésének hatásait illetően. A biológusok természetesen aggódnak a tengeri élővilág miatt, az óceán pH-ját vizsgáló kutatók azonban kevésbé borúlátóak, és bíznak az állatok védelmi mechanizmusaiban.
Jelenleg a felszíni tengervíz a szén-dioxid mellett túltelített a kalciumkarbonátban (CaCO3) is, így az olyan élőlények, mint a kagylók, tengeri sünök, osztrigák, korallok és mészmoszatok (Coccolithophore) sekélyebb vizekben könnyen felépítik ebből mészvázukat. Csak túl mélyen, az ún. lizoklin zóna (kb. 3700‒4500 m) alatt nem képesek erre, ahol a telítettség csökken, a CaCO3 oldhatósága nő, a mészvázak pedig feloldódnak a vízben. A szén-dioxid légköri koncentrációja lassan változik, így ezek az organizmusok alkalmazkodni tudnak az emiatt bekövetkező (szintén lassú) pH-változáshoz (szerves védőréteggel vonják be mészvázaikat, így védekeznek a természetes pH-változások ellen is). Mészvázat építő fejlábas állatok (ammonoideák) a jura korban, úgy 180 millió évvel ezelőtt is éltek az óceánokban, amikor a szén-dioxid légkör koncentrációja elérte a 2000 ppm-es értéket is, a tengervíz átlagos pH-ja pedig akár 7,5 is lehetett.
A korallok kifehéredését tehát nagy valószínűséggel nem a pH-csökkenés, hanem a tengervíz globális klímaváltozás miatti felmelegedése okozza.
A csapadékvíz
Az óceánok vizével ellentétben a csapadékvíz légkörtől független lúgossága gyakorlatilag nulla, így az abba beoldódó szén-dioxid miatt természetes savassággal bír. Az esővíz pH-jának meghatározásához tekintsük az alábbi kémiai reakciókat:
Az első reakció a korábban már említett autoprotolízis, a második folyamatban hidrogénkarbonátion (HCO0−), a harmadikban pedig karbonátion (CO32−) keletkezik, a reakciók oda-vissza lejátszódnak. A teljes oxóniumion-koncentráció a három részkoncentráció összege, a csapadékvíz pH-jára pedig (400 ppm légköri szén-dioxid koncentráció mellett) pHeső = 5,59 adódik.
Az esővíz tehát enyhén savas kémhatású, savas esőnek pedig akkor tekintjük, ha pH-ja kisebb, mint 5,0. A legnagyobb gondot a magas kéntartalmú szén elégetése okozza. A felszabaduló kén-dioxid (SO2) vizes környezetben kénsavat képez (H2SO4), melynek pH-ja 1 körüli. A legsavasabb esők az Egyesült Államokban az 1970-80-as években voltak, amelyek legalacsonyabb pH-ja elérte a 2,1-es értéket (ami 1000-szer savasabb, mint az esővíz természetes savassága) is (Likens et al., 1974). Skandináviában a savas esők pH értéke 2,8-re is lecsökkent az 1960-as években (Likens et al., 1972).
Mennyi lenne a csapadékvíz pH-ja, ha a szén-dioxid koncentrációja a duplájára (800 ppm-re) nőne? Elvégezve a fenti számításokat az új értékkel pHeső(800 ppm) = 5,44 adódik.
A változás mértéke pH-ban 0,15, ez savasságban 40%-os növekedést jelent. Nehéz megválaszolni azt a kérdést, hogy ez pontosan mekkora hatással lesz a környezetre. Hasonlóan az óceáni pH-csökkenéshez a lassú változás elvileg itt sem okoz problémát, de ehhez még további kutatásokat kell elvégezni.
Források:
COHEN, R.; HAPPER, W. Fundamentals of Ocean pH. CO2 Coalition, 2015.
BYRNE, Robert H., et al. Direct observations of basin‐wide acidification of the North Pacific Ocean. Geophysical Research Letters, 2010, 37.2.
HENNIGE, Sebastian, et al. An updated synthesis of the impacts of ocean acidification on marine biodiversity. CBD Technical Series, 2014, 75.
LIKENS, Gene E.; BORMANN, F. Herbert; JOHNSON, Noye M. Acid rain. Environment: Science and Policy for Sustainable Development, 1972, 14.2: 33-40
LIKENS, Gene E.; BORMANN, F. Herbert. Acid rain: a serious regional environmental problem. Science, 1974, 184.4142: 1176-117
TAKAHASHI, Taro, et al. Climatological distributions of pH, pCO2, total CO2, alkalinity, and CaCO3 saturation in the global surface ocean, and temporal changes at selected locations. Marine Chemistry, 2014, 164: 95-125.