氣候變遷的新課題 海洋酸化

圖／珊瑚礁是海中的熱帶雨林(照片由NOAA上傳Flickr共享)
文／謝雯凱(台達電子文教基金會氣候與能源專員)

隨著氣候變遷成為顯學，許多相關的議題已經獲得充分討論，例如：極端氣候、熱帶性疾病蔓延、生物多樣性喪失等等。但也有一些議題是近年才逐漸躍上檯面，有賴科學家持續蒐集更多科學證據並思考對策，「海洋酸化」即是這樣的一個課題。然而不幸的是，海洋酸化的影響可能極為嚴重，目前的熱帶珊瑚會失去造礁能力，而海洋生態系也將有劇烈改變。


二氧化碳進入海洋
因為燃燒化石燃料，人類每年排放大量的二氧化碳到大氣中，其中約有三分之一到四分之一會被海洋吸納，這意味著海洋是地球目前最大的碳匯所在。海洋吸收二氧化碳的機制主要基於海洋物理效應，將二氧化碳從大氣拉進海水並溶解其中。海洋生物也有吸碳能力，但相對前者而言則顯得微不足道。

大氣中的二氧化碳進入海水中，則會產生一些化學效應。首先，溶解於水中的二氧化碳和水分子會產生碳酸，而碳酸會解離成氫離子與碳酸氫根，誠如以下方程式A。

[方程式A]


接著，部分氫離子會和碳酸根結合，再成為碳酸氫根，即方程式B。另一方面，二氧化碳與水也會拉進碳酸根，變成碳酸氫根，亦即方程式C。

[方程式B]


[方程式C]


氫離子大爆發
所謂pH值指的是溶液中氫離子的濃度，海水中現在多了這麼多的氫離子，使得海水的pH值下降，科學家稱為「海洋酸化」(Ocean Acidification)，但其實海水仍屬於弱鹼性。全球海水的pH值並不平均，約在8.0-8.4之間，工業革命以前的海水表層平均值約為8.2，目前海洋的pH值已下降了0.1，到8.1左右。這數字看來或許微不足道，但pH指數是以對數計算，降低0.1便相當於氫離子濃度上升26%。科學家預估，到了21世紀末，pH值會降低0.3-0.4 (7.8-7.9)，亦即水中氫離子較工業革命前增加了100-150%。這種酸化的速度是過去2千萬年來的100倍。

受到酸化衝擊最大的，是生長過程中會形成碳酸鈣骨骼或外殼的海中生物。牠們死亡後，碳酸鈣會隨之沉積在海底，成為碳匯的一種形式。這些鈣化生物除了台灣人熟知的牡蠣、造礁珊瑚、螺貝類之外，還包括石灰藻與浮游生物中的有孔蟲與有殼翼足亞目。鈣化是種複雜的生化反應，主要是生物從海水中引進鈣離子與碳酸根離子來分泌碳酸鈣，以下的方程式D是簡化後的概念：

[方程式D]



圖／軟體動物門中的有殼翼足亞目也被稱為海蝴蝶，分布廣泛，是眾多海洋動物的食物，但牠們將因海洋酸化而飽受威脅。(照片由NOAA上傳Flickr共享)

碳酸根爭奪戰
海中pH值下降時，由於方程式B與C對碳酸根的需求，水中碳酸根濃度也隨之降低，這使得鈣化生物必須和碳酸競爭碳酸根，因而造成幾個問題。第一，生物必須花更大的力氣去搶下碳酸根，反而犧牲了用來成長的能量，體型將變得更為弱小。第二，鈣化生物搶不到碳酸根，因此無法長成骨骼或外殼，譬如，珊瑚蟲無法再造礁。

第三個問題比較難解釋。當碳酸鈣往海底沉降時，愈往深海壓力愈大、溫度愈低，溶解度就會變大，超過一個臨界點後碳酸鈣便會溶解，這狀態稱之為「不飽和」。但在淺海中有眾多鈣化生物生成碳酸鈣，鈣化速度超過了溶解速度，碳酸鈣屬於「過飽和」，是種相對穩定狀態。如今由於碳酸根濃度下降，這使得淺海逐漸變得不飽和，也就有可能讓碳酸鈣開始溶解。這樣一來，鈣化生物將逐漸失去骨骼或外殼，導致牠們易受捕食或死亡。

天翻地覆的海洋
所以說，海洋酸化會帶給所有鈣化生物非常難熬的未來。包括造礁珊瑚、浮游生物，與人類養殖與捕獲的各種貝類，絕大多數都生存在淺海。浮游生物位居海洋食物鏈的底層，而珊瑚礁則是孕育多樣生物的海中熱帶雨林，一旦這些物種大量減少，絕對令海洋生態不復以往。而隨之下滑的漁業資源質量，也將衝擊全世界的漁業、水產加工及養殖的從業人員與其家庭、社區。

儘管我們已經明白有海洋酸化這件事情，然而對於科學家而言，這個領域仍有太多問題有待研究，例如，是否能種植海藻來吸收二氧化碳，或是添加什麼東西來增加碳酸根離子，而未來的海洋生態會變成什麼樣子？回到問題的本質，海洋酸化最重要的根源，依舊是人類社會每天排放到大氣中的二氧化碳。因此，要減緩海洋持續酸化，首要之務還是要我們切實邁向低碳社會。以潔淨能源與節能減碳來換取世世代代豐美的珊瑚礁生態，怎麼想都非常划算吧！

【參考資料】
(*1) BBC-Acid oceans http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/7933589.stm
(*2) NRDC-Ocean Acidification: The Other CO₂ Problem: http://www.nrdc.org/oceans/acidification/
(*3) 海洋酸化常見問題與解答: http://www.whoi.edu/fileserver.do?id=60806&pt=2&p=69346
(*4)USGS:Ocean Acidification http://coastal.er.usgs.gov/ocean-acidification/index.html

【延伸閱讀】
《海水酸化 溶蝕2兆珊瑚產值》陳昭倫 1-Apr-10 低碳生活部落格
《海洋變酸了》陳昭倫、張楊乾 18-Oct-10 「氣候戰役在台灣」廣播
《全球海洋專家：暖化失控 海洋酸化重創漁業》30-Jan-09 環境資訊中心
《化石燃料造成海水酸化 海洋鈣化生物受衝擊》09-Jul-06 環境資訊中心

【延伸觀賞影片】
《海底沒有魚－海洋在改變》是美國一部2009年發表的紀錄片，深入海洋酸化的問題。台灣的荒野保護協會2011年海洋巡迴影展中，即有這部影片。