全航程監(jiān)測海水pH值 北冰洋成全球海洋酸化“放大鏡”

工作人員在冰站取樣品。歐陽張弦攝

航程12000多海里，執(zhí)行我國第九次北極科學(xué)考察的“雪龍”號9月26日回到母港——位于上海的中國極地中心碼頭。

在本次科考中，科考隊(duì)以“雪龍”號為平臺，圍繞海洋酸化等熱點(diǎn)問題，進(jìn)行了深入全航程監(jiān)測。

什么是海洋酸化?在北冰洋開展海洋酸化研究有何特別意義?目前北冰洋酸化研究存在什么困難?科技日報(bào)記者就此采訪了相關(guān)人士。

全航程監(jiān)測北冰洋海水pH值

和全球變暖“禍出同因”， 海洋酸化同樣源于人類向大氣過量排放的二氧化碳。

不同的是，全球變暖是由于排入大氣中的二氧化碳溫室效應(yīng)作用，海洋酸化是溶入海水中的二氧化碳和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量碳酸根和氫離子，變成北冰洋“汽水”。隨著溶于海水的二氧化碳不斷增加，海水pH值和碳酸鈣飽和度持續(xù)下降。

走航觀測是本次海洋酸化研究的一個重要組成部分。正因如此，對自然資源部海洋三所助理研究員祁第來說，從上海出發(fā)，經(jīng)過日本海、鄂霍次克海、白令海，直到北冰洋高緯海區(qū)，以及自北冰洋返回上海，“雪龍”號69天的航程具有特別意義。

“船開出去后，借助船體加裝的高精度pH走航觀測系統(tǒng)，每隔20分鐘，我們就能獲得表層海水的高時空分辨率數(shù)據(jù)，初步統(tǒng)計(jì)，此次北極科考獲得了兩千多個點(diǎn)的、跨越多個經(jīng)緯度的北極大空間尺度的高分辨pH走航數(shù)據(jù)。”祁第告訴記者。

海洋酸化是個很緩慢的過程，如果精度不高這種變化根本看不到。祁第說，這次科考中除了pH走航系統(tǒng)能進(jìn)行全航線監(jiān)測外，還設(shè)置了40多個水文站位。水文站位采樣，是將重達(dá)200多公斤的CTD放入海中進(jìn)行相關(guān)作業(yè)。CTD由24個10升的采水瓶和一些測試儀器組成。每下降到一定深度，采水瓶會自動采集海水樣品。船上實(shí)驗(yàn)室的電腦也會實(shí)時接收并顯示儀器觀測到的海洋數(shù)據(jù)。

祁第告訴記者，此次作業(yè)中，CTD下沉至4000多米的海底，一般需經(jīng)過4個多小時，才能完成作業(yè)。盡管采樣工作量大，卻是獲取海洋全水深酸化數(shù)據(jù)的最可靠手段。此外，水文站位的表層數(shù)據(jù)還可以和走航數(shù)據(jù)進(jìn)行比對校正，確保了走航觀測數(shù)據(jù)精度的可靠性。

為了解海冰覆蓋下的海水酸化狀況，本次考察設(shè)置了9個短期冰站和1個長期冰站。當(dāng)船到達(dá)某一個冰站，工作人員將搭乘從船上放下的小艇，行至浮冰上，借助冰芯鉆取及采集手段、半自動采水系統(tǒng)采集樣品，并利用海洋環(huán)境多參數(shù)分析儀，現(xiàn)場分析溫度和鹽度。但冰站作業(yè)卻是探究海冰融化驅(qū)動酸化機(jī)制的最直接辦法。

酸化比太平洋或大西洋等快4倍多

1999年，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，我國首次北極科學(xué)考察隊(duì)搭乘“雪龍”號極地科學(xué)破冰船首航北冰洋。當(dāng)年的科考任務(wù)中，把如今仍不被很多人所熟悉的海洋酸化研究列入其中，正是時任領(lǐng)隊(duì)兼首席科學(xué)家陳立奇研究員主持。

上世紀(jì)80年代，作為我國最早選派到美國學(xué)習(xí)全球變化科學(xué)的學(xué)者之一，陳立奇參與了“海氣實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”的全球計(jì)劃。大量實(shí)踐和研究使他敏銳地意識到，人類活動對全球變化的作用，已經(jīng)接近并超過自然變化的強(qiáng)度和變率。

“從工業(yè)化到本世紀(jì)初，海洋平均pH下降0.1的時間，從每百年單位進(jìn)入每十年。”談及研究的初衷，陳立奇回憶，當(dāng)時的推測是，在這種全球變化背景下，作為生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、對氣候和環(huán)境變化也最敏感的地區(qū)，北冰洋會首先感應(yīng)到這種酸化加速并被放大。

過去20年，北極升溫幅度是全球平均升溫的6.7倍。北極快速升溫導(dǎo)致北冰洋海冰大量融化，每年夏季開闊水域超過1000萬平方公里，高濃度的二氧化碳容易入侵北極海水，導(dǎo)致其上層水體的酸度升高。

與此同時，全球變化和北極變暖引起的北極海洋環(huán)流和大氣模態(tài)異常，讓北冰洋酸化雪上加霜。北冰洋海冰覆蓋面積快速后退，誘發(fā)太平洋攜帶“腐蝕性”的酸化海水大范圍入侵，這也是導(dǎo)致北冰洋酸化海水快速擴(kuò)張的最主要原因。

如今多項(xiàng)研究已證明，北冰洋是全球海洋酸化“領(lǐng)頭羊”。

“北冰洋是我們觀測到的第一個如此迅速且大范圍、長時間酸化加重的大洋，比在太平洋或者大西洋觀測到的結(jié)果要快4倍以上。”祁第說，歷經(jīng)9次北極科考，基于對過去20年來所有橫穿北冰洋航次數(shù)據(jù)的精細(xì)分析，結(jié)合歷次我國北極科考航次的數(shù)據(jù)集成后發(fā)現(xiàn)，北冰洋酸化水體以每年1.5%速度快速擴(kuò)張，并預(yù)估酸化水體將在本世紀(jì)中葉覆蓋整個北冰洋。

組成全球觀測網(wǎng)，用數(shù)據(jù)說話

2016年，一則新聞引發(fā)關(guān)注。在澳大利亞東部海岸綿延2300公里的“國寶”大堡礁，由于珊瑚大規(guī)模白化，已導(dǎo)致北部和中部區(qū)域約35%的珊瑚死亡或?yàn)l臨死亡。白化現(xiàn)象最嚴(yán)重的部分珊瑚礁中，一半以上珊瑚已經(jīng)死亡;剩余珊瑚中有一部分無法從白化恢復(fù)正常，死亡比例將進(jìn)一步上升。

海洋酸化帶來的影響打破了地理邊界。

在北冰洋，翼足目類海螺是北冰洋食物鏈中重要的一環(huán)，是北極三文魚和鯡魚重要的食物。2013年發(fā)布的《北極海洋酸化評估：決策者摘要》，指出北極海洋正在酸化，并對海洋生物和漁業(yè)資源構(gòu)成威脅。

祁第解釋，在pH值較低的海水中，為了保護(hù)自己，這些鈣化生物會長得越來越小、外殼越來越厚。作為餌料，它們的價值也會下降，這將影響漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖等，進(jìn)而通過食物鏈破壞整個生態(tài)系統(tǒng)。

從時間橫軸來看，從第三次北極考察開始，我國北極科考酸化研究安裝了船載走航二氧化碳觀測系統(tǒng)，不僅可以觀測海洋吸收二氧化碳的量和潛力的變化，還可以為評估海洋酸化提供重要數(shù)據(jù);基于中美國際合作，第四次北極科考開發(fā)的凈群落生產(chǎn)力走航觀測系統(tǒng)，擴(kuò)展了生物過程對海洋酸化的影響研究和貢獻(xiàn)評估。

祁第表示，當(dāng)前海洋酸化演化成全球生態(tài)環(huán)境危機(jī)，盡管在北冰洋開展海洋酸化研究有著“一葉而知秋”的重要意義，但也面臨重重困難，數(shù)據(jù)是一大瓶頸。

目前來自歐盟、美國、加拿大、日本和韓國等的科學(xué)家，都對北冰洋海洋酸化的研究給予了高度關(guān)注，并對北極陸架海域和南部海盆海水的酸化狀況、海冰融化、生物過程、太平洋冬季水入侵影響等進(jìn)行了研究。面對全球大洋研究最為匱乏的區(qū)域之一，這些國家的科研人員同樣受困于高時空尺度的數(shù)據(jù)。

幾年前我國提出了以北冰洋和北太平洋酸化為重點(diǎn)海區(qū)的觀測網(wǎng)計(jì)劃(nPAOA-ON)。“我們對北冰洋酸化的研究表明，在全球氣候變化驅(qū)動下的海洋酸化沒有國界，人類需要攜手聚焦典型海域酸化實(shí)時監(jiān)測，組成全球觀測網(wǎng)并對酸化趨勢和影響評估，采取應(yīng)對和減緩措施，以構(gòu)筑保障海洋生態(tài)屏障。”陳立奇說。

此次科考中，我國同樣邀請了法國、美國科學(xué)家，乘坐“雪龍”號采集海洋酸化數(shù)據(jù)，就這一全球環(huán)境熱點(diǎn)問題開展科學(xué)合作。

“就目前的研究而言，海洋酸化的損害后果仍難以評估。”但祁第可以肯定的是，要了解酸化對海洋生態(tài)系統(tǒng)意味著什么，需要用數(shù)據(jù)說話，開展長期監(jiān)測研究。(陳 瑜)

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