Mục lục bài họcĐang ở b4
Ocean Acidification, Ecological Response, and Response Strategies
The chemistry, one step at a time
The ocean has absorbed roughly a quarter of human carbon dioxide emissions. Dissolved carbon dioxide reacts with water:
$$\text{CO}_2+\text{H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{H}_2\text{CO}_3\rightleftharpoons\text{H}^++\text{HCO}_3^-\rightleftharpoons2\text{H}^++\text{CO}_3^{2-}$$Extra hydrogen ions lower pH — surface pH has fallen from about $8{,}21$ to about $8{,}10$ since pre-industrial times. Because pH is logarithmic, that is a $30\%$ rise in hydrogen ion concentration. The consequence for organisms is not the acidity itself but a second reaction: free hydrogen ions combine with carbonate,
$$\text{H}^++\text{CO}_3^{2-}\rightarrow\text{HCO}_3^-$$which strips carbonate out of the water. Corals, molluscs, pteropods and coccolithophores build shells and skeletons from calcium carbonate, so a falling carbonate concentration makes calcification slower and existing structures more prone to dissolution.
Bleaching is a separate, thermal problem
Corals expel their symbiotic zooxanthellae when water stays about $1$–$2\ ^\circ\text{C}$ above the normal summer maximum for several weeks. The coral turns white, loses the algae that supply most of its energy, and starves if the stress persists. Acidification and bleaching are different mechanisms with different causes; strong answers keep them apart.
Range shifts and invasions
Species track their thermal tolerance poleward and upslope, roughly $17$ km per decade in latitude. Mountaintop and polar species run out of habitat. Warming also opens ground to invasive species, which typically tolerate wider conditions, reproduce quickly and arrive with no local predators.
Two families of response
- Mitigation reduces the forcing: renewables, efficiency, reforestation, carbon capture, methane capture at landfills, reduced ruminant emissions.
- Adaptation reduces the harm from warming already committed: sea walls, drought-tolerant crops, relocation, coral nurseries.
Hoá học, từng bước một
Đại dương đã hấp thụ khoảng một phần tư lượng CO₂ do con người thải ra. CO₂ hoà tan phản ứng với nước theo chuỗi:
$$\text{CO}_2+\text{H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{H}_2\text{CO}_3\rightleftharpoons\text{H}^++\text{HCO}_3^-\rightleftharpoons2\text{H}^++\text{CO}_3^{2-}$$Ion hydro thừa ra làm pH giảm — pH mặt biển đã từ khoảng $8{,}21$ xuống khoảng $8{,}10$ so với thời tiền công nghiệp. Vì pH là thang lôgarit, mức giảm $0{,}11$ đơn vị đó tương đương nồng độ ion hydro tăng khoảng $30\%$.
Nhưng thứ gây hại cho sinh vật không phải là độ chua, mà là một phản ứng thứ hai: ion hydro tự do kết hợp với ion cacbonat
$$\text{H}^++\text{CO}_3^{2-}\rightarrow\text{HCO}_3^-$$tức là rút ion cacbonat ra khỏi nước. San hô, thân mềm, chân cánh và tảo vôi đều xây vỏ và bộ xương bằng canxi cacbonat, nên nồng độ cacbonat giảm khiến việc tạo vôi chậm lại và các cấu trúc sẵn có dễ bị hoà tan hơn. Đây chính là mắt xích mà rubric tìm: pH giảm → cacbonat giảm → tạo vôi khó. Bỏ mắt xích giữa là mất điểm.
Tẩy trắng san hô là một vấn đề KHÁC, do nhiệt
San hô đẩy tảo cộng sinh (zooxanthellae) ra khỏi mô khi nước giữ ở mức cao hơn cực đại mùa hè bình thường khoảng $1$–$2\ ^\circ\text{C}$ trong vài tuần. San hô trắng ra vì mất lớp tảo tạo màu, đồng thời mất nguồn cung cấp phần lớn năng lượng, và chết đói nếu stress kéo dài. Axit hoá và tẩy trắng là hai cơ chế khác nhau, do hai nguyên nhân khác nhau — bài viết tốt luôn tách bạch chúng.
Dịch chuyển vùng phân bố và loài xâm lấn
Loài đi theo giới hạn chịu nhiệt của mình: dịch về phía cực và lên cao, trung bình khoảng $17$ km mỗi thập kỷ theo vĩ độ. Loài trên đỉnh núi và loài vùng cực thì hết chỗ để đi — đó là kiểu tuyệt chủng không cần ai săn bắt. Ấm lên cũng mở đường cho loài xâm lấn, vốn thường chịu được biên độ điều kiện rộng, sinh sản nhanh, và đến nơi mới mà không có thiên địch bản địa.
Hai nhóm giải pháp
- Giảm nhẹ — cắt vào nguyên nhân: năng lượng tái tạo, tiết kiệm năng lượng, trồng rừng, thu giữ cacbon, thu metan tại bãi rác, giảm phát thải chăn nuôi.
- Thích ứng — giảm thiệt hại từ phần ấm lên đã không tránh được: đê biển, giống cây chịu hạn, di dời dân cư, vườn ươm san hô.
Đề AP thường cho một biện pháp rồi bắt phân loại. Câu hỏi phân biệt: biện pháp này làm giảm lượng khí nhà kính hay chỉ làm giảm hậu quả?
pH mặt biển giảm từ $8{,}21$ (tiền công nghiệp) xuống $8{,}10$ (hiện nay). Tính phần trăm thay đổi nồng độ ion hydro, và cho biết vì sao mức giảm $0{,}11$ đơn vị pH lại được mô tả là một thay đổi lớn.
Bước 1 — nhớ định nghĩa. $\text{pH}=-\log[\text{H}^+]$, nên $[\text{H}^+]=10^{-\text{pH}}$.
$$[\text{H}^+]_{\text{cũ}}=10^{-8{,}21}\qquad[\text{H}^+]_{\text{mới}}=10^{-8{,}10}$$Bước 2 — lập tỉ số thay vì tính từng số mũ. Cách này gọn hơn và tránh sai số máy tính:
$$\frac{[\text{H}^+]_{\text{mới}}}{[\text{H}^+]_{\text{cũ}}}=\frac{10^{-8{,}10}}{10^{-8{,}21}}=10^{0{,}11}$$Bước 3 — tính.
$$10^{0{,}11}=1{,}288$$Bước 4 — đổi ra phần trăm tăng.
$$(1{,}288-1)\times100\%=28{,}8\%\approx29\%$$Vì sao $0{,}11$ là nhiều: thang pH là thang lôgarit, nên một bước nhỏ trên thang ứng với một bước lớn về nồng độ. Mỗi $1$ đơn vị pH là $10$ lần; $0{,}11$ đơn vị đã là gần $1{,}3$ lần. Trong khoảng $800\,000$ năm mà lõi băng ghi lại, hoá học đại dương chưa từng đổi nhanh như vậy.
Kiểm nhanh cho phòng thi: $10^{0{,}1}\approx1{,}26$. Nếu tính ra $11\%$ thì đã lấy hiệu $0{,}11$ nhân thẳng $100$ — đó là dùng thang tuyến tính cho một đại lượng lôgarit.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 9 — Global Change gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.