Hadde geologen Bathurst også forklaringen på havets karbonatkjemi?

Figur 1: Partikler som ligger over den sorte stiplede streken, vil løses. Dersom innholdet av  avtar, dvs. at løselighetsproduktet synker (se grå stiplet linje), vil større partikler løses. Figuren er laget fritt etter boken The Growth of Crystals and the Equilibrium Structure of their Surfaces on JSTOR av Burton et al. (1951).

Atmosfærens innhold av CO₂ øker, og når CO₂ løses i vann, blir molekylene en syre, dvs. det blir mer H⁺ -ioner i havet. I løpet av de siste 100 årene har havets innhold H⁺ økt med hele 30 prosent. Det påvirker livet i havet.

Verden ble gjort oppmerksom på det problemet «over natta» for 20 år siden da Orr et al (2005), som har over 4 000 siteringer (!), slo fast at:

“Southern Ocean surface waters [der de fleste korallene befinner seg] will begin to become undersaturated with respect to aragonite, a metastable form of calcium carbonate, by the year 2050.”

Korallene ville med andre ord begynne å gå i oppløsning, dvs. de ville dø.

Det har imidlertid skjedd mye siden da. Forfatterne av FNs klimapanels siste fagrapport (AR6 WG1, 2021, Chapter 5) konkluderte for eksempel at et surere hav ikke vil true korallene. Derimot vil havet nær polene kunne bli undermettet på aragonitt, som er den minst stabile karbonatfasen, men kun for en kort periode i løpet av året – og først fra år 2100.

Jeg skal gjøre rede for hva som har skjedd, og hva R.G.C. Bathurst (1920-2006) har bidratt med. Først må vi innom litt kjemi.

H⁺-ionene inngår ikke i karbonatlikevekten, CaCO₃ = [Ca²⁺]x[CO₃^2-], men når det blir H⁺ i havet, synker innholdet av og disse ionene inngår i dannelse av karbonatmineraler som korallene og mange andre livsformer i havet er avhengig av.

Det er imidlertid et problem at vi ikke kan måle innholdet av CO₃^2-, slik vi kan måle havets pH, dvs. innhold av H⁺. Det er imidlertid mulig å regne ut innholdet av CO₃^2- og de tilsier at det blitt 15 prosent mindre  i havet (AR5 WG1, 2013, Chapter 3; tabell s. 298). Dersom atmosfærens innhold av CO₂ øker til 560 ppm, som er en dobling av før-industrielt nivå, vil  innholdet vil bli 37 prosent lavere enn for 100 år siden (AR5 WG1, 2013, Chapter 3).

Samtidig er vi rimelig sikre på at havet inneholder 200 prosent mer H⁺ enn for 100 år siden. Til tross for det, har livet i havet klart seg godt. Det forklarer vi med at endringene har skjedd over lang tid.

Vi har nemlig identifisert to prosesser som sørger for å opprettholde CO₃^2--nivået i havet. Når det blir mer CO₂ i atmosfæren, blir regnvannet surere og da øker den kjemiske forvitringen av mineraler som bidrar med  til havet via elvene og grunnvannet.

Den andre prosessen skjer i selve havet. Når pelagiske karbonatorganismer dør (normalt etter én eller to uker), synker de, og ved 3-4 km går de i oppløsning. Når havet blir surere, skjer oppløsingen på noe grunnere vann, og det øker returen av .

Det tar disse to prosessene over 10 000 år å nøytralisere eksterne endringer og det er ikke raskt nok til å motvirke de pågående endringene.

Denne forklaringen har imidlertid blitt utfordret. Det viser seg at i den mest karbonatproduktive sonen i havet, de øverste 100 meterne, lager livsformene så mye karbonatmineraler at det må også finnes en annen grunn og mer effektiv kilde til . Den har man imidlertid ikke klart å finne, noe vi ser av utdraget under:

“the «missing highly soluble phases remains poorly constrained, and their contribution to the shallow CaO₃ cycle remains and open question.”

Problemet er at der de fleste organismene lever og dør (0 – 100 m), er havet betydelig overmettet i forhold til den minst stabile karbonatfasen, aragonitt (se Baker et al. 2012; fig. 1) og derfor enda mer overmettet i forhold til kalsitt. Det er derfor ikke lett å se hva som kan løses opp i den mest produktive sonen.

Det er her Bathurst kommer inn. Han brukte mye av sin tid på å studere bergarter ved hjelp av mikroskop. Jeg hadde ham som foreleser da jeg studerte petroleumsgeologi ved Universitetet i Bergen tidlig på 1980-tallet. Jeg kom til å tenke på ham igjen mens jeg leste en omfattende rapport fra 1962 om karbonater på Bahamas der havets kraftige overmetning i forhold til karbonat var et tema.

Bathurst hadde gjort seg bemerket med en artikkel i 1966 med tittelen «Boring algae, micrite envelopes and lithification of molluscan biosparites». Bathurst hadde løst et problem som hadde «plaget» karbonatgeologene. De minste partiklene i karbonatslammet består nemlig av karbonatpartikler som var mye mindre enn 1 µm, se her ( Fig. 5C), og såvidt vi vet, finnes det ingen organismer som omgir seg med så små karbonatskall.

Bathurst oppdaget at det var små organismer som boret seg inn i karbonatstrukturer, dvs. de pulveriserte karbonatskall (helt eller delvis). Han var klar over at havet var kraftig overmettet på karbonatmineraler, men som geolog trengte han ikke fullt ut å forstå hvorfor.

Jeg tenkte heller ikke på det som student, men i ettertid har jeg jobbet med oppløsing og utfelling av mineraler i sandsteiner og blitt oppmerksom på at når enn partikkel/krystall er mindre enn cirka 4 µm, så øker løseligheten – og den øker raskt, jf. Figur 1.

Karbonatpartiklene som befinner seg over den sorte stiplete streken i figur 1, vil løses opp, trolig før de rekker å bli avsatt som en del av karbonatslammet. Dersom det blir mindre  i havet, slik tilfellet er nå, vil partiklene som befinner seg like under den sorte stiplete streken i Figur 3 løses opp og frigi Ca²⁺ og (cirka 90 prosent av -ionene trekker til seg H⁺ og danner HCO₃^–).

Jeg kan ikke se at fagmiljøet har lest artikkelen til Bathurst fra 1966, men etter publikasjonen til Orr et al. (2005) har forskerne gjort observasjoner i naturen og utført kontrollerte eksperimenter (se her) som tilsier at den pågående forsuringen av havet ikke er et så stort problem som man har trodd.

På Wikipedia (2024) står det følgende:

“However, a field study of the coral reef in Queensland and Western Australia from 2007 to 2012 found that corals are more resistant to the environmental pH changes than previously thought, due to internal homeostasis regulation; this makes thermal change (marine heatwaves), which leads to coral bleaching, rather thanacidification, the main factor for coral reef vulnerability due to climate change.”(mine uthevinger).

Hvordan forklarer vi denne utviklingen?

Saken er den at Orr el al. ikke tok hensyn til homeostasen, som bl.a. dreier seg om livets evne til å lage et mikromiljø som favoriserer utfelling av CaCO₃ (hvilket forklarer hvor livsformene står for så å si all karbonatutfellingen i havet). Orr et al. tok heller ikke hensyn til at de karbonatbyggende livsformene også benytter seg av HCO₃^–, og disse ionene har det blitt mer av i havet (AR6 WG1, 2013, Chapter 3; tabell s. 298).

Å lage karbonatmineraler fra HCO₃^– krever mer energi enn fra CO₃^2-, men de fleste organismene som lever nær havets overflate benytter seg av fotosyntesen og den har tatt seg opp ettersom det har blitt 50 prosent mer oppløst CO_2(aq) i havet (AR6 WG1, 2013, Chapter 3; tabell s. 298). Det tyder på at energi ikke er en begrensende faktor. Det har i alle fall blitt mer kalkflagellater i havet.

Dersom nanopartiklene er så viktig som jeg har antydet for havets karbonatkjemi, kan vi trolig også se bort fra den muligheten av at havet nær polene blir undermettet på aragonitt i løpet av dette århundret (jf. AR6 WG1. 2021) – og derfor kanskje aldri.

Det må regnes på, men det synlige nanopulveret ser ut til å kunne forklare hvorfor havet er overmettet på karbonat, og aller mest rundt ekvator (Baker et a., 2012). Ettersom nanopartiklene i karbonatslammet har en overflate som er større 1000 m² per gram(!), vil de kunne reagere raskt dersom havets innhold av  synker.

Nanopartiklene som vi ikke kan se, åpner for at havets evne til å opprettholde produksjonen av karbonatmineraler nær havets overflate er mye større enn det de matematiske modellene, som ikke tar hensyn til de lettløselige nanopartiklene, tilsier.

Det kan kanskje virke i overkant spekulativt å peke på en kilde for CO₃^2- og HCO₃^–som vi ikke kan se og heller ikke kan måle, men mye av det vi vet om naturen baserer seg på ideer/konsepter som vi ikke har sett eller målt.

Det kanskje beste eksemplet på det, er ideen om atomer og som ble introdusert (igjen) av Dalton for over 200 år siden. Ingen hadde sett dem, eller målt dem, men ved å anta at de fantes, ble det etter hvert lettere å få orden på mye det vi erfarer/observerer.

Det synes imidlertid klart at livet i havet blir stresset av de pågående temperaturøkningene. Studier av koraller (Logan et al., 2013) tyder dog på at noen koraller er i ferd med å tilpasse seg høyere temperaturer. Livsformene som kommer tilbake etter bleking, ser nemlig ut til å være noe bedre tilpasset høyere temperaturer.

Vår kunnskap om hvordan livet tilpasser seg endringer i det ytre miljøet, har også økt siden publikasjonen til Orr et al. (2005). Epigenetikken tilsier omgivelsene kan skru av og på gener, dvs. livet må ikke, slik Charles Darwin (1809-1962) har fått oss til å tro, vente på genetiske mutasjoner for å passe inn i et nytt miljø. Hyppigere bleiking kan derfor være måten hvormed koraller tilpasser seg raskt økende temperatur.

Tiltakende bleking kan virke skremmende, men historien har lært oss at mange av bekymringene som forskere har hatt, skyldes manglende kunnskap om hvordan naturen fungerer. Forskning på effekten av et surere hav ser ut til å være et moderne eksempel på det. Dersom fagmiljøet hadde lest artikkelen til Bathurst fra 1966, som har over 500 siteringer, tror jeg mange mennesker ville sluppet å bekymre seg for livet i havet, og derfor sitt liv. Det er også en påminnelse til oss alle om at vi ikke skal la oss påvirke for mye av siste nytt innen forskning.

I den forbindelse vil jeg minne om at alle forskere er etisk forpliktet på det samme som legene, nemlig å ikke påføre folk unødig lidelse. Forskere som kommer med et dystert budskap, kan unngå det ved å ta forbehold om de kan ha oversett noe som kan endre på konklusjonen. Det gjorde ikke Orr et al. (2005). Det er en praksis som ser ut til å være på vei ut av vitenskapen.

Det er nemlig blitt vanlig å fremstille det man kommer frem til som en vitenskapelig sannhet (se her), og media har latt seg lure, men vi som forsker på naturen har ingen kriterier for sannhet. Det er alltid en mulighet for at vi overser noe. Veksten i kunnskap er historien om hva forskere har oversett. De som har forsket på forsuring av havet de siste 20 årene, er derfor i godt selskap.

Bathurst òg. Men han kommer i en annen kategori. Det er nemlig vanlig at forskere ikke ser alle implikasjonene av det man observerer/oppdaget. Det er imidlertid ingen eksempler på at det har tatt over 50 år å innse betydningen av en observasjon. Men kanskje den aller viktigste lærdommen av forskningen på havets forsuring, er at vi ikke skal la oss påvirke for mye av siste nytt innen forskning.

Slik jeg ser det, peker pila på den utstrakte bruken av datamodeller. De er nyttige når man ikke har «anledning til» å observere naturen. Men hva er unnskyldningen for å ikke ha innsett betydningen av noe som er observert og presentert i en artikkel om karbonater og som har over 500 siteringer?

PER ARNE BJØRKUM

Professor emeritus i geologi ved Universitetet i Stavanger