Ett internationellt team av forskare har slagit nya varningsklockor om den förändrade kemin i den västra delen av Ishavet efter att ha upptäckt surhetsnivåer som ökar tre till fyra gånger snabbare än havsvatten på andra håll.

Teamet, som inkluderar University of Delawares marinkemiexpert Wei-Jun Cai, identifierade också en stark korrelation mellan den accelererade hastigheten av smältande is i regionen och hastigheten av havsförsurning, en farlig kombination som hotar överlevnaden för växter, skaldjur, korallrev och annat marint liv och biologiska processer i hela planetens ekosystem.

Den nya studien, publicerad torsdagen den 30 september i Science , är den första analysen av arktisk försurning som inkluderar data från mer än två decennier, som sträcker sig över perioden från 1994 till 2020.

Forskare har förutspått att 2050 – om inte tidigare – den arktiska havsisen i denna region inte längre kommer att överleva de allt varmare sommarsäsongerna. Som ett resultat av denna havsis reträtt varje sommar, kommer havets kemi att bli surare, utan något ihållande istäcke som bromsar eller på annat sätt dämpar framfarten.

Det skapar livshotande problem för den enormt mångskiftande befolkningen av havsdjur, växter och andra levande varelser som är beroende av ett friskt hav för att överleva. Krabbor, till exempel, lever i ett knaprigt skal byggt av det kalciumkarbonat som förekommer i havsvatten. Isbjörnar är beroende av friska fiskpopulationer för föda, fiskar och sjöfåglar förlitar sig på plankton och växter, och skaldjur är en viktig del av många människors dieter.

Det gör försurning av dessa avlägsna vatten till en stor sak för många av planetens invånare.

Först en snabb repetitionskurs om pH-nivåer, som indikerar hur sur eller alkalisk en given vätska är. Varje vätska som innehåller vatten kan karakteriseras av dess pH-nivå, som sträcker sig från 0 till 14, med rent vatten som anses vara neutralt med ett pH på 7. Alla nivåer lägre än 7 är sura, alla nivåer högre än 7 är basiska eller alkaliska, med varje helt steg representerar en tiofaldig skillnad i vätejonkoncentrationen. Exempel på den sura sidan inkluderar batterisyra, som checkar in vid 0 pH, magsyra (1), svart kaffe (5) och mjölk (6,5). Lutande mot basen är blod (7.4), bakpulver (9.5), ammoniak (11) och avloppsrengörare (14). Havsvatten är normalt alkaliskt, med ett pH-värde på runt 8,1.

Cai, Mary A.S. Lighthipe-professor vid School of Marine Science and Policy vid UDs College of Earth, Ocean and Environment, har publicerat betydande forskning om den förändrade kemin i planetens hav och genomförde denna månad en kryssning från Nova Scotia till Florida, där han tjänstgjorde som chefsforskare bland 27 ombord på forskningsfartyget. Arbetet omfattar fyra studieområden:östkusten, Mexikanska golfen, Stillahavskusten och Alaska/Arctic-regionen.

Den nya studien i Science inkluderade UD-postdoktor Zhangxian Ouyang, som deltog i en nyligen genomförd resa för att samla in data i Chukchihavet och Kanadabassängen i Ishavet.

Den första författaren till publikationen var Di Qi, som arbetar med kinesiska forskningsinstitut i Xiamen och Qingdao. Även forskare från Seattle, Sverige, Ryssland och sex andra kinesiska forskningssajter samarbetade med denna publikation.

"Du kan inte bara gå själv," sa Cai. "Detta internationella samarbete är mycket viktigt för att samla in långsiktiga data över ett stort område i det avlägsna havet. Under de senaste åren har vi också samarbetat med japanska forskare eftersom tillgången till det arktiska vattnet var ännu svårare de senaste tre åren på grund av covid- 19. Och vi har alltid europeiska forskare som deltar."

Cai sa att han och Qi båda var förbryllade när de först granskade arktiska data tillsammans under en konferens i Shanghai. Surheten i vattnet ökade tre till fyra gånger snabbare än havsvatten på andra håll.

Det var verkligen fantastiskt. Men varför hände det?

Cai identifierade snart en huvudmisstänkt:den ökade smältningen av havsis under Arktis sommarsäsong.

Historiskt har Arktis havsis smält i grunda randområden under sommarsäsongerna. Det började förändras på 1980-talet, sa Cai, men växte och avtog med jämna mellanrum. Under de senaste 15 åren har issmältningen accelererat och avancerat in i den djupa bassängen i norr.

Ett tag trodde forskare att den smältande isen kunde ge en lovande "kolsänka", där koldioxid från atmosfären skulle sugas in i det kalla, kolhungriga vattnet som hade gömts under isen. Att kallt vatten skulle innehålla mer koldioxid än varmare vatten kan och kan bidra till att kompensera effekterna av ökad koldioxid på andra ställen i atmosfären.

När Cai först studerade Ishavet 2008 såg han att isen hade smält bortom Chukchihavet i regionens nordvästra hörn, hela vägen till Kanadabassängen – långt utanför dess typiska räckvidd. Han och hans medarbetare fann att det färska smältvattnet inte blandas in i djupare vatten, vilket skulle ha spätt ut koldioxiden. Istället sugde ytvattnet upp koldioxiden tills den nådde ungefär samma nivåer som i atmosfären och slutade sedan samla upp den. De rapporterade detta resultat i en artikel i Science 2010.

Det skulle också förändra pH-nivån i de arktiska vattnen, visste de, minska de alkaliska nivåerna i havsvattnet och minska dess förmåga att motstå försurning. Men hur mycket? Och hur snart? Det tog dem ytterligare ett decennium att samla in tillräckligt med data för att dra en sund slutsats om den långsiktiga försurningstrenden.

Genom att analysera data som samlats in från 1994 till 2020 – första gången ett sådant långsiktigt perspektiv var möjligt – fann Cai, Qi och deras medarbetare en extraordinär ökning av försurningen och ett starkt samband med den ökande hastigheten av smältande is.

De pekar på havsissmältning som nyckelmekanismen för att förklara denna snabba pH-minskning, eftersom den förändrar ytvattnets fysik och kemi på tre primära sätt:

• Vattnet under havsisen, som hade ett underskott av koldioxid, är nu exponerat för atmosfärens koldioxid och kan ta upp koldioxid fritt.
• Havvattnet blandat med smältvatten är lätt och kan inte lätt blandas in i djupare vatten, vilket innebär att koldioxiden som tas från atmosfären är koncentrerad till ytan.
• Smältvattnet späder ut karbonatjonkoncentrationen i havsvattnet, vilket försvagar dess förmåga att neutralisera koldioxiden till bikarbonat och sjunker snabbt havets pH.

Cai sa att det krävs mer forskning för att ytterligare förfina ovanstående mekanism och bättre förutsäga framtida förändringar, men data hittills visar återigen de långtgående ringverkande effekterna av klimatförändringar.

"Om all flerårsis ersätts av förstaårsis, kommer det att bli lägre alkalinitet och lägre buffertkapacitet och försurningen fortsätter", sa han. "Till 2050 tror vi att all is kommer att vara borta på sommaren. Vissa tidningar förutspår att det kommer att hända till 2030. Och om vi följer den nuvarande trenden i 20 år till kommer sommarens försurning att bli riktigt, riktigt stark."

Ingen vet exakt vad det kommer att göra med de varelser och växter och andra levande varelser som är beroende av friska havsvatten.

"Hur kommer detta att påverka biologin där?" frågade Cai. "Det är därför det här är viktigt." + Utforska vidare

Internationellt team rapporterar att havsförsurningen sprider sig snabbt i Ishavet