La química marina , también conocida como química oceánica u oceanografía química , es el estudio del contenido químico en ambientes marinos influenciado por la tectónica de placas y la expansión del fondo marino , la turbidez , las corrientes , los sedimentos , los niveles de pH , los constituyentes atmosféricos , la actividad metamórfica y la ecología . La vida marina se ha adaptado a la química exclusiva de los océanos de la Tierra y los ecosistemas marinos son sensibles a los cambios en la química de los océanos.
El impacto de la actividad humana en la química de los océanos de la Tierra ha aumentado con el tiempo, y la contaminación procedente de la industria y diversas prácticas de uso de la tierra afectan significativamente a los océanos. Además, los crecientes niveles de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre han provocado la acidificación de los océanos , lo que tiene efectos negativos en los ecosistemas marinos. La comunidad internacional ha acordado que restaurar la química de los océanos es una prioridad y los esfuerzos hacia este objetivo se rastrean como parte del Objetivo de Desarrollo Sostenible 14 .
La oceanografía química es el estudio de la química de los océanos de la Tierra . Un campo interdisciplinario, los oceanógrafos químicos estudian las distribuciones y reacciones de sustancias químicas tanto naturales como antropogénicas desde escalas moleculares hasta globales. [2]
Debido a la interrelación del océano, los oceanógrafos químicos trabajan con frecuencia en problemas relevantes para la oceanografía física , la geología y la geoquímica , la biología y la bioquímica y las ciencias atmosféricas . Muchos oceanógrafos químicos investigan los ciclos biogeoquímicos , y el ciclo del carbono marino en particular atrae un interés significativo debido a su papel en el secuestro de carbono y la acidificación de los océanos . [3] Otros temas importantes de interés incluyen la química analítica de los océanos, la contaminación marina y el cambio climático antropogénico .
Se estima que la materia orgánica disuelta coloreada (CDOM) oscila entre el 20% y el 70% del contenido de carbono de los océanos, siendo mayor cerca de las desembocaduras de los ríos y menor en mar abierto. [4]
La vida marina es muy similar en bioquímica a los organismos terrestres, excepto que habitan en un ambiente salino. Una consecuencia de su adaptación es que los organismos marinos son la fuente más prolífica de compuestos orgánicos halogenados . [5]
El océano es el hogar de una variedad de organismos marinos conocidos como extremófilos , organismos que prosperan en condiciones extremas de temperatura, presión y disponibilidad de luz. Los extremófilos habitan en muchos hábitats únicos en el océano, como respiraderos hidrotermales , humeantes negros, filtraciones frías , regiones hipersalinas y bolsas de salmuera en el hielo marino . Algunos científicos han especulado que la vida puede haber evolucionado a partir de respiraderos hidrotermales en el océano.
En respiraderos hidrotermales y entornos similares, muchos extremófilos adquieren energía mediante quimioautotrofia , utilizando compuestos químicos como fuentes de energía, en lugar de luz como en la fotoautotrofia . Los respiraderos hidrotermales enriquecen el ambiente cercano con sustancias químicas como azufre elemental , H2 , H2S , Fe2 + y metano . Los organismos quimioautótrofos, principalmente los procariotas, obtienen energía de estas sustancias químicas mediante reacciones redox . Estos organismos sirven luego como fuentes de alimento para niveles tróficos superiores , formando la base de ecosistemas únicos.
En los ecosistemas de respiraderos hidrotermales están presentes varios metabolismos diferentes. Muchos microorganismos marinos, incluidos Thiomicrospira , Halothiobacillus y Beggiatoa , son capaces de oxidar compuestos de azufre, incluido el azufre elemental y el compuesto a menudo tóxico H 2 S. El H 2 S abunda en los respiraderos hidrotermales, formados a través de interacciones entre el agua de mar y las rocas en las altas temperaturas. temperaturas encontradas dentro de los respiraderos. Este compuesto es una importante fuente de energía y forma la base del ciclo del azufre en los ecosistemas de respiraderos hidrotermales. En las aguas más frías que rodean los respiraderos, puede producirse oxidación de azufre utilizando oxígeno como aceptor de electrones ; más cerca de los respiraderos, los organismos deben utilizar vías metabólicas alternativas o utilizar otro aceptor de electrones, como el nitrato. Algunas especies de Thiomicrospira pueden utilizar tiosulfato como donador de electrones, produciendo azufre elemental. Además, muchos microorganismos marinos son capaces de oxidar el hierro, como Mariprofundus ferrooxydans . La oxidación del hierro puede ser óxica, que ocurre en partes del océano ricas en oxígeno, o anóxica, que requiere un aceptor de electrones como el nitrato o energía luminosa. En la oxidación del hierro, el Fe (II) se utiliza como donador de electrones ; por el contrario, los reductores de hierro utilizan Fe (III) como aceptor de electrones. Estos dos metabolismos forman la base del ciclo hierro-redox y pueden haber contribuido a la formación de bandas de hierro .
En otro extremo, algunos extremófilos marinos habitan en bolsas de salmuera de hielo marino donde la temperatura es muy baja y la salinidad muy alta. Los organismos atrapados dentro del hielo marino congelado deben adaptarse a un cambio rápido en la salinidad hasta 3 veces mayor que la del agua de mar normal, así como al rápido cambio a la salinidad del agua de mar normal cuando el hielo se derrite. La mayoría de los organismos que habitan en las bolsas de salmuera son fotosintéticos, por lo tanto, estos microambientes pueden volverse hiperóxicos, lo que puede resultar tóxico para sus habitantes. Por tanto, estos extremófilos suelen producir altos niveles de antioxidantes. [6]
El fondo marino que se extiende sobre las dorsales oceánicas es un sistema de intercambio iónico a escala global . [7] Los respiraderos hidrotermales en los centros de expansión introducen diversas cantidades de hierro , azufre , manganeso , silicio y otros elementos en el océano, algunos de los cuales se reciclan en la corteza oceánica . El helio-3 , un isótopo que acompaña al vulcanismo desde el manto, es emitido por respiraderos hidrotermales y puede detectarse en columnas dentro del océano. [8]
Las tasas de dispersión en las dorsales oceánicas varían entre 10 y 200 mm/año. Las rápidas tasas de dispersión provocan un aumento de las reacciones del basalto con el agua de mar. La relación magnesio / calcio será menor porque se eliminan más iones de magnesio del agua de mar y son consumidos por la roca, y más iones de calcio se eliminan de la roca y se liberan al agua de mar. La actividad hidrotermal en la cresta de las crestas es eficaz para eliminar el magnesio. [9] Una relación Mg/Ca más baja favorece la precipitación de polimorfos de calcita de carbonato de calcio con bajo contenido de Mg ( mares de calcita ). [7]
La lenta expansión en las dorsales oceánicas tiene el efecto contrario y dará como resultado una mayor proporción de Mg/Ca que favorece la precipitación de aragonito y calcita polimorfos de carbonato de calcio con alto contenido de Mg ( mares de aragonito ). [7]
Los experimentos muestran que la mayoría de los organismos modernos con alto contenido de calcita habrían sido calcita con bajo contenido de Mg en los mares de calcita del pasado, [10] lo que significa que la relación Mg/Ca en el esqueleto de un organismo varía con la relación Mg/Ca del agua de mar en la que se encontraba. crecido.
La mineralogía de los organismos formadores de arrecifes y productores de sedimentos está regulada por reacciones químicas que ocurren a lo largo de la dorsal oceánica, cuyo ritmo está controlado por la velocidad de expansión del fondo marino. [9] [10]
La contaminación marina se produce cuando sustancias utilizadas o esparcidas por el hombre, como desechos industriales , agrícolas y residenciales , partículas , ruido , exceso de dióxido de carbono u organismos invasores ingresan al océano y causan allí efectos nocivos. La mayoría de estos residuos (80%) provienen de actividades terrestres, aunque el transporte marítimo también contribuye significativamente. [11] Es una combinación de productos químicos y basura, la mayor parte de la cual proviene de fuentes terrestres y es arrastrada o arrastrada al océano. Esta contaminación produce daños al medio ambiente, a la salud de todos los organismos y a las estructuras económicas en todo el mundo. [12] Dado que la mayoría de los insumos provienen de la tierra, ya sea a través de los ríos , las aguas residuales o la atmósfera, significa que las plataformas continentales son más vulnerables a la contaminación. La contaminación del aire también es un factor contribuyente al arrastrar hierro, ácido carbónico, nitrógeno , silicio, azufre, pesticidas o partículas de polvo al océano. [13] La contaminación a menudo proviene de fuentes difusas , como escorrentías agrícolas, escombros arrastrados por el viento y polvo. Estas fuentes difusas se deben en gran medida a la escorrentía que ingresa al océano a través de los ríos, pero los desechos y el polvo arrastrados por el viento también pueden desempeñar un papel, ya que estos contaminantes pueden depositarse en los cursos de agua y los océanos. [14] Las vías de contaminación incluyen descargas directas, escorrentías terrestres, contaminación de barcos , contaminación de sentinas , contaminación atmosférica y, potencialmente, minería en aguas profundas .
Los tipos de contaminación marina se pueden agrupar en contaminación por desechos marinos , contaminación plástica , incluidos los microplásticos , acidificación de los océanos , contaminación por nutrientes , toxinas y ruido submarino. La contaminación plástica en el océano es un tipo de contaminación marina por plásticos , que varían en tamaño desde materiales originales de gran tamaño, como botellas y bolsas, hasta microplásticos formados a partir de la fragmentación de material plástico. Los desechos marinos son principalmente basura humana desechada que flota o está suspendida en el océano. La contaminación plástica es perjudicial para la vida marina .El aumento de los niveles de dióxido de carbono , principalmente debido a la quema de combustibles fósiles , está cambiando la química de los océanos. El calentamiento global y los cambios en la salinidad [15] tienen implicaciones importantes para la ecología de los ambientes marinos . [dieciséis]
La acidificación de los océanos es la disminución continua del pH de los océanos de la Tierra . Durante los últimos 200 años, el rápido aumento de la producción antropogénica de CO 2 (dióxido de carbono) ha provocado un aumento de la acidez de los océanos de la Tierra. Entre 1950 y 2020, el pH promedio de la superficie del océano cayó de aproximadamente 8,15 a 8,05. [17] Las emisiones de dióxido de carbono procedentes de las actividades humanas son la causa principal de la acidificación de los océanos, con niveles de dióxido de carbono (CO 2 ) atmosférico superiores a 410 ppm (en 2020). El CO 2 de la atmósfera es absorbido por los océanos. Esta reacción química produce ácido carbónico ( H 2 CO 3 ) que se disocia en un ion bicarbonato ( HCO−3) y un ion hidrógeno ( H + ). La presencia de iones de hidrógeno libres ( H + ) baja el pH del océano, aumentando la acidez (esto no significa que el agua de mar sea ácida todavía; sigue siendo alcalina , con un pH superior a 8). Los organismos marinos calcificantes , como los moluscos y los corales , son especialmente vulnerables porque dependen del carbonato de calcio para formar conchas y esqueletos. [18]
Un cambio de 0,1 en el pH representa un aumento del 26% en la concentración de iones de hidrógeno en los océanos del mundo (la escala de pH es logarítmica, por lo que un cambio de uno en unidades de pH equivale a un cambio diez veces mayor en la concentración de iones de hidrógeno). El pH de la superficie del mar y los estados de saturación de carbonatos varían según la profundidad y la ubicación del océano. Las aguas más frías y de mayor latitud son capaces de absorber más CO 2 . Esto puede provocar un aumento de la acidez, lo que reduce el pH y los niveles de saturación de carbonatos en estas áreas. Hay varios otros factores que influyen en el intercambio de CO 2 entre la atmósfera y el océano y, por tanto, en la acidificación local de los océanos. Estos incluyen corrientes oceánicas y zonas de afloramiento , proximidad a grandes ríos continentales, cobertura de hielo marino e intercambio atmosférico con nitrógeno y azufre procedente de la quema de combustibles fósiles y la agricultura . [19] [20] [21]
La desoxigenación del océano es la reducción del contenido de oxígeno en diferentes partes del océano debido a las actividades humanas. [23] [24] Hay dos áreas donde esto ocurre. En primer lugar, ocurre en zonas costeras donde la eutrofización ha provocado una disminución bastante rápida (en unas pocas décadas) del oxígeno a niveles muy bajos. [23] Este tipo de desoxigenación del océano también se llama zonas muertas . En segundo lugar, la desoxigenación del océano también se produce en mar abierto. En esa parte del océano hoy en día hay una reducción constante de los niveles de oxígeno. Como resultado, las áreas naturales con bajo nivel de oxígeno (las llamadas zonas mínimas de oxígeno (OMZ)) ahora se están expandiendo lentamente. [25] Esta expansión está ocurriendo como consecuencia del cambio climático causado por el hombre . [26] [27] La disminución resultante en el contenido de oxígeno de los océanos representa una amenaza para la vida marina , así como para las personas que dependen de la vida marina para su nutrición o sustento. [28] [29] [30] Una disminución en los niveles de oxígeno del océano afecta la productividad del océano , cómo se mueven los nutrientes y el carbono y cómo funcionan los hábitats marinos . [31] [32]
A medida que los océanos se calientan, aumenta la pérdida de oxígeno en los océanos. Esto se debe a que las temperaturas más cálidas aumentan la estratificación de los océanos . La razón de esto radica en las múltiples conexiones entre los efectos de densidad y solubilidad que resultan del calentamiento. [33] [34] Como efecto secundario, se reduce la disponibilidad de nutrientes para la vida marina, lo que añade más estrés a los organismos marinos .
El aumento de las temperaturas en los océanos también provoca una reducción de la solubilidad del oxígeno en el agua, lo que puede explicar aproximadamente el 50% de la pérdida de oxígeno en el nivel superior del océano (>1000 m). El agua más cálida del océano contiene menos oxígeno y flota más que el agua más fría. Esto conduce a una menor mezcla de agua oxigenada cerca de la superficie con agua más profunda, que naturalmente contiene menos oxígeno. El agua más cálida también aumenta la demanda de oxígeno de los organismos vivos; como resultado, hay menos oxígeno disponible para la vida marina. [35]
Los estudios han demostrado que los océanos ya han perdido entre el 1% y el 2% de su oxígeno desde mediados del siglo XX, [36] [37] y las simulaciones de modelos predicen una disminución de hasta el 7% en el contenido global de O 2 del océano durante los próximos años. cien años. Se prevé que la disminución del oxígeno continuará durante mil años o más. [38].jpg/1280px-HMS_Challenger_(1858).jpg)
Las primeras investigaciones sobre química marina generalmente se referían al origen de la salinidad en el océano, incluido el trabajo de Robert Boyle . La oceanografía química moderna comenzó como un campo con la expedición Challenger de 1872-1876 , que realizó las primeras mediciones sistemáticas de la química oceánica.
Los oceanógrafos químicos recolectan y miden sustancias químicas en el agua de mar, utilizando el conjunto de herramientas estándar de la química analítica , así como instrumentos como medidores de pH , medidores de conductividad eléctrica , fluorómetros y medidores de CO₂ disueltos. La mayoría de los datos se recopilan mediante mediciones a bordo y de flotadores o boyas autónomas , pero también se utiliza la teledetección . En un buque de investigación oceanográfica, se utiliza un CTD para medir la conductividad eléctrica , la temperatura y la presión , y a menudo se monta en una roseta de botellas Nansen para recolectar agua de mar para su análisis. Los sedimentos se estudian comúnmente con un sacatestigos de caja o una trampa de sedimentos , y los sedimentos más antiguos pueden recuperarse mediante perforación científica .
La química del océano subterráneo de Europa puede ser similar a la de la Tierra. [39] El océano subterráneo de Encelado expulsa hidrógeno y dióxido de carbono al espacio. [40]
Figura 1f
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