海洋化学

海洋化学は海洋化学または化学海洋学とも呼ばれ、プレートテクトニクスや海底拡大、濁度、海流、堆積物、pHレベル、大気成分、変成活動、生態系の影響を受ける海洋環境の化学物質含有量を研究する分野です。海洋生物は地球の海洋に特有の化学物質に適応しており、海洋生態系は海洋の化学物質の変化に敏感です。

人間の活動が地球の海洋の化学に与える影響は、産業やさまざまな土地利用慣行による汚染が海洋に重大な影響を及ぼし、時間の経過とともに増大しています。さらに、地球の大気中の二酸化炭素レベルの上昇は海洋の酸性化を招き、海洋生態系に悪影響を及ぼしています。国際社会は、海洋の化学を回復することが優先事項であると合意しており、この目標に向けた取り組みは持続可能な開発目標14の一部として追跡されています。

化学海洋学は、地球の海の化学を研究する学際的な分野です。化学海洋学者は、分子レベルから地球規模まで、自然に発生する化学物質と人為的に発生する化学物質の分布と反応を研究します。^[2]

海洋の相互関連性のため、化学海洋学者は、海洋物理、地質学・地球化学、生物学・生化学、大気科学に関連する問題に頻繁に取り組んでいます。多くの化学海洋学者は生物地球化学的循環を調査しており、特に海洋炭素循環は炭素隔離と海洋酸性化における役割から大きな関心を集めています。^[3]その他の主要な関心分野には、海洋の分析化学、海洋汚染、人為的気候変動などがあります。

着色溶存有機物（CDOM）は海洋の炭素含有量の20～70％を占めると推定されており、河川の出口付近では高く、外洋では低くなります。^[4]

海洋生物は、塩分を多く含む環境に生息する点を除けば、生化学的には陸上生物とほぼ同様である。海洋生物の適応の結果、海洋生物はハロゲン化有機化合物の最も豊富な供給源となっている。^[5]

海には、極限環境 生物と呼ばれるさまざまな海洋生物が生息しています。極限環境生物とは、温度、圧力、光の利用可能性が極限の条件で繁栄する生物です。極限環境生物は、熱水噴出孔、黒煙噴出孔、冷水湧出孔、高塩分地域、海氷塩水ポケットなど、海洋の多くの独特な生息地に生息しています。科学者の中には、生命は海洋の熱水噴出孔から進化したのではないかと推測する人もいます。

熱水噴出孔や類似の環境では、多くの極限環境生物が、光合成による光ではなく、化学化合物をエネルギー源として利用し、化学合成独立栄養によってエネルギーを獲得します。熱水噴出孔は、元素硫黄、H ₂、H ₂ S、Fe ²⁺、メタンなどの化学物質を付近の環境に豊富に含みます。化学合成独立栄養生物、主に原核生物は、これらの化学物質から酸化還元反応によってエネルギーを得ます。これらの生物は、より高次の栄養段階の食料源となり、独特の生態系の基礎を形成します。

熱水噴出孔の生態系には、いくつかの異なる代謝が存在します。Thiomicrospira 、Halothiobacillus、Beggiatoaなどの多くの海洋微生物は、元素硫黄や毒性のある化合物 H ₂ Sなどの硫黄化合物を酸化できます。H ₂ S は熱水噴出孔に豊富に存在し、噴出孔内の高温で海水と岩石が相互作用して生成されます。この化合物は主要なエネルギー源であり、熱水噴出孔の生態系における硫黄循環の基礎を形成しています。噴出孔周辺のより冷たい水では、酸素を電子受容体として使用して硫黄酸化が起こります。噴出孔に近いほど、生物は代替の代謝経路を使用するか、硝酸塩などの別の電子受容体を使用する必要があります。Thiomicrospira の一部の種は、チオ硫酸を電子供与体として利用し、元素硫黄を生成できます。さらに、マリプロフンドゥス・フェロオキシダンスなどの多くの海洋微生物は鉄を酸化することができます。鉄の酸化は、海洋の酸素が豊富な部分で起こる有酸素性の場合と、硝酸塩や光エネルギーなどの電子受容体を必要とする無酸素性の場合があります。鉄の酸化では、Fe(II) が電子供与体として使用されます。逆に、鉄還元菌は Fe(III) を電子受容体として利用します。これら 2 つの代謝は鉄酸化還元サイクルの基礎を形成し、縞状鉄鉱の形成に寄与した可能性があります。

また別の極端な例として、一部の海洋極限環境生物は、温度が非常に低く塩分濃度が非常に高い海氷の塩水ポケットに生息しています。凍結した海氷に閉じ込められた生物は、通常の海水の最大3倍の塩分濃度の急激な変化と、氷が溶けて通常の海水の塩分濃度に急激に変化することに適応する必要があります。塩水ポケットに生息する生物のほとんどは光合成を行うため、これらの微小環境は高酸素状態になり、そこに住む生物にとって有毒になる可能性があります。そのため、これらの極限環境生物は、多くの場合、高レベルの抗酸化物質を生成します。^[6]

中央海嶺の海底拡大は、地球規模のイオン交換システムである。^[7]拡大中心の熱水噴出孔は、さまざまな量の鉄、硫黄、マンガン、ケイ素、その他の元素を海洋に導入し、その一部は海洋地殻にリサイクルされる。マントルからの火山活動に伴う同位体であるヘリウム3は、熱水噴出孔から放出され、海洋内のプルームで検出される。^[8]

中央海嶺の拡大速度は年間10～200 mmである。拡大速度が速いと、玄武岩と海水の反応が活発になる。海水からマグネシウムイオンが除去されて岩石に消費され、また岩石からカルシウムイオンが除去されて海水に放出されるため、マグネシウム/カルシウム比は低くなる。海嶺の頂上での熱水活動はマグネシウムの除去に効果的である。 ^{[9] Mg/Ca比が低いと、}炭酸カルシウムの低マグネシウム方解石多形（方解石海）が沈殿しやすくなる。^[7]

中央海嶺でのゆっくりとした拡大は逆の効果をもたらし、Mg/Ca比の上昇をもたらし、炭酸カルシウムのアラゴナイトと高Mg方解石多形（アラゴナイト海）の沈殿を促進する。^[7]

実験によれば、現代の高Mg方解石生物のほとんどは、過去の方解石の海では低Mg方解石であったことが示されています^[10]。つまり、生物の骨格のMg/Ca比は、生物が成長した海水のMg/Ca比によって変化するということです。

このように、サンゴ礁や堆積物を形成する生物の鉱物学は、中央海嶺に沿って起こる化学反応によって制御されており、その速度は海底拡大の速度によって制御されています。^{[9] [10]}

化石燃料の燃焼による二酸化炭素濃度の上昇は、海洋化学を変化させています。地球温暖化と塩分濃度の変化^{[15]は、海洋}環境の生態学に大きな影響を与えます。^[16]

海洋の脱酸素化とは、人間の活動により海洋のさまざまな部分で酸素含有量が減少することです。 ^{[24] [25]}これが発生する場所は2つあります。まず、富栄養化によって酸素が数十年で非常に急速に減少し、非常に低いレベルになった沿岸地域で発生します。 ^[24]このタイプの海洋の脱酸素化はデッドゾーンとも呼ばれます。次に、海洋の脱酸素化は外洋でも発生します。その部分の海洋では、現在、酸素レベルの低下が続いています。その結果、自然に発生する低酸素領域（いわゆる酸素極小領域（OMZ））がゆっくりと拡大しています。^{[26]この拡大は、人為的な}気候変動の結果として起こっています。^{[27] [28]結果として生じる海洋の酸素含有量の減少は、}海洋生物だけでなく、栄養や生計を海洋生物に依存している人々にとって脅威となります。 ^{[29] [30] [31]}海洋酸素レベルの減少は、海洋の生産性、栄養素と炭素の移動、海洋生息地の機能に影響を与えます。^{[32] [33]}

海が温かくなると、海中の酸素損失が増加します。これは、気温の上昇により海洋の成層化が進むためです。その理由は、温暖化によって生じる密度と溶解度の影響の間には、さまざまな関係があるためです。^{[34] [35]副作用として、海洋生物が利用できる栄養素が減少し、}海洋生物にさらなるストレスがかかります。

海洋温度の上昇は水中の酸素の溶解度の低下も引き起こし、これは海洋上層（1000メートル以上）での酸素損失の約50％を説明できます。暖かい海水は冷たい水よりも酸素が少なく、浮力があります。これにより、表面近くの酸素を豊富に含む水と、自然に酸素が少ない深層水が混ざり合うことが少なくなります。また、水温の上昇は生物の酸素需要を増加させ、その結果、海洋生物が利用できる酸素が少なくなります。^[36]

研究によると、20世紀半ば以降、海洋の酸素はすでに1～2％減少しており、^{[37] [38]モデルシミュレーションでは、今後100年間で世界の海洋の}_酸素含有量が最大7％減少すると予測されています。酸素の減少は1000年以上続くと予測されています。^[39]

海洋化学に関する初期の研究は、ロバート・ボイルの研究を含め、海洋の塩分の起源に関するものが多かった。現代の化学海洋学は、海洋化学の最初の体系的な測定を行った1872～1876年のチャレンジャー号遠征によって始まった。

化学海洋学者は、分析化学の標準的なツールセットに加えて、pH メーター、電気伝導率計、蛍光計、溶存 CO₂ メーターなどの機器を使用して、海水中の化学物質を収集して測定します。ほとんどのデータは船上での測定と自律型フロートまたはブイから収集されますが、リモートセンシングも使用されます。海洋調査船では、電気伝導率、温度、圧力を測定するためにCTD が使用され、分析用の海水を採取するためにナンセン瓶のロゼットに取り付けられることがよくあります。堆積物は、通常、ボックスコアラーまたは堆積物トラップで研究され、古い堆積物は科学的掘削によって回収されることがあります。

エウロパの地下海の化学的性質は地球に似ているかもしれない。^[40]エンケラドゥスの地下海は水素と二酸化炭素を宇宙に放出している。^[41]

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