海洋化学

海洋化学は、海洋化学または化学海洋学としても知られ、海水、大気、海底、海洋生物の相互作用を含む、世界の海洋の化学組成とプロセスを研究する分野です。^[2]この分野は、炭素、窒素、リンなどの元素の循環、微量金属の挙動、海洋環境におけるガスと栄養素の研究など、幅広いトピックを網羅しています。海洋化学は、地球規模の生物地球化学的循環、海洋循環、および汚染や気候変動などの人間活動が海洋システムに与える影響を理解する上で重要な役割を果たしています。^{[2]海洋化学は、}プレートテクトニクスと海底拡大、濁度、海流、堆積物、pHレベル、大気成分、変成活動、および生態学 の影響を受けます。

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。

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。彼らの多くは生物地球化学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。

DOM は海洋の炭素プールの重要な構成要素であり、アミノ酸、糖、脂質などの多くの分子を含みます。海洋環境における全有機炭素の約 90% を占めます。^[4] 着色溶解性有機物(CDOM) は、海洋の炭素含有量の 20～70% の範囲にあると推定されており、河川の出口の近くでは高く、外洋では低くなります。^[5] DOM は、栄養素の循環と一次生産性の維持に不可欠な微生物ループと呼ばれるプロセスを通じてリサイクルされ、食物網に戻されます。^[6]また、一部の形態は微生物による分解に抵抗し、何世紀にもわたって海洋に存在する可能性があるため、海洋の炭素貯蔵の世界的な調整においても重要な役割を果たします。^{[7]海洋生物は主に生化学的に陸上生物に似ており、}ハロゲン化有機化合物の最も豊富な供給源です。^[8]

POMには、水柱を通して沈降する生物、糞便、デトリタスなどの大きな有機粒子が含まれています。これは、炭素を海洋表層から深海に輸送するプロセスである生物ポンプの主要構成要素です。POMが沈むと、細菌の活動によって分解され、栄養素と二酸化炭素が放出されます。難分解性のPOM画分は海底に沈降し、非常に長い期間にわたって炭素隔離に重要な貢献をすることができます^[9]

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。一部の科学者は、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しています。

熱水噴出孔や類似の環境では、多くの極限環境生物が、光合成独立栄養のように光をエネルギー源としてではなく、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で付近の環境を豊かにします。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の酸化能力を持っています。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もあれば、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もあります。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。^[10]

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。^[11]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。^[12]

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。 ^{[13] 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。^[11]

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。^[11]

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^[14]。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。^{[13] [14]}

化石燃料の燃焼による二酸化炭素濃度の上昇は、海洋化学に変化をもたらしています。地球温暖化と塩分濃度の変化^{[19]は、海洋}環境の生態学に大きな影響を与えます。^[20]

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。 ^{[28] [29]}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。 ^[28]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。^{[30]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。^{[31] [32]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。 ^{[33] [34] [35]}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。^{[36] [37]}

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。^{[38] [39]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高め、結果として海洋生物が利用できる酸素が少なくなります。^[40]

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、^{[41] [42]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。^[43]

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、1872年から1876年にかけてイギリス海軍が率いたチャレンジャー号遠征で、海洋化学の初めての体系的な測定が行われた分野として始まった。海水の組成に関する初めての体系的な研究を提供するこれらのサンプルの化学分析は、ジョン・マレーとジョージ・フォルクハマーによって行われ、海水中の塩化物、ナトリウム、硫酸塩などの元素に関する理解が深まった^[44]。

20世紀初頭には海洋化学が大きく進歩し、特に分析技術の精度が向上しました。マーティン・クヌーセンなどの科学者は、さまざまな深度から水サンプルを採取するために使用される器具であるクヌーセンボトルを開発しました。^[45]過去30年間（1970年代、1980年代、1990年代）にわたって、米国科学財団のイニシアチブである米国海洋化学の未来（FOCUS）を通じて、化学海洋学の進歩に関する包括的な評価がまとめられました。このプロジェクトには、数多くの著名な化学海洋学者、海洋化学者、地球化学者が集まり、FOCUSレポートに貢献しました。

第二次世界大戦後、地球化学技術の進歩により海洋化学は新たな時代を迎えた。研究者たちは同位体分析を用いて海洋循環と炭素循環を研究し始めた。ロジャー・レヴェルとハンス・スースは、放射性炭素年代測定法を用いて海洋の炭素貯蔵庫と大気との交換を調査する先駆者となった。^[46]

1970年代以降、非常に洗練された機器と計算モデルの開発により、海洋化学は革命的な変化を遂げました。科学者は微量金属、有機化合物、同位体比を前例のない精度で測定できるようになりました。炭素、窒素、硫黄の循環を含む海洋の生物地球化学循環の研究は、地球規模の気候変動を理解するための関心領域となっています。リモートセンシング技術と国際地球圏生物圏計画（IGBP）などの地球規模の海洋観測プログラムの使用により、海洋化学に関する大規模なデータが提供され、科学者は海洋の酸性化、脱酸素化、および海洋環境に影響を与えるその他の重要な問題を監視できるようになりました。^[47]

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。海洋研究船では、CTD を使用して電気伝導率、温度、圧力を測定します^[48]。また、分析用に海水を採取するために、ナンセン瓶のロゼットに CTD が取り付けられることがよくあります^{[49] 。堆積物は、}ボックスコアラーまたはセジメントトラップで研究されるのが一般的で、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。

質量分析計やクロマトグラフなどの高度な分析機器は、微量元素、同位体、有機化合物の検出に応用されています。これにより、海洋環境中の栄養素、ガス、汚染物質を正確に測定できます。^[50]近年、自律型水中車両（AUV）とリモートセンシング技術により、特に海洋酸性化と栄養循環の変化を追跡するための継続的で大規模な海洋化学モニタリングが可能になりました。^[51]

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。^[52]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。^[53]

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