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、海水、大気、海底、海洋生物間の相互作用を含む、世界の海洋の化学組成とプロセスを研究する学問です。^{[ 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サイクル、海洋循環、汚染や気候変動などの人間活動が海洋システムに及ぼす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、変成作用、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組成に与える影響は、時間の経過とともに増大しており、産業活動による汚染や様々な土地利用慣行が海洋に深刻な影響を与えています。さらに、地球の大気中の二酸化炭素濃度の上昇は海洋酸性化を引き起こし、海洋生態系に悪影響を及ぼしています。国際社会は、海洋の化学組成を回復させることを優先事項とすることで合意しており、この目標に向けた取り組みは、持続可能な開発目標14の一環として追跡されています。

海洋は相互に関連しているため、化学海洋学者は物理海洋学、地質学および地球化学、生物学および生化学、大気科学に関連する問題に取り組むことが多い。彼らの多くは生物地球化学的サイクルを研究しており、特に海洋炭素サイクル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る。^{[ 3 ]}その他の主な関心対象には、海洋の分析化学、海洋汚染、人為的気候変動などがある。

海洋には、極限環境生物と呼ばれる多様な海洋生物が生息しています。これらの生物は、温度、圧力、光量といった極端な環境下でも生育できる生物です。極限環境生物は、熱水噴出孔、ブラックスモーカー、冷湧水域、高塩分域、海氷の塩水溜まりなど、海洋の様々な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。

熱水噴出孔やそれに類する環境では、多くの極限環境生物が、光合成独立栄養のように光ではなく、化学化合物をエネルギー源として利用する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、硫黄、H₂、H₂S、Fe²⁺、^メタンなどの化学物質を周辺環境に豊富に供給します_。主に原核生物である化学合成独立栄養生物は、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。そして、これらの生物はより高次の栄養段階の生物の食料源となり、独特な生態系の基盤を形成します。

熱水噴出孔生態系には、いくつかの異なる代謝経路が存在する。Thiomicrospira 、Halothiobacillus、Beggiatoa_{などの多くの海洋微生物は、単体硫黄や、しばしば毒性のある化合物であるH₂S}などの硫黄化合物を酸化することができる。H₂Sは_熱水噴出孔に豊富に存在し、噴出孔内の高温下で海水と岩石が相互作用することによって生成される。この化合物は主要なエネルギー源であり、熱水噴出孔生態系における硫黄循環の基礎を形成している。噴出孔周辺の低温水では、酸素を電子受容体として硫黄酸化を行うことができる。噴出孔に近い場所では、生物は別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利用する必要がある。Thiomicrospiraの一部の種は、チオ硫酸塩を電子供与体として利用し、単体硫黄を生成することができる。さらに、 Mariprofundus ferrooxydansなどの多くの海洋微生物は鉄酸化を行うことができる。鉄の酸化は、酸素が豊富な海洋域で起こる好気性酸化と、硝酸塩などの電子受容体または光エネルギーを必要とする嫌気性酸化の2種類に分けられます。鉄の酸化では、Fe(II)が電子供与体として用いられ、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つの代謝経路は鉄の酸化還元サイクルの基礎を形成し、縞状鉄鉱床の形成に寄与した可能性があります。

もう一方の極端な例として、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。凍結した海氷の中に閉じ込められた生物は、通常の海水よりも最大3倍も高い塩分濃度の急激な変化、そして氷が溶けたときの通常の海水塩分濃度への急激な変化に適応しなければなりません。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、そこに生息する生物にとって有毒と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しばしば高レベルの抗酸化物質を生成します。^{[ 10 ]}

中央海嶺での海底拡大は、地球規模のイオン交換システムです。^{[ 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供給し、その一部は海洋地殻にリサイクルされます。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できます。^{[ 12 ]}

中央海嶺の拡大速度は 10 ～ 200  mm/年と変動する。拡大速度が速いと、玄武岩と海水との反応が増加する。マグネシウム/カルシウム比は低くなる。これは、より多くのマグネシウムイオンが海水から除去されて岩石に消費され、より多くのカルシウムイオンが岩石から除去されて海水に放出されるためである。海嶺頂部の熱水活動はマグネシウムを除去するのに効率的である。^{[ 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）の沈殿が促進される。^{[ 11 ]}

中央海嶺での緩やかな拡大は逆の効果をもたらし、炭酸カルシウムのアラゴナイトと高マグネシウム方解石多形（アラゴナイト海）の沈殿を促進する高いMg/Ca比をもたらします。^{[ 11 ]}

実験によると、現代の高マグネシウム方解石生物のほとんどは、過去の方解石海では低マグネシウム方解石であったことが示されており、^{[ 14 ]}これは生物の骨格のMg/Ca比が、その生物が成長した海水のMg/Ca比によって変化することを意味します。

したがって、造礁生物や堆積物生成生物の鉱物組成は、中央海嶺で起こる化学反応によって制御され、その反応速度は海底拡大速度によって制御される。^{[ 13 ] [ 14 ]}

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、主に海洋の塩分の起源に関するものでした。現代の化学海洋学は、英国海軍が率いた1872年から1876年のチャレンジャー号探検隊によって、海洋化学の最初の体系的な測定を行ったことから始まりました。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、海水の組成に関する最初の体系的な研究を提供し、海洋水中の塩化物、ナトリウム、硫酸塩などの元素の理解を深めることにつながりました^{[ 44 ]。}

20世紀初頭には、特に分析技術の精度向上により、海洋化学において大きな進歩が見られました。マーティン・クヌーセンなどの科学者は、さまざまな海洋深度から水サンプルを採取するために使用される装置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）にわたり、米国国立科学財団のイニシアチブである「米国の海洋化学の未来（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。このプロジェクトは、多数の著名な化学海洋学者、海洋化学者、地球化学者を集め、FOCUSレポートに貢献しました。

第二次世界大戦後、地球化学的手法の進歩により、海洋化学は新たな時代へと突入した。研究者たちは、海洋循環や炭素循環の研究に同位体分析を用いるようになった。ロジャー・レヴェルとハンス・ズースは、放射性炭素年代測定法を用いて海洋炭素貯蔵庫とその大気との交換を調査する先駆者となった。^{[ 46 ]}

1970年代以降、高度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進歩を遂げました。科学者は現在、微量金属、有機化合物、同位体比をかつてない精度で測定できます。炭素、窒素、硫黄の循環を含む海洋生物地球化学サイクルの研究は、地球規模の気候変動を理解するための関心分野となっています。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得られ、科学者は海洋酸性化、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や、pH メーター、電気伝導率メーター、蛍光光度計、溶存 CO _{2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および測定します。ほとんどのデータは船上での測定や自律型}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、CTDを使用して電気伝導率、温度、圧力を測定し、^{[ 48 ]}分析用の海水を収集するために、ナンセン ボトルのロゼットに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 コアラーまたは堆積物トラップを使用して一般的に調査され、古い堆積物は科学掘削によって回収される場合があります。

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用いられます。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することが可能になります。^{[ 50 ]}近年では、自律型水中ビークル（AUV）やリモートセンシング技術により、特に海洋酸性化や栄養循環の変化を追跡するために、海洋化学の継続的かつ大規模なモニタリングが可能になっています。^{[ 51 ]}

エウロパの地下海の化学組成は地球に似ている可能性がある。^{[ 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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