溶解度ポンプ

海洋生物地球化学において、溶解ポンプは、溶存無機炭素（DIC）として炭素を海洋表面から内部へ輸送する物理化学的プロセスである。 ^{[ 1 ]}溶解ポンプは、いくつかの環境要因や生物要因の影響を受ける可能性があり、これらの要因は溶解ポンプの強度や海洋における二酸化炭素の溶解度を増減させる可能性がある。

溶解ポンプは、人為的活動によって大気中に放出された二酸化炭素のシンクとして機能することができます。人為的活動によって放出された二酸化炭素のほとんどは最終的に海洋に溶解しますが、その正確な速度は不明です。^{[ 2 ]}気候変動による海洋の温暖化の増加、および海洋の熱塩循環の減速^{[ 3 ]}は、大気から海洋に取り込まれる二酸化炭素の量を減少させる可能性があります。さらに、海洋における二酸化炭素の吸収の増加は海洋酸性化につながり、これは海洋生物にとって問題となる可能性があります。^{[ 4 ]}

溶解ポンプは、海洋における2つのプロセスの同時発生によって駆動される 。

• 二酸化炭素の溶解度は海水温と強い反比例関係にある（つまり、水温が低いほど溶解度が高くなる）。
• 熱塩循環は、海水が通常より冷たく密度が高い高緯度地域で深層水が形成されることによって駆動される。

深層水（すなわち、海洋内部の海水）は、二酸化炭素の溶解を促進する表層と同じ条件下で形成されるため、平均的な表層濃度から予想されるよりも高い濃度の溶存無機炭素を含んでいる。したがって、これら二つのプロセスが相乗的に作用し、大気から海洋内部へと炭素を輸送する。

この結果の一つとして、温暖な赤道付近の緯度で深層水が湧昇すると、二酸化炭素の溶解度が低下するため、大気中に大量の二酸化炭素が放出される。

海氷の形成など、他の環境要因も溶解ポンプに影響を与えます。海氷の形成には、空気と海の間の交換を増加させたり減少させたりするダイナミクスがあります。^{[ 5 ]}

また、溶解ポンプの効果には、気温の変化や溶解ポンプに対する風圧の違いなどの要因により、地域差が生じる場合もある。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

溶解ポンプ内の炭素の交換は、さまざまなガスで監視できます。窒素やヒ素、クリプトンなどの希ガスは、空気と海の間での炭素を含むガスの循環量を追跡するために使用できます。^{[ 9 ]}さらに、海洋化学全般は、大気中の二酸化炭素の量に影響を与えます。[10] 海洋生物は、大気中のδ13CO2^の量も_変化さ^せる可能性があります。 ^{[ 11 ]}

溶解ポンプには、生物ポンプと呼ばれる生物学的対応物があります。両方のポンプの概要については、Raven & Falkowski (1999) を参照してください。^{[ 1 ]}溶解ポンプは希ガス交換や環境条件などの要因の影響を受けますが、生物ポンプは海洋食物網などの要因の影響を受ける可能性があり、生物ポンプは大気中の二酸化炭素濃度全体に影響を与える可能性があります。^{[ 12 ] [ 13 ]}

二酸化炭素は、他の気体と同様に水に溶けます。しかし、他の多くの気体（例えば酸素）とは異なり、水と反応して、いくつかのイオン種と非イオン種（総称して溶存無機炭素、またはDICと呼ばれる）のバランスを形成します。これらは、溶存遊離二酸化炭素（CO₂ ( _{aq ) ）}、炭酸（H₂CO₃）、重炭酸イオン（HCO₃⁻ ）、炭酸イオン（CO₂⁻₃ ）であり、水と次のように相互作用します。

CO _{2 (水溶液)} + H ₂ O ⇌ H ₂ CO ₃ ⇌ HCO − 3 + H ⁺ ⇌ CO 2− 3 + 2 H ⁺

これらの炭酸種のバランス（最終的には二酸化炭素の溶解度に影響する）は、ビェルム図に示すように、pHなどの要因に依存します。海水では、これは多数の正イオン（例：Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺）と負イオン（例：CO₂⁻³⁻、Cl⁻、SO₄²⁻、Br⁻）の電荷バランスによって^制御されます^。通常、^これらの種のバランスは正味^の正電荷^{を残します。炭酸系に関して言えば、この過剰な正電荷}は、補償するために炭酸種のバランスを負イオンの方にシフトさせます。その結果、遊離二酸化炭素と炭酸種の濃度が低下し、バランスを回復するために大気から二酸化炭素が海洋に吸収されます。したがって、正電荷の不均衡が大きいほど、二酸化炭素の溶解度は高くなります。炭酸化学の用語では、この不均衡はアルカリ度と呼ばれます。

測定の観点から、4つの基本パラメータが非常に重要です。全無機炭素（TIC、T _{CO 2}または C _T）、全アルカリ度（T _ALKまたは A _T）、pH、およびpCO ₂です。これらのパラメータのうちいずれか2つを測定することで、pH に依存する幅広い種（前述の種を含む）を特定できます。このバランスは、さまざまなプロセスによって変化する可能性があります。たとえば、CO _2の大気と海洋間のフラックス、CaCO ₃の溶解または沈殿、光合成や呼吸などの生物活動などです。これらのそれぞれが、4つの基本パラメータそれぞれに異なる影響を与え、それらが合わさって地球規模のサイクルに強い影響を及ぼします。海洋の正味および局所的な電荷は、いかなる化学プロセスにおいても中性のままです。

化石燃料の燃焼、土地利用の変化、セメントの製造により、大気へのCO ₂の流入が発生しています。現在、人為的な CO 2 排出量_の約 3 分の 1 (年間約 2ギガトンの炭素) ^{[ 14 ] [ 15 ]}が海洋に流入していると考えられています。溶解ポンプがこの流入を促進する主要なメカニズムであり、その結果、人為的な CO _{2は、高緯度の深層水形成域 (特に}北大西洋)を経由して海洋内部に到達しています。最終的には、人間の活動によって排出される CO ₂の大部分は海洋に溶解しますが^{[ 2 ]}、海洋が将来それを吸収する速度はあまり確実ではありません。

21世紀末までの炭素循環の研究において、Coxら（2000）^{[ 16 ]}_{は、 CO2}吸収速度が2100年までに年間5ギガトンの炭素で最大速度に達して飽和し始めると予測した。これは、海水炭酸塩システムの非線形性による部分もあるが、気候変動による部分もある。 海洋温暖化は海水中の_CO2溶解度を低下させ、排出に対する海洋の反応を遅らせる。温暖化はまた、海洋成層化を促進し、表層海洋を深層水から隔離する。さらに、海洋の熱塩循環の変化（特に減速）^{[ 3 ]}_{は、溶存CO2}の深層海洋への輸送を減少させる可能性がある。しかし、これらのプロセスの規模はまだ不確実であり、溶解ポンプの運命に関する適切な長期推定を妨げている。

_{海洋にパイプを設置して海洋によるCO2}の吸収量を増やし、生物ポンプを利用して海洋の炭素吸収源としての能力を高め、気候変動対策に取り組むという概念に関する研究が行われてきた。しかし、溶解ポンプは大気から海洋へ大量のCO2を輸送する効率が比較的低いため_、パイプを使用して海洋のCO2吸収源としての効果を高めるに_は、非常に多くのパイプ（直径1メートルのパイプ約8億本）が必要となる。^{[ 17 ]}

_{海洋が人為的な大気中のCO2}を吸収することは気候変動を緩和する一方で、海洋酸性化を引き起こし、海洋生態系に悪影響を及ぼすと考えられている。^{[ 4 ]}

• アルカリ度
• 生物ポンプ
• 大陸棚ポンプ
• 海洋酸性化
• 熱塩循環
• 全無機炭素