Игнорирование органической щелочности вносит большую ошибку, чем допущение постоянного соотношения бора и солености при расчетах карбонатной системы талой воды арктического морского льда

Почему важны крошечные ингредиенты в морском льду

Северный Ледовитый океан — один из самых активных «ворот» планеты для удаления диоксида углерода (CO2) из атмосферы, и морской лед играет в этом процессе куда более активную роль, чем принято думать. Ученые обычно описывают такое поведение с помощью химической шкалы — щелочности, которая отражает способность морской воды буферизовать кислоты и удерживать углерод. Традиционно считалось, что эту шкалу почти полностью задают простые растворённые соли и минеральные компоненты. В данном исследовании показано, что в арктическом морском льду небольшая, ранее упускавшаяся из вида часть щелочности, связанная с органическими веществами, может незаметно исказить наши оценки того, сколько CO2 система «лед — океан» действительно поглощает.

Соленая вода, замёрзшие моря и скрытые органические вещества

Когда морская вода замерзает, образуются чистые кристаллы льда, которые выдавливают из себя солёную жидкость — бруй (brine), — заполняющую узкие каналы в толще льда. Эти карманы бруя удерживают не только соль, но и растворённые органические вещества — сложные углеродосодержащие соединения от микроскопических растений, бактерий и рек, впадающих в Арктику. Ранее отмечалось, что такие органические вещества могут в небольшой степени влиять на щелочность в некоторых прибрежных морях, но их роль в полярном морском льду была плохо задокументирована. Параллельно другой компонент морской химии — бор — часто оценивают по солёности, хотя в отдельных случаях он отклоняется от этой зависимости. Авторы поставили задачу непосредственно измерить вклад органики и содержание бора в образцах восточного арктического морского льда и прилегающих вод, чтобы выяснить, какой источник неопределённости важнее для расчётов CO2.

Что экспедиция отбирала в льду

Во время научного рейса 2023 года в проливе Фрама и центральной Арктике команда собрала 140 образцов снега, кернов морского льда, талой приповерхностной воды, бруя из отверстий во льду, а также воды под и между ледовыми полями. Они измеряли растворённый органический углерод (DOC), чтобы оценить содержание органики, а затем применяли специализированную методику обратного титрования для количественной оценки доли общей щелочности, приходящейся на органическую щелочность. В подмножестве образцов имелись точные измерения pH, растворённого неорганического углерода и бора, что позволило протестировать, как включение или игнорирование органики и измеренного бора меняет ключевые параметры карбонатной системы, такие как парциальное давление CO2 (pCO2) и склонность к растворению или осаждению карбонатных минералов.

Органическая щелочность: маленькая доля — большое влияние

Образцы бруя выделялись как «горячие точки» и по DOC, и по органической щелочности. В среднем органика вносила лишь около 0,1–1,0% в общую щелочность — казалось бы, крошечная доля, — однако этого было достаточно, чтобы заметно сместить рассчитанную карбонатную химию. Отношение органической щелочности к DOC соответствовало значениям, наблюдаемым в других богатых органикой, влиянием льда обусловленных морях, таких как Балтийское, что указывает на сходное поведение этих соединений в очень разных регионах. Когда исследователи скорректировали щелочность, исключив органическую долю, и пересчитали параметры карбонатной системы, рассчитанное pCO2 в бруе увеличивалось до 84 микропатмосфер, а состояние насыщения карбонатами кальция (важное для организмов с раковинами) снижалось на 0,2–0,3 единицы. Иначе говоря, бруй выглядел менее способным к наращиванию минералов и более насыщенным CO2, чем показывали стандартные расчёты.

Бор против органики: какая неопределённость важнее?

Поскольку предыдущие исследования в том же районе показали, что бор не всегда следует своему обычному соотношению с солёностью, команда сравнила две ошибки «лицом к лицу»: использование стандартного соотношения бор — солёность против измеренного бора, и включение против исключения органической щелочности. Они прогнали моделируемые случаи, меняя только бор, только органику или оба параметра, всегда исходя из тех же измерений растворённого неорганического углерода и щелочности. Отклонения, вызванные использованием стандартного допущения по бору, были умеренными: pCO2 смещался максимум на ~5 микропатмосфер, а изменения pH и насыщения минералов были незначительными. Напротив, игнорирование органической щелочности систематически занижало pCO2 (делая воду визуально более склонной к поглощению CO2 из воздуха) и завышало насыщение минералов. При сравнении разных способов вычисления pCO2 по одним и тем же образцам наилучшее согласование давали методы, которые явно учитывали органическую щелочность, что подчёркивает: даже небольшие органические вклады повышают внутреннюю согласованность расчётов.

Что это значит для поглощения CO2 в Арктике

Авторы делают вывод, что в бруе арктического морского льда и в водах непосредственно под ним игнорирование органической щелочности вносит гораздо большую ошибку в расчёты карбонатной системы, чем предположение о том, что бор следует своему обычному соотношению с солёностью. Поскольку большинство прошлых оценок обмена CO2 в этих районах опирались на расчёты, основанные на щелочности без учёта органики, они, вероятно, переоценивали силу поглощения атмосферного CO2 морским льдом и подледными водами, особенно в период весеннего таяния, когда из льда выходит органически богатый бруй. Авторы настаивают, что будущие полярные кампании должны либо измерять очень точный pH, либо прямо измерять органическую щелочность — а по крайней мере отслеживать DOC в качестве прокси — чтобы лучше ограничивать арктические углеродные бюджеты и прогнозы океанического подкисления.

Цитирование: Rush, S., Lee, CH., Lee, K. et al. Neglecting organic alkalinity introduces greater error than assuming boron to salinity ratios in Arctic sea ice brine carbonate system calculations. Sci Rep 16, 9393 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39719-6

Ключевые слова: Арктический морской лед, органическая щелочность, поглощение диоксида углерода, растворённый органический углерод, карбонатная химия