生态学时空分享 http://blog.sciencenet.cn/u/lionbin 自我营造一个可持续发展的学术生态系统

博文

从寻找“失踪的碳汇”到寻找“失踪的能量” 精选

已有 6728 次阅读 2013-4-18 08:09 |个人分类:生态研究|系统分类:科普集锦|关键词:失踪,碳汇,能量| 能量, 失踪, 碳汇

据科学家估算,20世纪80年代,人类燃烧化石燃料每年向大气净排放二氧化碳约为5.4Pg,因土地利用向大气净排放1.6Pg,即人类活动每年向大气净排放7.0Pg二氧化碳。这些排放的二氧化碳,在大气圈储存3.3Pg,海洋能净吸收2.0Pg。那么剩下了1.7Pg的二氧化碳却不知去向,即可能存在一种未知的碳汇,这种大气中碳收支不平衡现象就是人们常说的missing carbon sink(失踪的碳汇,或者称碳失汇。在大气碳源计算中,化石燃料燃烧释放的二氧化碳比较容易估算,也比较可靠,因为可利用详细的经济统计数据,特别是能源消耗的统计资料进行估算。在碳汇计算中,海洋的吸收能力相对比较容易确定,现有的多种模型的估计值和海洋测定结果均已经比较接近,不同学者得出的结论也基本一致。土地利用变化引起的陆地生态系统CO2排放,由于主要考虑对热带雨林的砍伐的影响,而热带雨林砍伐的面积统计与燃烧量的估计存在较大误差,土地利用变化释放的CO2估计值也就存在较大变异。但是,不管不同模型估算的差异有多大,均指出了碳失汇的存在。自然界的基本定律告诉我们,物质的质量是守恒的,即任何变化包括化学反应和核反应都不能消除物质,只是改变了物质的原有形态或结构。那么,陆地生物圈与大气圈之间,碳循环本应处于物质守恒的平衡状态,那么这些失踪的碳汇究竟到什么地方去了?过去数十年,许多科学家在寻找失踪的碳汇方面付诸了巨大的努力,但并没有真正解决这个问题,只能部分完善甚至有些根本无法解释。从目前对大气二氧化碳源、汇研究的结果来看,这些失踪的碳汇最有可能存在于陆地生态系统中。但是该汇的位置和强度存在着很大的不确定性,目前能够证明这些可能碳汇的直接证据还不够充分。

无论如何,如果陆地生态系统碳失汇问题没法回答,对未来由于大气CO2浓度增加所引起的气候变化的预测将是缺乏根据的。更为糟糕的是,由于这些碳汇确切的位置不知道,人们也不可能采取一定的措施来保护它们,甚至无法预测从何时开始,由于什么原因导致这些碳汇减少,甚至变成了碳源,让未来潜在的气候变化问题火上浇油,变得一发不可收拾。

失踪的碳汇这个问题弄得全球变化领域科学家们焦头烂额,近些年,有关失踪的能量这个问题又开始困扰全球变化科学家们。

与其他系统一样,地球系统要维持其运转,必须不断吸收和释放能量,也就涉及到能量收支的问题。然而,这种能量不是驱动我们的汽车或电灯的那种能量,它是驱动我们生命星球的能量。所以地球是能量输入、输出吞吐量巨大的系统。其中,最多的能量来源是太阳辐射的入射能量,与地热能和潮汐能共同完成这个循环。来自太阳的能量驱动着我们的天气系统,使地球足够温暖,适合生命生存,并驱动植物的光合作用等。但是,并不是所有这些能源都被地球保留下来,所有这些形式的能量转换为热能,其中绝大部分是反射或辐射回太空的。因此,一个可想而知的的结论是,要保持地球的气候稳定,进出地球的热量必须保持一种平衡状态。不过,由于大气化学成分的变化,这种平衡也可能暂时被打破。科学界目前大体所取得共识的是:人类改造自然的活动会排放出大量温室气体,这些温室气体是导致目前目前气候变化的重要因素。为了探讨这种改变,人类正借助卫星、海洋探测器和其他技术探测或估算各能量收支分配。通过研究大气对太阳能的吸收,比较行星释放回太空的能量,研究人员计算出有多少能源是被地球截留的,其中地球吸收的一半能量体现在海水升温、极地冰融等现象中,但另一半能量差值却不知去向,现在称之为“失踪的能量(missing energy)”。

能量守恒定律告诉我们,能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转移或转化过程中其总量保持不变。因此,这些能量是不可能消失的(或称失踪的),那么它们到哪里去了呢?

Science周刊2010年4月16日刊登了一份名为“Tracking Earth's Energy(追踪地球的能量)”研究报告,认为这些能量之所以“失踪”,或许是因为现有卫星或探测器不精确所致,或者这些能量蕴藏于现有技术无法探测的深海,也就是以一种目前人类还无法测定的方式存在着。也就是这种存在,迟早会给地球新一轮气候变化雪上加霜,失踪的能量迟早会回来!为能更好理解和预测未来气候变化,了解气候系统的能量构成至关重要。文章呼吁科学家重视寻找这一失踪的能量,洞悉这些能量的藏身之处。

2012年,Nature Geoscience发表的一篇文章,得出的基本结论认为地球吸收的能量是持续储存在海表以下。这篇文章根据卫星数据重新分析了大气顶层的净辐射,而对海洋热含量(焓)的估算是来自三个独立的数据源。如果将海洋观测过程中的仪器及取样过程等不确定性因素考虑在内,大气顶层的热平衡与海洋上层热含量变化之间的统计学差异不显著。此外,与“厄尔尼诺—南方涛动”有关的地球能量不平衡变化,与卫星测量、重分析模型模拟和一个海洋热含量记录的观测不确定性是一致的。通过结合卫星数据与海洋1800米深处的测量表明,从2001年1月至2010年12月,地球一直在稳定地积累能量。如果大部分的能源是作为热保留在海洋中的,那么这种输入会导致海洋温度的缓慢上升。

在过去的一个半世纪,因化石燃料燃烧和其他人为活动导致大气中温室气体增加,地球表面的温度从1975年到本世纪初的几年有显著增加。然而,海洋表面和表层空气温度在过去十年的大部分时间没有上升。因此,尽管数据显示这些时间段与过去一个世纪气候变暖的仪器记录的变化类似,仍然出现了一些质疑全球变暖持续性的现实。真正的问题不在于气候变暖是否已经停止,而在于地球系统的热量究竟储存在何处,而最终会导致预期的变暖?很明显,首先要调查的是海洋,因为它们是全球变暖中大多数热量的储存场所。最近,Balmaseda等对全球海洋热含量从1958年到2009年的变化进行了再分析,对海洋吸收热量的问题进行了更进一步的解析。他们一篇刚刚被 Geophysical Research Letters 所接受的论文 “Distinctive climate signals in reanalysis of global ocean heat content(全球海洋热含量再分析中的独特气候信号)” 认为:2004年后,海洋上层开始变暖,这种难以捉摸的现象已经暴露了海洋在地球能量收支与短暂气候敏感性作用中的不确定性。通过对海洋进行全新的基于观测的再分析,获得了1958年到2009年间全球海洋热含量的时间演化情况。火山喷发和厄尔尼诺事件对海洋来说是大幅度降温事件,中断了其长期变暖的趋势,但是增温作用在近期的上层海洋变暖间隙是持续的,只是热量被更深的海洋所吸收。大部分的变暖出现在低于700米的深度,而不是在海洋表面,而且大部分的再分配过程是由于这段时间海洋表层风的变化所引起的。这有助于解释为什么气温没有反映出这种增温过程,表明全球变暖正在继续,但并非天天都能观察到。



图片来自文献[1]

 

参考资料
[1] Tracking Earth's Energy. Science (2010-04-16).
[2] Earth's“Missing Energy”. (
http://www.universetoday.com/93097/earths-missing-energy/
[3] Observed changes in top-of-the-atmosphere radiation and upper-ocean heating consistent within uncertainty. Nature Geoscience, 2012, 5(2): 110~113.
[4] Where's Warming? Science (2013-04-12).
[5] Balmaseda et al., 2013. Distinctive climate signals in reanalysis of global ocean heat content. Geophysical Research Letters (Online; DOI: 10.1002/grl.50382).
[6] 王效科等,2002。全球碳循环中的失汇及其形成原因。生态学报,22(1):94-103。




http://blog.sciencenet.cn/blog-502444-681292.html

上一篇:“一不做二不休”新解:Nature撰文谈科学研究的可再现性
下一篇:你能感知地震吗?地震专家与业余爱好者的角逐

30 曹建军 曹聪 廖晓琳 余海涛 肖红伟 印大中 肖重发 苏德辰 李学宽 褚昭明 熊李虎 汤旭光 鲍海飞 陈学雷 李宇斌 张南希 文峰 胡文峰 强涛 曾泳春 杨劲松 王卿 李佳承 陈志刚 李土荣 科管利民 biofans zhangling zxcao24 yunmu

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (36 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2020-1-25 17:33

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部