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地球科学原理之36 二氧化碳与温室效应和冰川的形成

已有 7775 次阅读 2009-5-16 20:10 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记|关键词:地球科学,冰川的形成,二氧化碳,温室效应,地球演化| 地球科学, 温室效应, 地球演化, 二氧化碳, 冰川的形成

广东海洋大学

廖永岩

(电子信箱:rock6783@126.com

 

随着全球变化的深入研究,学术界认识到二氧化碳温室效应对全球气候影响的重要性。二氧化碳等温室气体浓度上升,温室效应增强,大气温度升高,引起冰川消融;二氧化碳等温室气体浓度降低,温室效应减弱,大气温度降低,当两极及高山上的温度降至冰点以下时,造成冰川的形成Kirschvink, 1992; Hoffman, 1998

一般认为,大气中的二氧化碳,主要是通过地球排气作用而产生Ozima and Podosek, 1983; Berner, et. al., 1983。所以,地球上的二氧化碳是随着时间的推移,在不断增加。 23.5亿年前,大气几乎全由CO2N2组成,其它组分只属微量Krupp, et. al., 199422~27.5亿年间古大气CO2含量约为今天的100Rye, et. al., 1995

但是,从太古宙至今,二氧化碳浓度不仅没有增加,反而在逐渐减少,最后导致了冰川的形成Kirschvink, 1992; Hoffman, 1998; Berneret. al., 1983; Donnadieu, et. al., 2004 那么,是什么原因使二氧化碳的浓度降低的呢?

我们知道,引起二氧化碳减少的原因,主要有两个:一个原因如下式所示,

       

这说明,是植物的光合作用,将二氧化碳转化为有机物(或矿物有机物),并放出氧气曹宗巽和吴相钰,1979

虽然地球上的活有机物量有限,但地球上的干酪根量达1.5×107 GtFalkowski, et. al., 2000。根据已有(地球科学原理之30 有机碳沉积对地球的作用:http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=228181)的计算,形成1.5×107 Gt干酪根,实际消耗的有机物为2.85×107 Gt。这说明,植物的光合作用的确能造成二氧化碳浓度的一定下降。

另一个原因是二氧化碳形成碳酸盐岩而沉淀。 当最早的绿色植物于35亿年前出现时,地壳才有碳酸盐岩沉淀(张昀,1998。至今,已有6.5×107 Gt碳酸盐岩沉积Schlesinger, 1997这说明碳酸盐岩沉淀是随着绿色植物光合作用而开始的,是由于光合作用直接或间接引起的沉淀:地球刚形成时的表面,由于大量的二氧化碳,及其它酸性物质的存在,pH很低,这种环境是不可能有碳酸盐岩沉淀的;光合作用,吸收大量的二氧化碳,使pH升高。在一定pH值下,若海洋中二氧化碳达饱和,进行强烈的光合作用时,使下式反应向右进行,

 

从而产生白色的CaCO3沉淀。

从以上看出,二氧化碳的变化,主要由绿色植物的光合作用直接或间接引起:植物的大量繁殖,由于光合作用大量消耗二氧化碳,直接造成二氧化碳浓度的降低;同时,由于光合作用,使pH升高,造成大量二氧化碳以碳酸盐岩的形式沉淀,间接引起二氧化碳浓度的降低。

二氧化碳的光合作用补偿点为0.005~0.01%(不同的植物,补偿点有区别,现大气的二氧化碳浓度为0.035%)Berner, et. al., 1983。也就是说,只有当大气二氧化碳的浓度低于0.005~0.01%时,绿色植物才不会再吸收大气中的二氧化碳进行光合作用。若大量的绿色植物进行光合作用,在光合作用的直接和间接作用下,经过漫长的时间,大气中的二氧化碳逐渐降低,最后直接逼近0.005~0.01%或低于0.005~0.01%时,二氧化碳的温室效应已相当低了。一旦二氧化碳的温室效应相当低,大气的温度就会不断下降。当两极的温度降至0以下时,就造成冰川的形成。

从以上分析可见,由于植物的光合作用,从两个方面强烈影响二氧化碳等温室气体浓度。当某一个时间,地球上有大量植物强烈进行光合作用时,地球上的二氧化碳就有可能急剧下降,就有可能形成冰川。那么,地球上的每一次冰川是怎么形成的?各又是哪些植物在起作用?且听下回分解。

未完,待续。

下回预告地球科学原理之37  新元古宙以前冰川期的形成

参考文献:

曹宗巽,吴相钰. 植物生理学,北京:高等教育出版社.1979. 31-125

张昀. 生物进化. 北京:北京大学出版社, 1998, 41-99

Berner R A et al. The carbonate silicate geochemical cycle and its effect on atmospheric CO2 over the past 100 million years. American Jour Science, 1983, 283: 641-683

Donnadieu Y, Goddéris Y, Ramstein G, Nédélec A Meert J. A 'snowball Earth' climate triggered by continental break-up through changes in runoff. Nature, 2004, 428: 303 - 306 

Falkowski P et al. The global carbon cycle: A test of our knowledge of earth as a system. Science, 2000, 290: 291-296Hoffman P F. The break-up of Rocinia, birth of Gondwana, true polar wander and the snowball Earth[J]. Journal of African Earth Science, 1998, 28: 17-33

Kirschvink J L. Late Proterozoic low-altitude global glaceation: the snowball Earth [A] .Schopf J W, Klein C. The Proterozoic Biosphere[M]. London: Cambridge University Press, 1992, 51-52

Krupp R, et al. The Early Precambrian atmosphere and hydrosphere; Thermodynamic constraints from mineral deposits. Econ Geol, 1994, 98: 1581-1598

Ozima M, Podosek F A. Noble gas geochemistry. Cambridge: Cambridge University Press. 1983. 1-36

Schlesinger W. H. Biogeochemistry(2nd edition).Academic Press,1997

 

(注:本“地球科学原理”系列,是根据廖永岩著,海洋出版社(20075月)出版的《地球科学原理》一书改编而来,转载者请署明出处,请不要用于商业用途



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