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轻松读懂海洋(5)海洋中的碳循环 精选

已有 4118 次阅读 2021-12-5 18:28 |系统分类:科普集锦

在地质历史时期中,地表气候系统会发生重大改变,比如全球性长周期冷暖(冰期-间冰期)模式,以及短周期以及区域性冷暖模式(千年百年尺度的冷暖旋回)波动。这些模式归结于古海洋学的研究范畴。至于更短的十年尺度以及年季尺度,可归结为现代气候研究。

在全球温度变化的大背景下,其中最为重要的反馈成分是全球CO2的循环。

CO2是一种温室气体。太阳光射入到地球表面,加热大地,变热的地面物质会辐射红外光。当这些红外光反射到大气层时,会被CO2吸收,同时一部分被大气层重新反射回地表。于是地球就像穿了一件热外套,地表温度会逐渐升高。

相反,如果大气中的CO2减少,地球的温度也会相应下降。

C原子会在无机和有机界进行循环。地球生命,无论是否利用氧气呼吸,其身体骨架都是由C组成的。这取决于C有良好的性质,它外面有四个电子。其中两个电子可以被用来和左右两个C的电子形成共价键,就像手拉手一样,形成骨架。剩余的两个电子可以和HO等元素组成共价键。如果C链是一辆火车,HO等就是货物。这辆火车装不同的货物,就会形成不同的物质,火车长短不一,也是不同的物质。一般情况下,分子中碳骨架上的碳原子数目不同,从一到十,分别被命名为甲乙丙丁戊己庚辛壬癸,这是中国古代历法中的“十天干”。比如,甲烷分子中就只有一个碳,乙醇(酒精)分子中有两个碳,丙酮的分子中有三个碳。

这种碳氢氧结构的分子中含有大量能量,在含氧环境中,一点火就会着,释放出能量。这些物质是有机质,也就是有能量的物质。我们吃一个馒头,里面的淀粉就是葡萄糖链组成的,含有大量热量。

此外,还有碳酸钙CaCO3这样的无机质,其中的碳就叫做无机碳,缺乏有机质中的能量。不过从原子角度,有机碳和无机碳是一样的。

CO2溶解到水中后,会发生一系列神奇的化学反应。CO2H2O以及氢离子相互吸引,结合在一起形成松散的碳酸分组H2CO3HCO3-以及CO32-。或者也可以认为HCO3-以及CO32-H2CO3分别丢掉一个H+和两个H+的结果。这样看来,CO2在水中的形式多样,有CO2H2CO3HCO3-以及CO32-等形式,所以,在计算海水中CO2浓度的时候,这些形式都要考虑。

除了这种无机形式,海洋中还会含有很多有机小颗粒,也是海洋中碳的载体。这些有机小颗粒一部分会沉入海底保存起来,一部分在沉降过程中,被生物和细菌利用,再次变成无机碳的形式。即使沉入海底的有机碳,也只有一部分能被保留,很大一部分还是会与海底的氧气发生反应,以CO2的形式释放出来。所以,对于一个古老的海底水团,其中CO2的含量就会偏高。如果这个水团的通风状态不好,就像一个屋子里不通风一样,CO2的含量就会增加,海水同时会变酸。在这种情况下,海底沉积物中先前沉积下来的无机CaCO3就会在酸性海水中被溶解。类似的道理,当海水中CO2含量增加时,一些海洋中的生物,其壳体成分是CaCO3(硅质的除外),也会被溶解,其生存就会受到威胁。

CO2在水中的溶解度与温度有关。温度越低,其溶解度越高。温度越高,CO2反而会从水中逃逸。夏天我们从冰箱里拿一瓶可乐,然后放在太阳底下晒一晒,就能体会在这一点。

于是,大气CO2含量和全球平均气温会出现一种同步正反馈现象。当地球温度增加时,海洋浅部海水中的CO2就会释放到空气中,进一步增加温室效应。反过来,当地球温度降低时,海洋中会从空气中吸收更多的CO2,更加有利于温度降低。

大气和浅表海水之间由于温度变化造成的CO2交换有两个特点:瞬时以及规模小。所谓瞬时,是相对于地质记录而言,我们几乎分辨不出二者之间有无滞后效应,几乎同步变化。同时,因为这种交换只涉及浅部海水,即使局部海域CO2在这种尺度上通量很大,也不会对全球CO2造成很大的冲击。

在赤道区温度高,理论上是海水释放CO2的地方。在高纬度地区,气温低,海水利于吸收空气中的CO2。但总的说来,这种浅部海水与空气的CO2交换,全球会达到某种平衡,全球的平均气温不会波动太大(这里不是指春夏秋冬的气温波动)。

但是,还有更多的CO2被藏在深层水。只有把深层水搅动起来,让深层水中的CO2参与全球碳循环,才能形成全球性的大规模气候模态的转变。让深层水参与,时间尺度会更长,而且会涉及海水的垂向运动问题。所以,在天文轨道尺度,比如2万年、4万年、10万年等周期上,CO2与全球温度会有一定的滞后效应。

前人研究发现了一个悖论。太阳在10万年周期上引起的太阳辐射变化量很小,可是,在过去50-60万年以来,地球气候体系中出现了很大的10万年周期波动,而且幅度很大。这里面出现了能量不匹配问题,好似小毛驴拉大车,不好理解。这种现象更是被称之为10万年周期之谜。

在现实生活中,这种现象不是没有,比如点炮竹。一个炮竹蕴含的能量很大,释放它只需要一根火柴。依据这个思路,我们再思考一下CO2和全球平均气温十万年周期变化之谜。

如果把思路类推一下,那么在十万年周期上,火柴没点燃炮竹爆炸之前,应该处于一种长周期的CO2封存过程,最为理想的区域当然是深海。这种封存是波动性的,有点像玩老虎机的感觉。这种博彩游戏不会让参与者一直输,而且波动式,一会儿赢点,一会输点,但是,只要是时间一长,大部分人处于输钱的状态。

之前我们讲到,在任何时刻,地球不同区域或处于释放CO2或吸收CO2的状态。当全球整体慢慢变冷,地球CO2的收支也会不平衡。有些海域通过多种机制(比如生物泵)更容易吸收一些CO2,藏于海底,全球空气CO2含量慢慢地处于整体下降状态。但是,在全球大气CO2含量整体降低的趋势上,可以叠加很多由于短周期的浅海和大气的CO2交换造成的短周期(百年、千年尺度)的CO2脉动(在世纪记录中,我们叫做D-O旋回)。

渡过严寒,当海底蕴藏了足量的CO2,只等时机,等候点炮竹的火柴,就会快速释放。这根火柴就是10万年和2万年周期的叠加。在古气候模式中,我们确实会看到这种情况,一两万年的严寒天气后(比如末次盛冰期),就会迎来全球快速升温,CO2快速释放(全新世)。综上所述,全球大气CO2含量下降缓慢,释放快速,呈现锯齿状的模式,全球平均温度也如此。

地球在冰期和间冰期时,浅表海洋和大气的交换以及效果还是有一定区别的。在冷期,大气CO2含量下降,这样对注入新的CO2非常敏感。所以,在冷期,会出现很多的短周期冷暖旋回(D-O旋回)。但是,在暖期,空气中CO2含量的本底值已经很高,再加入一些额外的CO2,效果并不那么明显,所以,在暖期就会感觉缺少很多千年尺度的变化。不是没有这些快速变化,只是冰期相比,不那么明显。

40-50Ma,地球的温度更高,海洋表层和大气的CO2交换已经达到平衡,应该不会出现明显的很短周期的波动。但是,却会出现几千年到万年尺度的CO2波动,归结原因,还是因为深层水可以被涉及。

前人用“临界点理论”来讨论气候模式变化,我这里用“点炮竹理论”来解释。这个说法,其实还需要很多数据的支持。

不管怎么说,浅层海水和深层海水对全球气候的影响,肯定是不一样。

联想到之前的海水年龄模式,北大西洋的深层水很年轻,而北太平洋深层水则很年老。所以,我们一样可以推导出这样的结论:对于短尺度气候事件,北大西洋深层水的模态就很重要。而对于长尺度的气候变化,北太平洋就显得重要,因为其体积大,CO2存量大。太平洋海底的沉积物、太平洋地区的俯冲带深渊等等都是长周期CO2的重要贡献者。

在更长的构造十年尺度上,额外的CO2来源就显得重要了。全球火山喷发带来地球深部的CO2是一个重要选项。比如,地球好好地在正确的气候模式下运转,会突然变化,火山的作用不可忽视。

陆地上的植物也参与了重要的CO2循环过程。从没有植物到有植物,地球整体会通过有机质的产生于埋藏(比如煤),降低了全球大气中的CO2,长此以往,地球的温度会降低。在季节和短周期尺度,植物发育作用还是很大的额,比如亚马逊森林、云南地区的森林、南海巽他陆架的红树林等等。我们经常会发现,卖啥吆喝啥。研究某个地区,就会强调这个地区的重要性。我的建议是,要整体考虑。

一个极端的例子就是恐龙时代为什么天气热,恐龙排气产生的甲烷贡献很大!按照这个说法,全球养奶牛会对温室气体排放贡献显著。不知以后全球碳中和时代,这要不要收CO2税。如果换算到个人,是不是也会产生这种奇怪的税收个人温室气体排放税。




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