海洋既是温室气体的贮存器也是火药桶：谁控制温室气体的去向？

                                 吉林大学：杨学祥，杨冬红

       海底藏冷效应和海洋锅炉效应

       地球两极临近结冰的海水因为密度最大而沉入两极海底，自转离心力将较重的海水推向赤道海底，形成全球巨厚的海底冷水层。由于太阳辐射不能进入这个领域，“冷”被安全地封存在海底。赤道海水表层热水在上、冷水在下，垂直方向只有热传导、没有热对流，这个过程被称为“海底藏冷效应”，是全球气候变冷的主要冷源。

       我们在1996年建立了地球内核相对地壳地幔快速旋转的数学模型，被当年通过地震波测量结果所证实。由于内核相对地壳地幔的差异旋转，太阳辐射达到最大值时使核幔角动量交换达到高峰，部分旋转动能转变为热能积累在核幔边界赤道区。超级热幔柱（羽）由核幔边界赤道热区升起，在海底赤道区喷发，加热了底层海水，并引发赤道和两极之间的海洋整体热循环，降低了赤道和两极大气的温差，使两极的海温和气温逐渐上升到冰点以上，消除了“海洋藏冷效应”的“冷源”，形成全球无冰温暖气候，这个过程被称为“海洋锅炉效应”。有证据表明，随着热幔柱喷发强度的减弱，近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15℃，大气冷却了10-15℃，在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温4℃以上。

       海底藏冷效应和海洋锅炉效应受太阳活动的驱动，是太阳活动左右大冰期和小冰期的一个重要机制。海洋是能量的储库，无论是冷是热，都有一个长期的积累过程。

图1 海底藏冷效应和海洋锅炉效应

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我们在2015年1月19日撰文指出，温室气体在水中的溶解度伴随水温的降低而增大。由于冷水中含有较多的温室气体，所以，伴随冷水在海底的积累，温室气体也被贮存在海底冷水之中。海底冷水温度的降低意味着全球气温变冷。

事实上，大气和海洋的温室气体交换是连续发生的，两极的冷水将温室气体带入海底，赤道处海水上升被加热向大气释放出温室气体，总体处于平衡状态之中。

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       我们在2021年8月18日撰文指出，温室气体在海水溶解度随温度降低而升高，冷水在沉入海底时携带大量温室气体，在低温高压下形成干冰和甲烷冰。

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       从“海底藏冷效应”到“海底藏温室气体效应”

       赤道热两极冷是太阳能量纬度不均匀分布造成的。由于大气热容量低，大气热对流不能改变这一基本规律。海水则不同，其热容量大，热对流的传热效果十分显著。计算表明，每立方米的水和空气温度降低一度所释放的能量分别为4180000焦尔和1290焦尔，前者是后者的3240倍。这个巨大差别可从海洋性气候和大陆性气候的比较中看到。瓦伦西亚岛和赤塔同在北纬52度附近，前者位于爱尔兰的大西洋岸，属于海洋性气候，后者位于亚洲大陆内部，属于大陆性气候。虽然纬度相近，但温差在一年内的分布相差悬殊。一年内最冷和最热月份温度的差值，在瓦伦西亚只有7.9度，在赤塔则为46.1度，大于前者5.5倍之多。前者年均温度为摄氏10.3度，后者为零下3度，差值为13.3度。这说明海洋的内能多于大陆，海洋是大气热量的重要供应者。

　　海水因为含有平均约3.5%的盐分，所以它的最大密度约出现在摄氏负2度左右，恰好与海水开始结冰的温度很接近。两极临近结冰的海水密度最大，源源不断地沉入两极海底，自转离心力使较重的海水向赤道海底运动，形成全球巨厚的海底冷水层。由于太阳辐射不能进入这个领域，“冷”被安全地封存在海底，冷水领域还不断扩大。赤道海水表层热水在上、冷水在下，垂直方向只有热传导、没有热对流。随着海洋冷水区的不断扩大和赤道海洋表层热水区的不断缩小，赤道和两极的温差也不断加大，形成中、高纬度地区的冰盖和冰川。我们称这个过程为海底藏冷效应。它是海气相互作用的典型范例，大气中的“冷能”由此而进入海洋。冰雪反射太阳辐射，随着冰雪面积的不断扩大，地表接受到的太阳能量越来越少，使大气和海洋越来越冷，冰期有一个长期的“冷积累”过程。

       温室气体在海水溶解度随温度降低而升高，冷水在沉入海底时携带大量温室气体，在低温高压下形成干冰和甲烷冰。我们称之为“海底藏温室气体效应”。

       美国宇航局提供的数据表明，美国在利用飞机对大气中二氧化碳含量进行观测时发现，南纬45度以南的海洋年碳净通量很大，每年的吸碳量要比释放的多5.3亿吨。在地球上，亚马逊雨林被称为“地球之肺”，但鲜为人知的是，海洋也是“地球之肺”。不过，海洋并没有释放出大量的氧气，而是吸收了大量的二氧化碳，因此海洋又被称为“碳吸存槽”。

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        这一事实从实践上证实“海底贮藏温室气体效应”。

        从海洋锅炉效应到海洋锅炉释放温室气体效应

由于内核相对地壳地幔的差异旋转，太阳辐射达到最大值时使核幔角动量交换达到高峰，部分旋转动能转变为热能积累在核幔边界赤道区（此处核幔速度差最大，积累的热能最多）。超级热幔柱（羽）由核幔边界赤道热区升起，在海底赤道区喷发，加热了底层海水，并引发赤道和两极之间的海洋整体热循环，降低了赤道和两极大气的温差，使两极的海温和气温逐渐上升到冰点以上，消除了海洋藏冷效应的“冷源”，形成全球无冰温暖气候，产生晚白垩纪赤道海洋表层低温之谜（当时温度为摄氏21度，比现代低6.5度）。我们称这个过程为海洋锅炉效应。有证据表明，随着热幔柱喷发强度的减弱，近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15度，大气冷却了10~15度。这是典型的地、海、气相互作用。计算表明，一亿二千万年前形成翁通爪哇海台的海底热幔柱喷发，其释放的热量可使全球海水温度增高33度，喷发过程经历了几百万年时间。有证据表明,在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温4度以上。海底火山活动引发的深海热对流在全球气候变化中的作用不容忽视（见图3）。

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       温室气体在海水溶解度随温度升高而降低，海水携带大量温室气体在海底火山加热下，向大气释放温室气体。我们称之为“海洋锅炉释放温室气体效应”。

        无论是二氧化碳还是甲烷，都在大气圈、海洋圈和岩石圈之间不断循环。集中在大气圈的温室气体，通过循环可以转移到海洋圈和岩石圈，也可以从海洋圈和岩石圈转移到大气圈。

   海洋既是温室气体的贮存器也是火药桶

海洋是温室气体的巨大贮存器，也是温室气体排放的火药桶，只要存储在海洋中的碳释放2 %，就将使大气中的CO₂含量增加一倍。在1 个大气压下，海水温度从0℃升高为25℃，每克海水可释放约1 cm³体积的CO₂，释放量与残留量的比值约为1：1。目前全球海洋溶解的CO₂是大气中CO₂的13倍，以此比例，海水升温25℃，大气中CO₂的含量应该增加到现在的6.5倍，这表明白垩纪海洋增温释放的CO₂是大气CO₂浓度增高的主要来源。

所以，海底藏冷效应通过冷水下沉，将温室气体封存在海底；海洋锅炉效应通过热水上升，将温室气体排放到大气。

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   谁控制了温室气体的去向？

Crowley认为，如果人类将已探明的化石燃料全部消耗，那是大气中的CO₂含量将是工业化前的67倍，这与白垩纪时期大气中的CO₂含量水平相当。

据网上资料，二氧化碳浓度有逐年增加的趋势，50年代其质量分数年平均值约315×10^-6，70年代初已增加至325×10^-6，目前已超过345×10^-6，平均每年增加1.0~1.2×10^-6，或每年约以0.3%的速度增长。综合多数测定结果，在工业革命以前的二氧化碳质量分数为275×10^-6。白垩纪时期大气中的CO₂含量为18425×10^-6。这么多的温室气体从何而来？

我们是在1998年首次提出海底藏冷效应和海洋锅炉效应，并指出海洋锅炉效应是地下和海洋中温室气体进入大气的原因，核幔角动量交换和地球形变又是海洋锅炉效应的原因。

我们在2015年1月20日撰文指出，温室气体在水中的溶解度伴随水温的降低而增大。由于冷水中含有较多的温室气体，所以，伴随两极冷水在海底的积累，温室气体也被压缩贮存在海底冷水之中。海底冷水温度的降低意味着温室气体的进一步压缩和全球气温变冷。我们称之为温室气体的“海底压缩贮存效应”。其相反过程为温室气体的“海面减压释放效应”：温室气体在水中的溶解度伴随水温的升高而减少。由于两极相对变暖的冷水中含有较少的温室气体，所以，伴随两极冷水在海底的升温，温室气体被压缩贮存在海底冷水之中数量也相对减少，海底冷水增温降低温室气体的溶解度，释放出的温室气体上升到海面，减压排入大气。

事实上，大气和海洋的温室气体交换是连续发生的，两极的冷水将温室气体带入海底，赤道处海水上升被加热向大气释放出温室气体，总体处于平衡状态之中。

地球对太阳光的反射率不是固定不变的，冰川消长、雪线的伸缩、大气透明度的增减、云层厚度的变化，都会影响地球的反光率，其中冰川和积雪的作用最大。在其它因素不变的条件下，微弱因素引发的气候变冷一旦启动，如下步骤将连续反复发生：冷的激发使冰川和积雪面积增加；冰川和积雪面积增加使地球反光率增大；增大的反光率就会导致地球接受太阳能量减少使气温进一步下降；以此形成不断增大的反复循环，可称之为“弱因迭代效应”。微弱因素引发的变暖会起到相反的效果。这是“弱因”打破地球复杂系统平衡的根本原因。

温室气体也具有“弱因迭代效应”：温室气体增加使气候变暖，气候变暖导致海温增加，海温增加将使海洋释放更多温室气体，以此形成反复循环。不过，海洋变暖的速度很缓慢，不如光反射率变化来得迅速。前者适于长周期变化循环，后者适于短周期变化循环。

太阳活动变化也具有“弱因迭代效应”：太阳活动减弱导致全球气温轻微下降，两极变冷导致冷水中溶解更多温室气体，使温室气体进入海底的数量增多；赤道轻微变冷导致上升冷水变热幅度减少，使温室气体进入大气的数量减少，这就打破了原有的进出平衡，导致更多的温室气体滞留在海底，使气温进一步变冷，如此迭代下去，大气中的温室气体越来越少，气温下降也就越来越强烈。

冰期时代的温室气体去哪了？结论是，温室气体伴同冷水的深海循环由大气进入海底。理论推导得出两个实用的指标：

其一，海底冷水温度的降低意味着温室气体由大气向海底积累；海底冷水温度的升高意味着温室气体由海洋向大气释放。

其二、海底冷水温度的降低意味着全球变冷；海底冷水温度的升高意味着全球变暖。

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参考文献

1.     杨冬红, 杨学祥. 北半球冰盖融化与北半球低温暴雪的相关性研究[J].地球物理学进展.2014, 29 (1): ？？～？？. YANG Dong-hong, YANG Xue-xiang. Study on the relation between ice sheets melting and low temperature in Northern Hemisphere. Progress in Geophysics. 2014, 29 (1): ?～?.

2.     杨学祥, 陈殿友. 火山活动与天文周期. 地质论评, 1999, 45(增刊): 33-42. Yang X X, Chen D Y. The Volcanoes and the Astronomical Cycles. Geological Review (in Chinese), 1999, 45(supper): 33-42.

3.    杨冬红, 杨学祥. 地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 2013，28（1）：58-70。 Yang D H, Yang X X. Study and model on variation of Earth’s Rotation speed. Progress in Geophysics (in Chinese), 2013, 28（1）：58-70.

4.     杨学祥，陈殿友. 地核的动力作用[J]. 地球物理学进展，1996， 11（1）： 68-74. Yang X X, Chen D Y. Action of the earth core[J]. Progress in Geophysics, 1996, 11(1): 68-74.

5.     杨学祥, 陈震, 刘淑琴等. 地球内核快速旋转的发现与全球变化的轨道效应. 地学前缘, 1997, 4(1): 187-193.Yang X X, Chen Z, Liu S Q, et al. The discovery of fast rotation of the earth’s inner core and orbital effect of global changes. Earth Science Frontiers (in Chinese), 1997, 4(1): 187-193.

6.     杨学祥, 陈殿友. 地球差异旋转动力学. 长春: 吉林大学出版社, 1998, 2, 27-33,79,120-122, 196-198.

Yang X X, Chen D Y. Geodynamics of the Earth’s differential rotation and revolution. Changchun: Jilin University Press (in Chinese), 1998, 2, 27-33, 120-122, 196-198.

7.   杨冬红，杨学祥. 全球气候变化的成因初探. 地球物理学进展. 2013, 28(4): 1666-1677.Yang X X, Chen D Y. Study on cause of formation in Earth’s climatic changes. Progress in Geophysics (in Chinese), 2013, 28(4): 1666-1677.

8.     杨学祥, 张中信, 陈殿友, 等. 地核能量的积累与释放. 地壳形变与地震.  1996, 16(4):85-92. Yang X X, Zhang Z X, Chen D Y, et al. Energy accumulation and liberation in earth’s core (in Chinese). Crustal Deformation and Earthquake. 1996. 16(4): 85~92.

9.     杨学祥, 陈殿友. 热幔柱构造与地核热能.  地壳形变与地震. 1996, 16(1):27-36. Yang X X, Chen D Y.  Mantle plume tectonics and thermal energy of the core (in Chinese). Crustal Deformation and Earthquake. 1996. 16(1): 27~36.

10.  杨冬红, 杨学祥, 刘财. 2006. 2004年12月26日印尼地震海啸与全球低温. 地球物理学进展, 21(3): 1023~1027

Yang D H, Yang X X, Liu C. 2006. Global lowtemperature, earthquake and tsunami (Dec. 26, 2004) in Indonesia.Progress in Geophysics (in Chinese), 21(3): 1023~1072

  11. 杨冬红. 2009. 潮汐周期性及其在灾害预测中应用[D][博士论文].长春:吉林大学地球探测科学与技术学院.

Yang Dong-hong. 2009. Tidal Periodicity andits Application in Disasters Prediction[D]. [Ph. D. thesis]. Changchun：College of Geo-exploration Scienceand Technology, Jilin University.

  12. 杨冬红，杨德彬，杨学祥. 2011a. 地震和潮汐对气候波动变化的影响[J]. 地球物理学报， 54（4）：926-934

Yang D H, Yang DB, Yang X X. 2011b. The influence of tides andearthquakes in global climate changes[J]. Chinese Journal of geophysics (inChinese), 54(4): 926~934

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