新研究发现地球可自我调节温度，存在“稳定反馈”机制：二氧化碳的自然循环

                                                 吉林大学：杨学祥，杨冬红

关键提示

      据环球科学报道，地球在数十亿年间经历了多次剧烈的气候变化，但生命一直在延续。长期以来，科学家猜想一种叫做“硅酸盐风化”的地质过程可能在调节地球碳循环方面扮演着重要的角色，可以根据二氧化碳以及全球气温的变化对它们进行相应的调控。最近，在一项发表于《科学·进展》（Science Advances）的研究中，麻省理工学院的研究人员第一次使用真实数据证实了这个猜想。
       基于此前一项研究中的古气候数据——数据记录了过去6600万年间全球平均气温的变化情况，研究人员利用随机微分方程分析了这些数据中可能存在的特征模式，尤其是在一定地质时间尺度上与控制全球气温有关的数据特征。研究人员认为这是一种“稳定反馈”机制，它可以抵消气候变化的影响，但可能需要几十万年才能实现。https://www.163.com/dy/article/HMD5J0RG05118DFD.html

       事实上，大气中的二氧化碳主要来源于海洋和大陆的碳酸盐分解。地质学家早就论证过，一种叫做“硅酸盐风化”的地质过程可能在调节地球碳循环方面扮演着重要的角色，可以根据二氧化碳以及全球气温的变化对它们进行相应的调控。

       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。

       路径之一：海底藏冷效应

      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。

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 路径之二：海洋锅炉效应

       我们在1976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。

       特别值得指出的是，海底藏冷效应将大量温室气体封存在海底，海洋锅炉效应将大量温室气体释放到大气，形成地球冷暖和温室气体的自然循环。

图4 海底藏冷效应和海洋锅炉效应

在一亿年前的中生代，巨大火成区形成时释放的CO₂是导致全球变暖的重要原因，但是导致全球变暖的巨大火成区有多种作用，温室效应只是其中的一种。使海洋底层水增温，这是巨大火成区无可替代的致暖作用。巨大火成区的海台和洋壳产量在白垩纪是最高的，洋壳产量的最高速度为37×10⁶ km³/Ma（目前的洋壳产量为17×10⁶ km³/Ma），对海洋温度的提高贡献最大。存储在海洋中的碳只要释放2 %，就将使大气中的CO₂含量增加一倍。海洋是CO₂的储库。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。

近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15℃，大气冷却了10-15℃，而第四纪冰期到来之时，海洋底层水温度为0℃，目前为2℃。这表明全球温暖期对应海洋底层水的高温期，全球大冰期对应海洋底层水低温期，海洋底层水是地球储存“冷能”的仓库。新洋壳生成和海底火山活动引发的海温升高和海水中CO₂释放在全球气候变化中的作用不容忽视，这是人为温室效应所不能达到的，因此，这一重要作用值得深入研究。

在一个大气压下下将碳酸钙加热到900℃会分解成生石灰和二氧化碳：

CaCO₃ ＝ CaO + CO₂   (反应条件是高温煅烧，是可逆反应)    （1）

岩浆中大部分成分是硅酸钙。硅酸钙是白色粉末。无味。无毒。溶于强酸。不溶于水、醇及碱，多为针状结晶。在加热至680～700℃时脱出结晶水，结晶外形无变化。由硅酸和生石灰及水按一定比例混合后进行水热反应生成硅酸钙微晶料浆，经过滤，洗涤，干燥制得。

硅酸钙由碳酸钙和二氧化硅在高温下煅烧熔融而成。

生产方法：

1、由氧化钙（有碳酸钙分解而得）和二氧化硅在高温下煅烧熔融而成。

2、将纯石英与碳酸钙按CaO/SiO₂为1∶1（摩尔比）混合，放入铂坩埚中于1500℃以上充分熔融后，将铂坩埚在水中急冷。将制得的偏硅酸钙玻璃体放入铂坩埚中，加热至800～1000℃，即开始结晶而生成β-CaSiO₃。

这一过程在火山喷发前的岩浆生成时可以发生。

CaO + SiO₂  ＝ CaSiO₃    （高温煅烧）         （2）

（1）式加（4）式的反应结果是，火山岩浆中含有大量的CaSiO₃和CO₂。合成式为：

CaCO₃ + SiO₂  ＝ CaSiO₃ + CO₂                 （3）

这一过程也可以在火山形成和喷发中一一发生。

这是火山喷发物中二氧化碳的一个来源。另一个来源就是海沟收集的碳，通过燃烧而形成的二氧化碳，它将植物光合作用收集到的太阳能量，转变为火山喷发的能量，完成全球的碳循环。

这就是说，火山喷发的能量不仅来自地下热能，而且来自太阳能。碳循环的路径揭示了这一重要发现。

酸雨和海洋酸性增大启动温室气体减少的逆反应过程

伴随大气中CO₂浓度的增大，降水带给地面的是酸雨，流入大海的也是碳酸水溶液，增大了海洋的酸性。（1）的逆反应就是将CO₂转变为CaCO₃，形成巨厚的碳酸钙地层，这是温室气体减少，大冰期即将到来的前兆。

特别是，硅酸酸性小于碳酸，火山喷发出的硅酸钙CaSiO₃ 与碳酸反应，生成硅酸和碳酸钙，将CO₂储存在岩石中。大自然自有清除大气中温室气体的方法，是人工方法难以相比的。

CaSiO₃ + CO₂ + H₂O ＝ CaCO₃ + H₂SiO₃                     (4)

由此可见，酸雨和海洋酸化是大气中温室气体浓度减少的前兆，是气候变冷和大冰期到来的前兆，是气候逆转的必经过程。在这一过程中，温室气体不仅贮存在岩石中形成碳酸钙，而且流进海洋，储存大海中。海洋酸化也是必经过程。这是（5）式和（6）式化学反应的结果。混有CaCO₃的水通入过量二氧化碳，会生成碳酸氢钙溶液。碳酸钙和碳酸溶液（雨水）反应，生成碳酸氢钙。往变浑浊的石灰水中通入CO₂，沉淀消失。这些现象的原理是：

CaCO₃ + H₂CO₃ ＝ Ca(HCO₃)₂               （5）

或

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ＝ Ca(HCO₃)₂            （6）

碳酸氢钙可溶于海水，是海洋贮存碳的最主要方式。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1168398.html

重要结论

地球生命的出现和存在，在于地球气候的冷暖循环，其轨迹是碳循环，其动力是构造活动，其能量来自地下热能和太阳能量。

这就是说，火山喷发的能量不仅来自地下热能，而且来自太阳能。碳循环的路径揭示了这一重要发现。就此而论，天然气爆炸形成四川汶川大地震的学说也在其列。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1080011.html

光合作用扑捉了碳，地震埋藏了碳，火山释放了碳，酸雨和酸化海水将碳固化在岩石中和海洋中，碳也引发了地震火山活动。相辅相成，循环不止。

岩石圈和海洋圈是碳的最大储库，地震和火山是碳的传输动力和手段，由此而发生的各种灾害为人类营造了适宜的生活环境。在一个相对静止的地球，例如雪球地球，人类根本无法生存。

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新研究发现地球可自我调节温度，存在“稳定反馈”机制

2022-11-17 18:12:27　来源: 36氪 北京  

      据环球科学报道，地球在数十亿年间经历了多次剧烈的气候变化，但生命一直在延续。长期以来，科学家猜想一种叫做“硅酸盐风化”的地质过程可能在调节地球碳循环方面扮演着重要的角色，可以根据二氧化碳以及全球气温的变化对它们进行相应的调控。最近，在一项发表于《科学·进展》（Science Advances）的研究中，麻省理工学院的研究人员第一次使用真实数据证实了这个猜想。
       基于此前一项研究中的古气候数据——数据记录了过去6600万年间全球平均气温的变化情况，研究人员利用随机微分方程分析了这些数据中可能存在的特征模式，尤其是在一定地质时间尺度上与控制全球气温有关的数据特征。研究人员认为这是一种“稳定反馈”机制，它可以抵消气候变化的影响，但可能需要几十万年才能实现。

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海洋循环方式决定地球冷暖：海底藏冷效应和海洋锅炉效应

已有 3660 次阅读 2021-8-12 18:23 |个人分类:全球变化|系统分类:论文交流

                    海洋循环方式决定地球冷暖：海底藏冷效应和海洋锅炉效应

                                         吉林大学：杨学祥，杨冬红

       欧洲很可能出现大幅度的降温

       由于温室效应的影响，北半球出现了大量的冰川融化，造成了北大西洋环流中断，进而导致了灾难性的局面。最近，一项由德国科学家Niklas Boers所发表的新研究再次向人类发出了一个重大的预警信号。

　　Boers发现，在过去的一个世纪里，由于融化的冰川流入海洋中，使得地球上的一个主要的海洋环流系统正在变得越来越不稳定，这个系统便是大西洋经向翻转环流（AMOC），这种稳定性的丧失可能会对气候造成严重的影响，带来人类难以承受的灾难性后果。Boers将他的分析结果详细发表在了近期的《自然-气候变化》杂志上。

　　AMOC是一个巨大的洋流系统，它是地球上最关键的环流系统之一。这个系统横跨大西洋，是墨西哥湾流的源头，它能够将热带的暖水团从海洋表面向北输送，将冷水团从海洋底部向南输送。这样一个能够重新分配热量的洋流不仅与欧洲相对温和的气温息息相关，而且还影响着世界各地的天气系统。如果这样一个洋流系统崩溃，将可能产生不可估量的严重后果。比如欧洲很可能出现大幅度的降温，热带季风系统受到严重干扰等等。

https://finance.sina.com.cn/tech/2021-08-12/doc-ikqciyzm0986358.shtml?cre=tianyi&mod=pchp&loc=26&r=0&rfunc=79&tj=cxvertical_pc_hp&tr=12

科学家们已经注意到了大西洋地区一个非常关键的洋流系统，这个系统又在减速。这个洋流系统被称为大西洋经向翻转环流（AMOC），它将赤道附近的温暖咸水输送到欧洲北部。而来自北极的较冷的水使它变得更加密集并沉入深海，这个过程中它从大气中吸收大量的碳。然后这些水团从深海向南回流，大部分水在南极洲附近重新融合，并将温室气体释放回空气中。

图1 大西洋经向翻转环流（AMOC）

来自海底洋流分析显示，距今大约95万年前，洋流大幅减缓。这直接关系到大西洋深处碳的积聚以及空气中温室气体的浓度。根据一项新研究，这引发了一系列每10万年出现一次的冰河时代。如果目前的洋流持续放缓，我们不应指望它能通过储存我们的排放来帮助我们，结果可能恰恰相反。

新泽西州普林斯顿大学的研究员杰西·法默博士表示，洋流与冰河时代似乎是一对一的关系。这就像翻转开关一样。它告诉我们，海洋中存储的碳量与气候正在发生的事情之间存在着密切的关系。研究人员通过检查来自南大西洋/北大西洋的深海岩石核心来确定这些变化。他们发现在当时AMOC减弱到前所未有的程度，而且减弱时间过长。深水收集的碳量比以前的碳含量高出约500亿吨，这相当于今天世界上所有海洋吸收的人类排放量的三分之一。

图2 洋流与冰河时代似乎是一对一的关系，这就像翻转开关一样。

在此活动前的温暖时期，大气层的碳含量约为百万分之280（280ppm）。而随着洋流减速，空气中的二氧化碳降至180ppm，转折点被称为中更新世过渡期，在这个过程中，地球进入了最后一个冰河时代，它清楚地表明，空气中的碳缺失最终对气候产生了强大的影响。

由于工业化，现在大气碳现在高达约410ppm。根据AMOC的强度波动，自20世纪中期以来，它似乎已经被削弱了15％。似乎看到类似的变化，有人可能会说，“太棒了！海洋环流将使我们免于气候变暖！”但研究者指出，这并不正确，因为气候系统的影响实则非常复杂——如果现在AMOC继续减弱，可能导致北半球的气候和降水类型发生重大变化，产生更加异常的洪水与干旱。

图3 北大西洋环流

但目前，研究者们指出，除了大西洋有类似的洋流系统，印度和太平洋也同样有类似的洋流循环，但对它们的循环和对温室气体的影响了解得非常少，因此关于海洋对气候的影响有许多缺失的部分。

http://www.yidianzixun.com/article/0Lirz9sI

       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1976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4 海底藏冷效应和海洋锅炉效应

  海洋循环的特殊性

对海洋而言，水平运动具有明显的规律性。在赤道附近的中低纬度地区，形成明显的全球统一性一级西向流；而在中、高纬度地区形成明显东向流。尤其在南半球纬度40^o以南、北半球纬度45^o以北地区，洋流以东向为主，形成全球性一级东向流（见图3）。洋流稳态运动速率的量级介于cm/s~m/s。大气运动和盛行凤系的存在，是导致海洋水体运动的主要动力。

图5 太平洋和印度洋的海洋环流分布图和全球气候的三个海冰启动开关示意

由于大陆的阻隔，海洋相对大气有独立的热循环系统，打破了大气循环的纬度界线，形成南太平洋的内循环和外循环，控制了两极和赤道之间的热交换。

       4. 南极半岛德雷克海峡通道对全球气候的影响

在整个中生代，全球各大陆集中在一起，形成一个几乎从一个极延伸到另一个极的巨大的单一陆块，这种轮廓肯定有助于周围大洋中的高效率向极热输送。在南、北两半球，一个单一的环流系统作用范围至少达到纬度55^o，以致宽阔的、深而缓慢的赤道流在穿过低纬度大于180^o弧的旅途中被大大加热。中始新世和早渐新世之间的总的温度下降，在整个新生代都是最急剧的。这种下降被认为由如下原因引起：1) 德雷克通道和塔斯马尼亚以南的通道开始为全球循环和气候上隔离的环极流打开了通路；2) 由于澳大利亚-新几内亚向北移动，吸热的赤道水面积缩小；3) 特提斯海关闭，不能使赤道环流通过^[4~10]。

Van Andel等人(1975)在分析了太平洋所有不整合之后提出, 德雷克通道的打通可能形成了环极流，并隔断了对南极洲的向极热输送，因而产生了冰架和冷的底水^{[6, 10]}。对第三纪早期普遍变冷起作用的明显构造事件是巴拿马地峡的封闭，因而限制了大西洋与太平洋之间赤道水体的交换^{[6, 7]}。同理，德雷克海峡被扩展的南极冰盖封闭，导致气候上隔离的环极西风漂流带的消失，加强赤道热流向两极的输送，使扩展冰盖趋于消失。这是南极冰盖不能扩展成南半球大冰川的一个重要原因。

既然德雷克通道在中周期和长周期的气候变化中起决定性的作用，那么在短周期的气候变化中，德雷克海峡中的海冰进退关系重大。一个可能的模式是：南极半岛海冰增多使西风漂流在德雷克海峡受阻，导致环南极大陆水流速度变慢和南太平洋环流速度变快，部分受阻水流北上，加强秘鲁寒流，使东太平洋表面海水变冷，加强沃克环流，增强赤道太平洋热流与南极环流的热交换，增温的南极环流使南极半岛的海冰减少；南极半岛的海冰减少使德雷克海峡水流通量增加，导致环南极大陆水流速度变快和南太平洋环流速度变慢，部分本应北上的水流转而进入德雷克海峡，使秘鲁寒流变弱，使东太平洋表面海水变暖，减弱沃克环流，使堆积在太平洋西部的暖水东流，减弱赤道太平洋热流与南极环流的热交换，降温的南极环流使南极半岛海冰增加。这就是德雷克海峡的海冰变化调控全球气候变化的机制，我们称之为南极环大陆海冰的气候开关效应(图3)。

       5. 南极海冰控制的全球海洋热输送

在北半球，由于大陆的阻隔，北太平洋与北极处于半封闭状态，海洋寒流由北极进入太平洋要通过狭窄的白令海峡，流入量受到限制。印度洋北部是欧亚大陆。因此，太平洋和印度洋的北部完全在海洋暖流的控制之下。与此相反，大西洋、太平洋和印度洋对南极而言是完全开放的，特别是南半球环南极大陆强烈的海洋西风漂流，在经过南美洲的德雷克海峡时严重受阻，部分寒流沿南美洲西海岸北上，加强了秘鲁寒流，其规模远大于非洲西海岸的本格拉寒流，形成太平洋北暖南冷、西暖东冷的格局。南半球西风飘流是海洋寒流，北半球西风飘流是北太平洋暖流和北大西洋暖流，这个重大差别是由陆海分布差异造成的。

西澳大利亚寒流是南半球最弱的海洋寒流，因为太平洋南赤道暖流能够通过阿拉弗拉海进入印度洋，加强印度洋南赤道暖流，减弱西澳大利亚寒流，形成印度洋和西太平洋的高温低压区，与东南太平洋由秘鲁寒流形成的低温高压区组成一个沃克环流。

赤道附近太平洋上，东部海域海水较冷（寒流影响），使海水上空的气温偏低，气流下沉（近海面形成高压），而东部海域的海水的温度较高（暖流影响），空气受其影响气温偏高，气流上升，近海面形成低压，所以在近海面就形成从高压向低压的风，上空气流方向相反，就形成了环流，这就是沃克环流，它是纬向环流。

在大气纬向的沃克环流和径向的哈得来环流组合的影响之下，构成南太平洋的海洋内部循环，其路径是：太平洋的南赤道暖流----东澳大利亚暖流----南中纬度的西风漂流----秘鲁寒流^[1]。

事实上，印度洋和大西洋都有类似的环流和现象，由于热能相对较少，厄尔尼诺和拉尼娜现象也就不明显。

太平洋、印度洋和大西洋在北半球是相互封闭的；在南半球是相互连通的，南半球西风漂流带和环南极大陆海流是三大洋热能交换的渠道，构成太平洋的外循环。太平洋有广阔的赤道海域，由此获得的热能通过外循环向外传输。

北太平洋通过白令海峡向北极输出的热量为10TW(1TW = 10¹²W),南太平洋向南极输出的热量为1190TW，是前者的119倍。印度洋向南极输出的热量为490TW，而北大西洋输出的热量起源于太平洋，数量超过1000TW，其中向北极输出的热量为260TW^[2]。海洋输送的热量数量为北太平洋向南太平洋的热输出提供了证据（见图4）。

地质资料表明, 对第三纪早期的普遍变冷起作用的明显构造事件是巴拿马地峡的封闭，迅速变暖和较长的变冷由轨道参数的周期性所决定。阻挡大西洋赤道暖流进入东太平洋，加强秘鲁寒流，是气候变化的原因。南美洲与南极大陆的分离造成环绕南极大陆强烈的海洋西风漂流带，它阻挡赤道暖流南移，生成南极冰盖并维持其稳定的存在,为全球构造运动影响气候变化提供了证据^{[3 - 5]}。这表明,北太平洋向南太平洋输送热量的波动性是厄尔尼诺事件和拉尼娜事件发生的本质原因,相应的海洋环流在温差积累到一定程度时必然发生。厄尔尼诺发生时，太平洋暖水由东向西，或由西向东，或由中部分别向东向西运动，其实质是北部暖水向南运动。

图6  海洋热输送的数量估计

如果有某种原因使南半球的西风漂流减弱，或使东南太平洋表面海水增温，就会减弱这一地区的沃克环流，出现南太平洋高压和印度尼西亚——澳大利亚低压同时减弱，甚至相反的情况。这是南方涛动和厄尔尼诺同时出现的原因。

当南极洲的温度变冷时，存在很多海冰的德雷克通道处于封闭状态，阻塞环南极大陆的海流，加快南太平洋环流，并从向极方向连接南极洲热输送，从而使南极洲变暖；当南极洲的温度变暖时，存很少海冰的德雷克通道处于开放状态，打通环南极大陆海流，减慢南太平洋环流，并从向极方向隔离南极洲热输送，因而使南极洲变冷。如图3所示，非洲海冰开关I，澳大利亚海冰开关II和德雷克海峡开关III控制了环南极大陆海流，并从向极方向隔离或连接向南极洲的热输送，因而增加或减少在非洲、澳大利亚和南美洲西部的海洋寒流流量。因此，南太平洋海温的增加和减少在环南极三个“海冰开关”的控制下不断交替发生，与南太平洋环流速度减慢与增加相对应。

南极海冰季节性变化幅度较大.海冰净冰面积在2月最小，为2.3×10⁶ km²，在9月最大，为15.4×10⁶ km²，最大值约是最小值的6.5倍。南太平洋低纬度的海温，历年在3月附近为最暖，9月附近为最冷。日长在1月份比在7月份要长，即1月的地球自转速度比7月减慢。在南、北半球±10^o的低纬度地区，自东而西的太平洋赤道洋流在2月最大流速为51 cm/s，8月最大流速大于77 cm/s。即8月赤道洋流流速要明显地大于2月。

南半球冬季冰冻线使非洲、澳大利亚和南美洲与南极洲的表面水流宽度分别缩小到原来的1/3、1/2和1/8。这种情况在平面地图上是难以觉察到的。南极半岛的海冰面积在2月最小，扩大了德雷克海峡海水通道，使南半球西风漂流速度加快，使太平洋外循环加快，内循环减慢，减弱秘鲁寒流，有利于厄尔尼诺事件的形成，对应赤道太平洋3月海水最暖，流速降低；南极半岛的海冰面积在9月最大，缩小了德雷克海峡海水通道，使南半球西风漂流速度减慢，增强秘鲁寒流，有利于拉尼娜事件的形成，对应赤道太平洋9月最冷，流速增大，使太平洋外循环减慢，内循环加快。

南极海冰的长期趋势变化从70年代到90年代海冰有两个突变，一次发生在1975年底1976年(厄尔尼诺年)初，海冰由偏多迅速转变为偏少，另一次发生在1988年(拉尼娜年)，是海冰由偏少缓慢转向偏多。海冰减少与厄尔尼诺有很好的对应关系^[10]。南太平洋低纬度的海温，历年在3月附近为最暖，9月附近为最冷。1973年南半球冬季海冰的范围比夏季大大扩展；最小的出现在2月10日，最大的出现在7月16日^[11] (与9月出现最大值的一般情况相比是特殊的异常现象)。与其相关的是，1972年4月~1973年2月是厄尔尼诺事件时期，1973年6月~1974年4月是拉尼那事件时期。对比两者的变化趋势可以看出，南极海冰和南太平洋的海温具有明显的相关性，即德雷克海峡冰冻线的季节性北移，关闭了德雷克海峡的”海冰开关”，导致秘鲁寒流的对应增强，是拉尼那事件发生和秘鲁沿海表层水季节性降温的主要原因。

2014年南极海冰结冰量创40年新高，是南极海冰长期趋势变化的第三次突变，预示一个气候变冷时期正在生成。

        6. 南极三个海冰开关控制了全球的温盐循环

据网上资料，温盐环流是一个大尺度的海洋环流，由温度及含盐度的差异所致。在北大西洋，环流的表面暖水向北流而深海冷水向南流，造成净热量向北输送。表面海水在位于高纬度的固定下沉区下沉。

表面风对于100 米左右以下深度的海水环流所起的作用微乎其微，而海水温度和盐度的变化则足以使海水密度产生差异。

海水密度的差异使得产生了密度梯度，导致海流的形成。这种方式产生的海流流速非常慢（每年只有若干公里），只有通过特殊的手段才能发现这种海流，也就是通过把不同深度的水团的温度、盐度和氧含量表示在图上，才能发现它的存在。

海洋的温盐环流系统是大洋中最重要的海水运动，一般被形象地称为“大洋输送带”。在这个系统中，北大西洋表面冷而致密的海水下沉到海洋深处，再经过印度洋和太平洋，最终回到大西洋。这整个循环过程要花费数个世纪之久，是调节地球上大陆之间热量的最重要的循环之一。温盐环流在地球上温度和盐度都不同的大洋之间输送着营养物质和热量。

在北半球，由于大陆的阻隔，北太平洋与北极处于半封闭状态，深海环流由北极进入太平洋要通过狭窄的白令海峡，流入量受到限制。印度洋北部是欧亚大陆。因此，北太平洋高纬度海区没有典型的温盐环流（见图5）。与此相反，大西洋、太平洋和印度洋对南极而言是完全开放的，温盐环流在南极大陆周围形成最大规模。这个重大差别是由陆海分布差异造成的（见图6）。

NASA所绘制的温盐环流分布图。不同的生态系统，其所受到的环境因子便有所不同，而温盐环流对于海洋生态系而言具有极大的重要性，因为它也主导了盐份的循环。而对气候的重要性同样重要，因为其也伴随气候与能量的调节。

   图7  NASA所绘制的温盐循环图（蓝色表示冷流，红色表示热流）

图8  以南极为中心的温盐循环图（蓝色表示冷流，红色表示热流）

全球温盐环流有两大系统：北极冷水下沉控制的温盐环流规模较小，流经大西洋和印度洋，处于非洲海冰开关控制之下；南极冷水下沉控制的温盐环流规模较大，遍及三大洋，影响全球气候变化，处于南极三大海冰开关控制之下。后者的作用被人们忽视（见图5，图6）。这表明，南极海冰的异常减少，将打开南极海冰的三大开关，导致温盐循环速度突增。这是2016年9月北极和南极海冰同时大量融化的原因。

杨学祥最近指出，当赤道热两极冷的平衡被打破，热空气进入北极，冷空气被挤出。北极寒潮遇到北极涛动的负位相，这个寒潮强度将变得非常强，演化成现在所说的“超级寒潮”。

http://news.163.com/16/1104/06/C50O55LT000187VE.html

7. 中生代温暖期的巨大火成区

       火山活动峰值对应温暖期，谷值对应冰期，是海底藏冷效应和海洋锅炉效应的证据。

火山长周期的对应关系是：火山活动峰值与全球无冰期对应，而谷值与大冰期对应，这可以用温室效应来解释，但温室效应不是唯一因素。

表3  地球自转周期与地质旋回

在一亿年前的中生代，巨大火成区形成时释放的CO₂是导致全球变暖的重要原因，但是导致全球变暖的巨大火成区有多种作用，温室效应只是其中的一种。使海洋底层水增温，这是巨大火成区无可替代的致暖作用。巨大火成区的海台和洋壳产量在白垩纪是最高的，洋壳产量的最高速度为37×10⁶ km³/Ma（目前的洋壳产量为17×10⁶ km³/Ma），对海洋温度的提高贡献最大。存储在海洋中的碳只要释放2 %，就将使大气中的CO₂含量增加一倍。海洋是CO₂的储库。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。

近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15℃，大气冷却了10-15℃，而第四纪冰期到来之时，海洋底层水温度为0℃，目前为2℃。这表明全球温暖期对应海洋底层水的高温期，全球大冰期对应海洋底层水低温期，海洋底层水是地球储存“冷能”的仓库。新洋壳生成和海底火山活动引发的海温升高和海水中CO₂释放在全球气候变化中的作用不容忽视，这是人为温室效应所不能达到的，因此，这一重要作用值得深入研究。

除此之外，陆海分布、太阳活动、轨道效应等因素对气候的影响也非常重要。例如，大陆集中在两极会形成极冷气候，大陆分散在赤道会形成极热气候。石炭二叠纪大冰期发生在大陆集中在南极周围，而第四纪大冰期发生在大陆集中在北极附近。

现代火山活动有明显致冷的记录。短周期的对应关系是：小冰期对应强火山活动，小气候最适期对应弱火山活动。但是，火山长周期的对应关系却是：火山活动峰值与全球无冰期对应，而谷值与大冰期对应。

据Coffin和Eldholm（1993）海洋考察结果，巨大火成区所显示的大陆溢流玄武岩和大洋溢流玄武岩的喷发强度与全球高温和大气CO₂高浓度对应（见图9-11）。

   图9 全球巨大火成区与海平面变化、生物灭绝、全球高温和大气CO₂高浓度对应

120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台，其释放的热量为6×10²⁶J，海洋的质量为1.45×10²⁴g，可使全球海水温度增高33℃，平均每万年海温升高0.1℃。

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4⁰C以上。

海底火山活动引发的海温增高和CO₂排放在全球气候变化中的作用不容忽视，这是白垩纪强烈火山活动、大气中高浓度CO₂和异常高温一一对应的原因。最近发现在15~20Ma前南极的夏季温度要比现在高出大约11℃，最高可以达到大约7℃。这一南极地区的“绿化”过程最高峰大致出现在中新世中期，距今大约16.4~15.7Ma。中新世中期的温暖环境被认为应当对应于400~600ppm的大气二氧化碳浓度。15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩喷发是大气CO₂浓度增加的原因（见图10）。

1000km³熔岩要释放1.6×10¹³ kg的CO₂，3×10¹²kg的硫和3×10¹⁰kg的卤素。一个巨大火成区的累积过程要发生上千次这样的喷发，它使现代人类造成的污染物产生的影响相形见绌。

120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台的体积为36×10⁶km³，15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩体积为1.3×10⁶km³，释放的CO₂分别为5.8×10¹⁷ kg和2.1×10¹⁶ kg。

Engel and Engel给出了北美火山喷发曲线，Larson给出了1.5亿年以来全球地磁、洋壳产量、古温度、古海平面、黑色页岩的异常变化，与图9-10的变化趋势基本一致。

图10  1.2亿年以来热幔柱喷发的规模比较：规模变小与气温变冷对应 

图11  全球巨大火成区

       8. 简短小结

       海底藏冷效应的高峰时期对应冰期，海洋锅炉效应的峰值时期对应中生代温暖期；

       目前处于200年潮汐周期变冷时期；

       目前处于70年太阳黑子延长极小期；

       目前处于88年火山活跃期；

       目前处于30年拉马德雷冷位相低温期；

       目前处于北极冰川融化高潮期；

       目前处于2023-2025年月亮赤纬角最大值时期（变冷）；

       欧洲很可能出现大幅度的降温，预兆已经非常明显。

       我们在2007年中国首届灾害链学术研讨会论文集上指出，近期科学研究的一系列成果揭示了冷气候、台风、强潮汐、禽流感世界大流行和强震相互对应的规律和物理机制，对气候及其相关灾害的预测有重大科学意义。规律表明，在拉马德雷冷位相时期，全球强震、低温、飓风伴随拉尼那、禽流感伴随厄尔尼诺将越来越强烈。印尼地震海啸发出了自然界对人类的警告：拉马德雷冷位相时期的灾害链已经启动，人们必须有所准备。8年的科研实践正在验证这一理论预测[1]。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-972518.html

参考文献

1．  吴珍汉。旋转地球动力学。北京：地质出版社，1997。

2．   M.B.斯托瓦斯。地球自转的不均衡性——地球形状及大地构造因素。地质力学论丛（1），北京：科学出版社，1959。

3．  杨冬红，杨德彬。日食诱发厄尔尼诺现象的热-动力机制。世界地质。2010，29（4）：652-657.

4．  Francisco P. Chavez, John Ryan, Salvador E. Lluch-Cota, etal. From Anchovies to Sardines and Back: Multidecadal Change in the Pacific Ocean. Science. 2003, 299: 217-221.

5．  周秀骥, 陆龙骅主编. 1996, 南极与全球气候环境相互作用和影响的研究. 北京: 气象出版社.2, 12, 44, 133, 271, 380, 381-392.

6.    Charles D. Keeling and Timothy P. Whorf. The 1800-year oceanic tidal cycle: A possible cause of rapid climate change[J]. PNAS, 2000, 97(8): 3814-3819

7．  杨冬红。潮汐周期性及其在灾害预测中应用。博士论文，吉林大学，2009. 

8．  徐道一 等。天文地质学概论。北京：地质出版社，1983. 94，116

9.    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。

10. 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.

11.  杨冬红, 杨学祥.灾害频发和地磁减弱的关系. 世界地质,2011, 30(3): 474~480

12.  杨学祥。火山作用的双重性：短期致冷和长期致热。2010-1-31 06:19。科学网。http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-291543.html

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1275648.html 

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1299470.html

自然循环：火山喷发出的二氧化碳从何而来又到何处去?

已有 4670 次阅读 2019-3-18 18:39 |个人分类:全球变化|系统分类:论文交流| 温室气体浓度, 火山喷发, 碳酸钙, 碳循环, 化学反应

自然循环：火山喷发出的二氧化碳从何而来又到何处去?

                          杨学祥，杨冬红（吉林大学）

碳酸盐的物理性质和化学性质

碳酸钙是白色固体状，无味、无臭。有无定型和结晶型两种形态。结晶型中又可分为斜方晶系和六方晶系，呈柱状或菱形。相对密度2.71。825～896.6℃分解，在约825℃时分解为氧化钙和二氧化碳。熔点1339℃，10.7MPa下熔点为1289℃。难溶于水和醇。与稀酸反应，同时放出二氧化碳，呈放热反应。也溶于氯化铵溶液。几乎不溶于水。

遇稀醋酸、稀盐酸、稀硝酸发生泡沸，并溶解。在101.325千帕下加热到900℃时分解为氧化钙和二氧化碳。

在一大气压下将碳酸钙加热到900℃会分解成生石灰和二氧化碳（工业制取CO₂）：

CaCO₃ ＝ CaO + CO₂   (反应条件是高温煅烧，是可逆反应)    （1）

混有CaCO₃的水通入过量二氧化碳，会生成碳酸氢钙溶液。碳酸钙和碳酸溶液（雨水）反应，生成碳酸氢钙。往变浑浊的石灰水中通入CO₂，沉淀消失。这些现象的原理是：

CaCO₃ + H₂CO₃ ＝ Ca(HCO₃)₂               （2）

或

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ＝ Ca(HCO₃)₂            （3）

火山喷发导致大气温室气体浓度上升

根据现代火山喷溢而出的熔岩得知，硅酸盐是岩浆的主要成分。其中SiO₂的含量在80—30%之间；金属氧化物如Ai₂O₃、Fe₂O₃、FeO、MgO、CaO、Na₂O等占20—60%。其它如重金属、有色金属、稀有金属及放射性元素等，它们的总量不超过5%。此外，岩浆中还含有一些挥发性组分，其中主要是H₂O、CO₂、H₂S、F、Cl等。

在岩浆从上地幔或地壳深处沿着一定的通道上升到地壳形成侵入岩或喷出到地表形成喷出岩的过程中，由于温度、压力等物理化学条件的改变，岩浆的性质、化学成分、矿物成分也随之不断地变化，因此，在自然界中形成的岩浆岩是多种多样、千变万化的，如基性岩、中性岩、酸性岩，还有碱性岩、碳酸盐岩等岩类，也充分说明了岩浆成分的复杂多样性。

火山岩浆的高温导致碳酸盐分解出CO₂，是（1）式的正向反应。所以，伴随火山喷发，大气中温室气体的浓度也会越来越高。

岩浆中大部分成分是硅酸钙。硅酸钙是白色粉末。无味。无毒。溶于强酸。不溶于水、醇及碱，多为针状结晶。在加热至680～700℃时脱出结晶水，结晶外形无变化。由硅酸和生石灰及水按一定比例混合后进行水热反应生成硅酸钙微晶料浆，经过滤，洗涤，干燥制得。

硅酸钙由碳酸钙和二氧化硅在高温下煅烧熔融而成。

生产方法：

1、由氧化钙（有碳酸钙分解而得）和二氧化硅在高温下煅烧熔融而成。

2、将纯石英与碳酸钙按CaO/SiO₂为1∶1（摩尔比）混合，放入铂坩埚中于1500℃以上充分熔融后，将铂坩埚在水中急冷。将制得的偏硅酸钙玻璃体放入铂坩埚中，加热至800～1000℃，即开始结晶而生成β-CaSiO₃。

3、利用α-CaSiO₃的冷却进行制备。在纯固态下α-CaSiO₃向β-CaSiO₃转移是困难的，即使相当慢的冷却，也很难使转化进行。因此，往α-CaSiO₃中加入其重量几分之一左右的偏钒酸钙，促进转化。

这一过程在火山喷发前的岩浆生成时可以发生。

CaO + SiO₂  ＝ CaSiO₃    （高温煅烧）         （4）

（1）式加（4）式的反应结果是，火山岩浆中含有大量的CaSiO₃和CO₂。合成式为：

CaCO₃ + SiO₂  ＝ CaSiO₃ + CO₂                 （5）

酸雨和海洋酸性增大启动温室气体减少的逆反应过程

伴随大气中CO₂浓度的增大，降水带给地面的是酸雨，流入大海的也是碳酸水溶液，增大了海洋的酸性。（1）的逆反应就是将CO₂转变为CaCO₃，形成巨厚的碳酸钙地层，这是温室气体减少，大冰期即将到来的前兆。

特别是，硅酸酸性小于碳酸，火山喷发出的硅酸钙CaSiO₃ 与碳酸反应，生成硅酸和碳酸钙，将CO₂储存在岩石中。大自然自有清除大气中温室气体的方法，是人工方法难以相比的。

CaSiO₃ + CO₂ + H₂O ＝ CaCO₃ + H₂SiO₃                     (6)

由此可见，酸雨和海洋酸化是大气中温室气体浓度减少的前兆，是气候变冷和大冰期到来的前兆，是气候逆转的必经过程。在这一过程中，温室气体不仅贮存在岩石中形成碳酸钙，而且流进海洋，储存大海中。海洋酸化也是必经过程。这是（2）式和（3）式化学反应的结果。

参考文献 

1. 杨冬红，杨学祥。全球变暖减速与郭增建的“海震调温假说”。地球物理学进展。2008，23 (6): 1813～1818。YANG Dong-hong, YANGXue-xiang. The hypothesis of the ocesnic earthquakes adjusting climate slowdownof global warming. Progress in Geophysics. 2008, 23 (6): 1813～1818.

2. 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[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(2):610-615. YANG Dong-hong, YANG Xue-xiang. Studyon the relation between ice sheets melting and low temperature in NorthernHemisphere. Progress in Geophysics. 2014, 29 (1): 610～615.

3. 杨冬红，杨德彬，杨学祥。地震和潮汐对气候波动变化的影响。地球物理学报。2011，54（4）：926-934. Yang D H,Yang D B, Yang X X, The influence of tides and earthquakes in global climatechanges. Chinese Journal of geophysics(in Chinese), 2011, 54(4): 926-934

4. 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 oncause of formation in Earth’s climatic changes. Progress in Geophysics (inChinese), 2013, 28(4): 1666-1677.

5. 杨冬红, 杨学祥, 刘 财. 2004年12月26日印尼地震海啸与全球低温. 地球物理学进展, 2006, 21(3): 1023~1027。Yang D H, Yang X X, Liu C. Global low temperature, earthquake and tsunami (Dec. 26, 2004) in Indonesia. Progress in Geophysics (in Chinese), 2006, 21(3): 1023~1027。

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, 99~104, 196~198

Yang X X, Chen D Y. Geodynamics of the Earth’s differential rotation and revolution (in Chinese). Changchun: Jilin University Press, 1998, 2, 99~104, 196~198

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1168212.html