全球变暖的能量来源和控制机制：太阳能转化为化石燃料控制二氧化碳释放

                                                 杨学祥，杨冬红

关键提示

        地球的热能主要来自太阳和地下岩浆，而二氧化碳不是能源，只起到减少地球对外热辐射的作用。事实上，太阳能通过光合作用将二氧化碳贮藏在化石燃料中，是控制大气二氧化碳浓度的主要因素。在光合作用和化石燃料燃烧之间，伴随强烈的二氧化碳被吸收和被释放。

        历史上一次全球变暖过程包括：太阳能转化为化石燃料的长期积累，火山活动点燃化石燃料层，二氧化碳被释放成为显著特征。海洋锅炉效应加热深海冷水释放二氧化碳，释放了海洋碳库；林火点燃了陆地碳库；超级火山点燃了岩石圈碳库；二氧化碳被释放到大气成为必然。

        事实上，即使人类不燃烧化石燃料，最终也会被自然点燃，累积为巨大的生物灭绝。现有气候模型不能解释2023年热异常，太阳能的变化和积累，被科学家简单地忽视。

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^{[14, 42]}。

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3-5）^[43]。

图3 全球巨大火成区

图4  1.5亿年以来海平面变化、全球气温变化、黑色岩、大规模生物灭绝

图5 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 

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℃^[42]。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^[33]。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^[44]。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2）。

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^[42]。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^[45]，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^[46]，与图3-5的变化趋势基本一致。

根据地质和气象等综合数据，表2给出地球自转周期、地质旋回、气候变化和地磁变化的对应规律，与图1和图2的地球自转变化曲线和火山活动变化曲线相对应。特别值得指出的是，地壳相对地核自转减慢对应地磁反向，地壳相对地核自转加快对应地磁正向，这一现象的发现为地球各圈层差异旋转影响地磁反向提供了证据。

理论模型研究和实际测量表明，地球内核自转较快，地壳和地幔自转较慢，形成地球内外圈层的差异旋转，核幔边界不仅是热交换边界，而且是圈层角动量交换的边界。圈层角动量使地壳和地幔自转变快，内核自转变慢，部分动能转化为热能积累在核幔边界。这是地球自转加速对应大规模热幔柱喷发的原因^[11-15]。

表2  地球自转周期、地质旋回和地磁极性倒转^{[1, 2, 16, 21]}

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-803354.html

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-347830.html

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6. 杨冬红， 杨学祥. 直面巨灾威胁：气象-地震-经济超级灾害链周期及其预测方法. . 第三届中国防灾减灾之路学术研讨会:纪念唐山抗震40周年暨平安京津冀学术研讨会论文集。 2016:201-208.

两次生物灭绝事件都来自超级火山喷发

我们的研究表明，超级热幔柱在海底赤道区喷发，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，形成中生代全球无冰温暖气候。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℃。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。表1给出了这种地质旋回与地球自转周期的相关关系，热幔柱强烈喷发导致大量生物灭绝。

15百万年哥伦比亚河溢流玄武岩喷发导致南极地区的“绿化”过程最高峰大致出现在中新世中期，距今大约1640万~1570万年。65百万年德干暗色岩喷发导致恐龙灭绝和全球变暖。

表1  地球自转周期与地质旋回

Table 1  Earth’s rotation periods and geological cycles

巨大火成区来自核幔边界地幔柱的猛烈喷发，核幔边界地幔柱喷发的能量又来自何处？

理论模型研究和实际测量表明，地球内核自转较快，地壳和地幔自转较慢，形成地球内外圈层的差异旋转，核幔边界不仅是热交换边界，而且是圈层角动量交换的边界。最强的太阳辐射加强圈层角动量交换，使地壳和地幔自转变快，内核自转变慢，部分动能转化为热能积累在核幔边界。这是地球自转加速对应大规模地幔柱喷发的原因。

化石种类数据的小波分析显示存在大约62Ma和140Ma两个明显周期。这表明地表周期与地球深部周期的一致性。这些新的结果指出，各种地质过程的一致性可能是与深部地幔的活动变化相关的。银河年280Ma周期在地球大冰期和温暖期转换周期、地球自转长期变化周期、火山喷发长周期、陆海变动周期、造山作用周期、地磁极性变化长周期都有明显的表现。280Ma周期是140Ma周期的倍数周期，是140Ma周期受控于银河年周期的证据，最可能的因素是太阳辐射强度的变化。太阳风和太阳辐射量的变化可以压缩地球磁场，增强或减弱核幔角动量交换，对核幔边界的地幔柱活动有控制作用（图4）。

图1  太阳辐射变化、核幔角动量交换和气候变化的关系

          Fig.1 Relation among solar radiation, core-mantle angular momentum and climate change

巨大火成岩省形成时释放的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岩省有多种作用，温室效应只是其中的一种。使海洋底层水增温，这是巨大火成岩省无可替代的致暖作用。巨大火成岩省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。

讨论和结论

火山喷发出的火山灰能够遮蔽阳光，具有致冷作用；火山喷出的温室气体——CO₂和水汽具有致热作用。特别值得指出的是，海底火山喷发经过海水过滤，不仅能释放出海洋中的温室气体，而且能使大气和海洋同时增温。温室效应只有增温效应，模拟计算表明，二氧化碳不是造成古气候峰值唯一原因。

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。

大陆分散在赤道产生极热气候，大陆集中在两极会形成极冷气候。石炭二叠纪大冰期时大陆集中在南极，第四纪大冰期时大陆向北极附近集中。陆海分布影响全球气候。德雷克海峡通道的打通是在始新世和渐新世完成的，是气候变冷的主要原因。忽略陆海分布、构造运动、地核能量积累、海底火山活动和洋壳产量对海温变化的影响，简单地以大气温室气体浓度来判定全球气温变化将产生巨大的误差。

温室效应仅仅是导致全球变暖的一种因素，海洋底层温度变化是大气温度变化的可靠前兆。研究表明，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，如果海洋底层水温度没有提高到一亿年前的水平，全球就不会重现中生代白垩纪的高温期，强潮汐和强震会不断用海底冷水来冷却大气，使气候变冷。海洋底层温度变化是全球气候变化的晴雨表，地球内部能量释放、海水温度和全球气候的相关性，使我们有可能通过海底温度的变化预测全球气候长期变化。

第四纪大冰期并未结束，变冷仍是主要趋势。目前，大陆分布条件，海底温度条件，南极冰盖条件，离中生代温暖期相去甚远，仅仅凭人工排放的温室气体，很难使中生代短期回归。

关键的问题是：海洋底层水温度能否恢复到中生代的水平，它才是全球气候变化的风向标和晴雨表。

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相关文献

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相关报道

5亿年前的全球变暖比现在还严重，难道早期生物比人类更具破坏力

有趣探索2018-07-03 00:59

我们知道全球正在变暖，事实上5亿年前地球同样遭受过一次全球变暖的灾难。来自英国《自然杂志》一项最新研究报告称地球人类并不是第一个让地球变暖的动物。5亿年前变暖现象甚至比现在还要严重。难道说古代地球存在着比人类更具破坏力的高级动物吗？

来自埃克塞特大学，利兹大学和安特卫普大学的共同研究小组对5.2亿至5.4亿年前的岩石样本进行了研究，一开始谁也没有意识到5亿年前地球变暖的罪魁祸首竟是一种动物，后来经过多次研究和分析才突然意识到是这种早期动物所造成的。看来更具破坏力的并非是什么高级动物。这种早期生物在海中进化并通过分解海底有机物而释放二氧化碳，在随后的1亿年时间内随着海洋氧含量下降和二氧化碳上升造成的全球变暖让地球环境变得异常恶劣。

这到底是一种什么样的早期生物呢?会不会是一种智慧跟人类接近的动物？来自埃克塞特大学的教授Tim Lenton告诉我们，这是一种复杂的生命存在形式。它们就像草地上蠕虫一样能呼吸着空气，将氧气转化为二氧化碳。并且它们经常运动在多种有机物质中间，并对有机物进行搅动、混合和破坏，这种破坏和混合多种有机物质的行为被称为生物扰动。

为了进一步寻找5亿年前全球变暖的真正原因，研究团队决定用另一种方式来了解决这个问题。他们使用计算机设计了一个数学模型，而且还添加了5亿年前地球应该具备的相关因素。该模型计算结果显示这种像蠕虫样的生命形式能对地球产生了重大影响。因为这种小动物的进化过程的确能减少海洋和大气中的氧气，同时也增加大气中二氧化碳水平，导致全球变暖。

今天全球变暖将是地球生命出现后的第二次环境变暖。变暖后地球将会对地球环境造成什么样的影响呢？这正是科学家位需要寻求的答案。所以研究人员将会继续对5亿年前的全球变暖事件进一步探索。

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全面解读碳循环

崔锦华

已有 20455 次阅读 2018-8-17 11:54 |系统分类:科研笔记

（根据参考文献重新整理改编）

1、全球碳库

碳是生命物质中的主要元素之一，是有机质的重要组成部分。概括起来，地球上主要有四大碳库，即大气碳库，海洋碳库、陆地生态系统碳库和岩石圈碳库。碳元素在大气、陆地和海洋等各大碳库之间不断地循环变化。大气中的碳主要以二氧化碳和甲烷等气体形式存在，在水中主要为碳酸根离子和碳酸氢根离子，在岩石圈中是碳酸盐岩石和沉积物的主要成分，在陆地生态系统中则以各种有机物或无机物的形式存在于植被和土壤中。

（1）大气碳库

在大气中，二氧化碳是含碳的主要气体，也是碳参与物质循环的主要形式。

大气碳库的大小约为720 Gt碳左右，在几大碳库中是最小的，但它却足以作为联系海洋与陆地生态系统碳库的纽带和桥梁，大气中的碳含量多少直接影响整个地球系统的物质循环和能量流动。大气中含碳气体主要有二氧化碳、甲烷和一氧化碳等，通过测定这些气体在大气中的含量即推算出大气碳库的大小，因此，相对于海洋和陆地生态系统来说，大气中的碳量是最容易计算的，而且也是最准确的。由于在这些气体中二氧化碳含量最大，也最为重要，因此大气中的二氧化碳浓度往往可以看作大气中碳含量的一个重要指标。

（2）海洋碳库

海洋具有贮存和吸收大气中二氧化碳的能力，可溶性无机碳含量约为37400 Gt，是大气中含碳量的50多倍，在全球碳循环中的作用十分重要。从千年尺度上看，海洋决定着大气中的二氧化碳浓度。大气中的二氧化碳不断与海洋表层进行交换，从而使得大气与海洋表层之间迅速达到平衡。正常的人类话动导致的碳排放中约30～50%将被海洋吸收，但海洋缓冲大气中二氧化碳浓度变化的能力不是无限的，这种能力的大小取决于岩石侵蚀所能形成的阳离子数量。由于人类活动导致的碳排放且溶于海洋形成碳酸根和碳酸氢根离子的速率比海洋形成阳离子的速率大几个数量级，二氧化碳在水中的溶解度也是有限的，故海洋吸收二氧化碳的能力是有限的。因此，在千年尺度上，随着大气中二氧化碳浓度的不断上升，海洋吸收二氧化碳的量将不可避免地会逐渐降低。

（3） 陆地生态系统碳库

据估算，陆地生态系统蓄积的碳量约为2000 Gt左右。其中土壤有机碳库蓄积的碳量约是植被碳库的2倍左右， 从全球不同植被类型的碳蓄积情况来看，陆地生态系统碳蓄积主要发生在森林地区，森林生态系统在地圈、生物圈的生物地球化学过程中起着重要的“缓冲器”和“阀”的功能，约40%的地下碳蓄积发生在森林生态系统，余下的部分主要贮存在耕地、湿地、冻土、高山草原及沙漠半沙漠中；从不同气候带来看，碳蓄积主要发生在热带地区，全球50%以上的植被碳和近1/4的土壤有机碳贮存在热带森林和热带草原生态系统，另外约15%的植被碳和近18%的土壤有机碳贮存在温带森林和草地，剩余部分的陆地碳蓄积则主要发生在北部森林、冻原、湿地、耕地及沙漠和半沙漠地区。另外，植被碳库和士壤有机碳库中还包含不同的子碳库，其周转时间或长或短，这就形成了所渭的“暂时碳汇”。例如，二氧化碳浓度升高使树木生长加快从而形成碳汇，这些树木一般要存活几十年到上百年，然后腐烂分解所形成的二氧化碳返回到大气中。因此，自然生态系统的碳蓄积和碳释放在较长时间尺度上是基本平衡的，除非陆地生态系统碳库的强度加大，否则任一碳汇都会被碳源所平衡。

在生物库中，森林是碳的主要吸收者，它所固定的碳相当于其他植被类型的2倍。

森林又是生物库中碳的主要贮存者，贮存量大约为4.82×10¹¹ t，相当于大气含碳量的2/3。原本，植物以及可光合作用的微生物通过光合作用从大气中吸收碳的速率与通过生物的呼吸作用将碳释放到大气中的速率大体相等。因此，大气中二氧化碳的含量在受到人类活动干扰以前是相当稳定的。古代历史上，植物等造成的碳固化要多于动物正常生态活动系统造成的碳气化。但是，近现代石油、煤炭等化石燃料能源的利用以及水泥生产等工业排放以及大自然火灾是碳气化过剩的根源。人类消耗大量矿物燃料对碳循环发生重大影响。

（4）岩石圈碳库

在全球几大碳库中，岩石圈碳库是最大的。但碳在其中的周转时间极长，约在百万年以上，在岩石圈中，碳酸盐岩石和沉积物是主要成份。

地球上最大的碳库是岩石圈，含碳量约占地球上碳总量的99.9%。这个碳库中的碳活动缓慢，实际上起着贮存库的作用。地球上的其他三个碳库（大气碳库，海洋碳库、陆地生态系统碳库）中的碳在生物和无机环境之间迅速交换，容量小但活跃，实际上起着交换库的作用。

碳在岩石圈中主要以碳酸盐的形式存在，总量为2.7×10¹⁶ t；在大气圈中以二氧化碳和一氧化碳的形式存在，总量为2×10¹² t；在水圈中以多种形式存在于生物库中的有几百种被生物合成的有机物。这些物质的存在形式受到各种因素的调节。

2、生物与大气之间的碳循环

绿色植物从空气中获得二氧化碳，经过光合作用转化为葡萄糖、果糖等单糖，再合成为植物体内的蔗糖、麦芽糖等双糖以及纤维素、淀粉等多糖，经过食物链的传递，成为动物体所含的含碳有机物，即为此间碳循环中碳的固化。植物和动物的呼吸则再次释放二氧化碳，即为此间碳循环中碳的气化。动物的呼吸作用把摄入体内的一部分碳转化为二氧化碳释放入大气，另一部分则构成生物的机体或在机体内贮存。动、植物死后，残体中的碳通过微生物的分解作用也成为二氧化碳而最终排入大气。大气中的二氧化碳这样循环一次约需20年。另外，一部分（约千分之一）动、植物残体在被分解之前即被沉积物所掩埋而成为有机沉积物。这些沉积物经过悠长的年代，在热能和压力作用下转变成矿物燃料──煤、石油和天然气等。当它们在风化过程中或作为燃料燃烧时，其中的碳又会氧化成为二氧化碳排入大气。

3、大气与海洋之间的碳循环

二氧化碳可从大气进入海水，也可从海水进入大气。这种交换发生在气和水的界面处，由于风和波浪的作用而加速。这两个方向流动的二氧化碳量大致相等，在一定程度范围内，大气中二氧化碳量增多或减少，海洋吸收的二氧化碳量也随之增多或减少。但是，如果大气中的二氧化碳含量超过其在海水中的溶解度时，就会有剩余二氧化碳存在于大气中。也就是说，海水溶解二氧化碳的能力是以其溶解度为限的，不是无限的。

4、碳酸盐的形成和分解

大气中的二氧化碳溶解在雨水和地下水中成为碳酸，碳酸能把石灰岩变为可溶态的碳酸氢盐，并被河流输送到海洋中，海水中接纳的碳酸氢盐含量是会饱和的。新输入多少碳酸氢盐，便有等量的碳酸盐通过不同的成岩过程，形成石灰岩、白云石和碳质页岩。在化学和物理作用（风化）下，这些岩石又被破坏，所含的碳又以二氧化碳的形式进入大气中。火山爆发也可使一部分有机碳和碳酸盐中的碳再次气化加入碳循环。碳质岩石的破坏，在少量时，或短时期内对循环的影响虽不大，但在大量时，或对几百万年中碳量的平衡却是重要的。

5、人类活动中的碳循环

人类燃烧矿物燃料以获得能量时，产生大量的二氧化碳。从1949年到1969年，由于燃烧矿物燃料以及其他工业活动，二氧化碳的生成量估计每年增加4.8%。其结果是大气中二氧化碳浓度升高。这样就破坏了自然界原有的碳循环平衡，可能导致气候异常。矿物燃料燃烧生成并排入大气的二氧化碳有一小部分可被海水溶解，但海水中溶解态二氧化碳的增加又会引起海水中酸碱平衡和碳酸盐溶解平衡的变化。

矿物燃料的不完全燃烧会产生少量的一氧化碳。自然过程也会产生一氧化碳。一氧化碳在大气中存留时间很短，主要是被土壤中的微生物吸收，也可通过一系列化学或光化学反应转化为二氧化碳。

6、森林生态系统的作用

森林生态系统在碳循环中的作用是从人类认识到温室气体尤其是二氧化碳浓度的升高会使全球气温变暖，从而带来一系列严重生态环境问题时，就展开的对碳素循环的研究。而森林生态系统作为吸收二氧化碳释放氧气的一个大碳汇，在碳循环中起着非常重要的作用。全球森林面积为41.61亿公顷，其中热带、温带、寒带分别占32.9%、24.9%和42.1%。全球陆地生态系统地上部分的含碳量为562Gt，其中森林生态系统地上部分的含碳量为483Gt，占86%。全球陆地生态系统地下部分含碳量为1 272Gt，而森林地下部分含碳量约927Gt，占整个世界土壤含碳量的73%。

森林生态系统在碳循环中的作用主要取决于以下几个方面：

（1）生物量

森林生态系统的生物量贮存着大量的碳素，如按植物生物量的含碳量为45%～50%计，那么整个森林生态系统的生物量将近一半是碳素含量。森林的生物量与其成长阶段的关系最为密切，一般森林据其年龄可分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林/过熟林，其中碳的累积速度在中龄林生态系统中最大，而成熟林/过熟林由于其生物量基本停止增长，其碳素的吸收与释放基本平衡。从森林的年龄结构来估算吸收碳素的潜力是决定森林生态系统碳汇功能的一个主要方面。我国森林的结构以幼龄林、中龄林居多，因此我国森林生态系统中植物固定大气碳的潜力很大。

（2）林产品

森林生态系统林产品的固碳量是个变化很大的因子。一般林产品根据其使用寿命可分为短期产品和长期产品。像燃料用木、纸浆用木等属于短期产品，而胶合板、建筑用木则属于长期产品。林产品使用寿命的长短在很大程度上也决定着森林生态系统的碳汇功能。使用寿命长的林产品可以延缓碳素释放，缓解全球大气碳浓度的增加，一般来说，耐用林产品的使用寿命可达100～200年，在这么长时间里，通过再造林完全可以实现碳素的良性循环。因此，应尽量加工耐用、使用寿命长的林产品。

（3）植物枯枝落叶和根系碎屑

这一部分含碳量在整个森林生态系统中占的比例虽少，但也是一个不容忽略的碳库，减缓它的沉淀和分解对于森林生态系统的固碳量也起到一定的作用。

（4）森林土壤

这是森林生态系统中最大的碳库。不同的森林其土壤含碳量有很大的差别，在北部森林中森林土壤占有84%总碳量；温带森林土壤中的碳占到其总碳量的62.9%；在热带森林中，土壤中的含碳量占整个热带森林生态系统碳贮量的一半。全球森林土壤的含碳量为660～927Gt，是森林生态系统地上部分的2～3倍。国内外很多学者都认识到森林土壤碳库的重要作用，纷纷对其展开研究。研究土壤碳库及其碳循环和全球变化已成为土壤学的一个新的发展方向。

参考文献链接：

https://baike.baidu.com/item/%E7%A2%B3%E5%BE%AA%E7%8E%AF/854978?fr=aladdin

https://blog.sciencenet.cn/blog-3389947-1129686.html