大自然的温室气体“海底压缩贮存效应”和“海面减压释放效应”

                              杨学祥，杨冬红

2015年1月19日我们发表了《温室气体伴同冷水的深海循环：冰期时代的温室气体去向》博文。

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本文的重要性是给出了大气和海洋之间温室气体的自然循环：海底的巨大压力将温室气体压缩贮存，例如将甲烷变为“可燃冰”。人为温室气体的密闭封存不过是在简单地模仿自然过程。

可燃冰，即天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate），是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”（Combustible ice）或者“固体瓦斯”和“气冰”。其实是一个固态块状物。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。

可燃冰的学名为“天然气水合物”，是天然气在0℃和30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。“冰块”里甲烷占80% 99.9%，可直接点燃，燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多。西方学者称其为“21世纪能源”或“未来能源”。 1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。科学家估计，海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10%，海底可燃冰的储量够人类使用1000年。随着研究和勘测调查的深入，世界海洋中发现的可燃冰逐渐增加，1993年海底发现57处，2001年增加到88处。据探查估算，美国东南海岸外的布莱克海岭，可燃冰资源量多达180亿吨，可满足美国105年的天然气消耗；日本海及其周围可燃冰资源可供日本使用100年以上。 

探测资料显示，“可燃冰”为地球上所有已知天然气、原油和煤的碳量的二倍，从中逃逸出的气体形成的温室效应远大于人类活动。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。

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^[36]。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^[12,17]。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。

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，见图1）。我们称这个过程为海洋锅炉效应^{[6,7,12,17,20]}。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^[37,38]。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^[6,12,20,38]。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^[2]。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。

图1 海底藏冷效应和海洋锅炉效应

我们是在2000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。

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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