酸化:全球海洋告急

時間：2010-05-07 來源：《環球科學》雜志 作者：

然而，那些調查本身并沒有確定：在測定的碳中，哪 部分是自然產生的，哪部分是人類排入大氣的。1996年，尼古拉斯·格魯伯(Nicolas Gruber)(目前在美國加利福尼亞 大學洛杉磯分校)和他的兩個同事開發了一種創新技術，以區分二氧化碳的來源。格魯伯把該方法用于分析JGOFS和 WOCE的所有數據，這項工作于2004年完成，結果表明，自工業革命開始以來，海洋足足吸收了排放到大氣中的化 石碳的一半。

證明這個過程的另一種方法，即是重復測量同一海域 的碳含量。人們必須將海洋中的化石碳與各種生物來源碳仔細區分開來，而且觀察時間跨度必須為10年或更久，才 能揭示化石燃料燃燒對自然變化背景產生影響的總體趨勢。去年，在美國海洋與大氣管理局大西洋海洋學與氣象 學實驗室的里克·萬寧霍夫(Rik Wanningkhof)和我率領的一次研究考察中，完成了這樣一項實驗。

我們的科學調查船上有31位科學家、技術員和學生， 我們幾乎花了兩個月時間來抽樣檢驗南大西洋西部的物理與化學性質，調查范圍從海面到海底，從南極附近開始， 到赤道附近結束。1989年，當我還是研究生時，我就和其他科學家一起對這個區域進行過初次測試。

我們比較了2005年的 觀測結果和16年前的結果， 發現如今南大西洋上部幾百米層面的碳濃度總體上比過去要高，這與海洋一直吸收大 氣二氧化碳的觀點相吻合。其他海洋學家發現，太平洋和印度洋也存在類似的傾向。那么，這種變化對海洋環境究 竟預示著什么呢？

海洋化學基礎知識

解釋這些海洋狀況變化的影響，需要回顧一下某些基 礎化學知識。但是請耐心聽我說，這并沒有那么痛苦。二氧化碳與水化合生成碳酸，就是碳酸飲料中的那種弱酸。 像所有酸一樣，碳酸向溶液中釋放氫離子(H+)，在這種情況下，同時產生了碳酸氫根離子(HCO3-1)和更少的碳酸根離 子(CO3-2)，也在周圍游動。少部分碳酸留在溶液中，不發生離解，少量二氧化碳也如此。因而，由此形成的碳化合 物與離子相當復雜。

所有這類溶解和離解的一個簡單結果，就是氫離子濃 度提高了，化學家通常用人們熟悉的pH值(pH scale)來進行量化。pH值下降一個單位，就相當于氫離子濃度提高到原 來的10倍，讓水的酸性更強；而pH值上升一個單位，就相當于氫離子濃度下降為原來的1/10，讓水的堿性更強；中 性pH值(純水的pH值)為7。原始海水pH值為8～8.3，這就意味著，在自然狀態下，海水略帶堿性。

比起工業革命之前來，海洋吸收二氧化碳已經導致現 代地球表面海水的pH值大約下降了0.1(堿性變弱)。除非人類立即大幅度削減對化石燃料需求，不然到2100年，海洋 pH值就將再下降0.3。在對更遙遠的將來所進行的大致預測中，美國華盛頓卡內基研究所的海洋學家肯·卡爾代拉(Ken Caldeira)指出，從現在開始的幾個世紀里，海洋pH值將比過去3億年里的任何時候都要低，這讓人憂心忡忡。

pH值變動看起來似乎很小，但是它們足以引起我們警 覺。值得注意的是，最新實驗表明，pH值變化可能危害某些海洋生物——特別是危害依賴碳酸鹽離子來形成外殼(或 其他硬質結構)的海洋生物，碳酸鹽離子來自碳酸鈣，這令 人憂慮。

乍看起來，這種擔憂似乎自相矛盾。畢竟，如果海洋吸收的某些二氧化碳離解成碳酸鹽離子，人們就可以期望有大量碳酸鹽離子在周圍活動，甚至超過其他方式可以得 到的量。盡管這種邏輯是站不住腳的，因為它忽略了所有已產生的氫離子的影響，氫離子往往與碳酸鹽離子化合， 形成碳酸氫鹽離子，因而最終結果是碳酸鹽離子濃度下 降。

令人擔憂的是，pH值下降(從而導致碳酸鹽離子濃度 下降，根據預測可能在本世紀下降一半)將妨礙某些生物形成碳酸鈣的能力，足以使這些生物難以生長。某些最為 豐富的生物可能會遭受同樣影響，其中包括叫做球石藻類 ( coccolithophorid)的浮游植物( phytoplankton)，它們被一小塊碳酸鈣覆蓋，常�？梢钥吹剿鼈兛拷�海面游動——它們在此利用充裕的陽光進行光合作用。其他重要例子是浮游生物有孔蟲( foraminifera，與阿米巴有關)和翼足目軟體動物 ( pteropod，小型海洋蝸牛)，這些微小的生物是魚類和海洋哺乳動物(包括某些鯨類)的主要食物來源。

生物學家還擔心，珊瑚(coral)會遭受這種影響，它們 表面看起來像植物，但實際是小型動物群，與海葵(sea anemone)有親緣關系。它們過濾水中浮游生物，進行采 食，并分泌碳酸鈣骨架，隨著時間的推移，這些碳酸鈣骨架累積而形成珊瑚礁(coral reef)，珊瑚礁位于海洋中生產 率最高和生物多樣性最強的生態系統之列。珊瑚藻(分泌碳酸鈣并且常常類似珊瑚的藻類)也對大量珊瑚礁的酸化 產生了影響。例如澳大利亞海岸外的大堡礁(Great Barrier R e e f)——世界上最大的生物構造，完全是珊瑚和珊瑚 藻一代一代累積的結果。不容易看到的例子發生在海洋更深之處，那里冷水珊瑚群落點綴著大陸邊緣和海底山 (seamount)，形成重要的魚類棲息地。

淺水珊瑚絢麗多彩，部分原因在于共生藻的作用。共 生藻生活在珊瑚細胞內部，為了應對各種各樣的環境壓力，這些藻類有時候離開自己的寄主，將白色的碳酸鈣骨 架暴露在下面。例如，這種“漂白”事件會因極度暖和而發生。一些科學家猜測，海洋酸化(或者更恰當地說，海洋 堿性狀態的微微下降)往往促使這類事件的發生。 (選自《環球科學》第四期)

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