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海洋酸化的危机

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by刘惠雅 林吟


IP属地:河南1楼2008-08-03 12:35回复
    石化燃料燃烧后的二氧化碳会溶入海中,改变海水的酸度,造成海中生物相的剧变。

    西元1956年,两位地球科学家Roger Revelle和Hans Suess在加州海洋学会中指出,测量大气与海中的二氧化碳含量可知工业化对环境的影响。这项声明在当时引起热烈的讨论,但许多科学家并不确定由排气管及烟囱所排放的二氧化碳是否会在大气中累积,甚至有些人认为这些二氧化碳会被地球上的植物吸收。

    为了查明事情的真相,Revelle及一些年轻的研究员受雇於这项计画。直到后期Charles David Keeling理解到他们必须在远离尘嚣的地区设置侦测仪器,该研究才大有进展。南极就是一个最佳选择,另外他们也在夏威夷Mauna Loa的山顶气象观测站中设置一个测量点。

    Mauna Loa观测站从1958年到今天仍在侦测中,但因该地区没有南极那麼偏远,故二氧化碳含量有较明显的变动,且其变动与北半球植物生长的季节相符合;此外,他们亦发现每年二氧化碳浓度皆高於前年。科学界很快就意识到排放到大气中的二氧化碳不会完全消失,甚至会溶於海中,改变海水的化学性质,使海洋酸化。

    变调
    现今的学者都转向藉由透视冰核中的气泡来获得长期的资料。从这些自然的纪录中得知,大气中二氧化碳浓度在工业出现后快速升高。现今二氧化碳含量已较几百年前高出了30%,预估在本世纪结束后,含量会是现在的两倍甚至三倍之多,其来源主要是石化燃料的燃烧,如:煤、石油、天然气等。不同於生物体呼吸所产生的二氧化碳,某些石化燃料中含有放射性元素14C(其原子核中带有8个中子,一般为6),而两稳定态的放射性元素12C和13C也占有独特的比例。当这些石化燃料燃烧后会在大气中留下特殊的标记。因此,没人可以质疑这些二氧化碳的来源。

    因各地碳含量不尽相同,为了取得精准的资料,故得在世界各个角落进行侦测。海洋学者分别在1980及1990年代晚期,发表一个针对全球碳含量的确切性评估,称为JGOFS(for Joint Global Ocean Flux Study,联合世界洋流研究)及WOCE(World Ocean Circulation Experiment,世界海洋循环实验)。

    这些资料并未指出哪些碳是来自自然活动,哪些是来自人类活动。故Nicole Gruber和她两位同事於1996年,以创新的技术重新勘测,她们发现海水已吸收自工业革命以来由石化燃料所产生将近一半的二氧化碳含量。

    去年,由Scottc C. Doney、Rik Wannikhof及Meteorological Laboratory(气象实验室)合作率领了一支三十一人的研究队,花了约两个月的时间,研究大西洋西南方海水的物化性质。将他们的观察与十六年前的资料相比,发现南大西洋有好几处二氧化碳含量都比往年来得高,表示海水的确吸收了大气中的二氧化碳,同样的结果也发生在印度洋及太平洋上。那究竟是什麼造成海洋环境的改变呢?

    海洋化学基本知识
    我们了解二氧化碳溶於水,会与水分子结合形成碳酸。碳酸溶於水会释出氢离子和碳酸氢根离子或进一步解离成碳酸根离子,在水中游离。

    化学家是以pH值表示水中氢离子浓度, pH值下降一单位,表示水中氢离子浓度增加10倍,代表酸性增强。我们定义pH值等於7的溶液为中性,pH值大於7为碱性。海水pH值在8~8.3之间,呈微碱性。吸收二氧化碳会造成水表面pH值下降。

    海水酸化的冲击
    当海水表面pH值下降将对海中生物造成伤害,尤其是那些以碳酸钙做为外骨骼的生物,例如球石藻类(coccolithophorids,具碳酸钙盘形构造)及其他浮游生物(如:海蜗牛),它们是海洋鱼群及某些鲸鱼的食物来源,这些生物的死亡将会影响整个海洋生态系的平衡。

    同样的情形也发生在珊瑚礁上。珊瑚礁为珊瑚、石灰藻类(例如珊瑚藻,会分泌碳酸钙骨骼)及一些软体动物(如海葵)形成的群集,具高度的生物多样性。

    浅海地区的珊瑚与色彩鲜艳的藻类共生,当这些藻类受到外来压力时,会离开珊瑚虫,使得珊瑚白色碳酸钙骨骼裸露出来,即所谓的「白化现象」。当珊瑚产生白化现象时,会变得脆弱,不能进行繁殖及制造钙质骨骼。白化现象主要导因於海水暖化,但不排除海洋酸化亦会造成此种现象产生。
    


    IP属地:河南2楼2008-08-03 12:36
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      2025-11-14 22:16:07
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      二氧化碳影响碳酸钙骨骼形成
      海洋酸化会使珊瑚和其他含石灰质海洋生物的碳酸钙骨骼部分崩解。其碳酸钙成分主要以方解石(calcite)、霰石(aragonite)等矿物的形式展现,也有的以镁-方解石混合物存在。就溶解度而言,镁-方解石混合物为最高,其次是霰石,最后是方解石。故含霰石的珊瑚、海产腹足类软体动物(pteropod)以及含镁-方解石混合物的珊瑚藻更会受到海洋酸化的影响。

      当pH值、温度下降或者压力变大,都会使碳酸钙溶解度增强。随著海水加深,压力加大,便足以使碳酸钙溶解,我们称作碳酸钙的「不饱和」;浅海地区则因霰石、方解石不倾向溶解的关系,称之「过饱和」;而在过饱和与不饱和的过渡地带,则称为「饱和水平线(saturation horizon)」,在此界线下,碳酸钙便开始溶解。因此大气中二氧化碳增加,使海洋酸化,会造成饱和水平线上升。

      早期,许多科学家认为海洋酸化只是个小问题,毕竟海水表面因含方解石的关系还保有过饱和的特性。但在1990年代晚期,Christopher Langdon在哥伦比亚大学Biosphere Ⅱ实验室里,建造一个珊瑚礁水槽,发现珊瑚在低pH值时制造碳酸钙的速率会降低,即使水仍保有碳酸钙过饱和的特性;随即Wegener和他的同事表示,相同的阻碍亦发生於球石藻类。由以上实验证明,增加二氧化碳浓度,对海洋生物碳酸钙骨骼的形成有减低效应。

      又低温会增加碳酸钙溶解度,故高纬及深海地区受海洋酸化的影响也较大。根据San Marcos说法,极地海产腹足类软体动物将会完全消失,或者迁移到较低纬度的地方,进而影响海洋生态。同样的,高纬度含石灰质的浮游动植物,以及深海珊瑚群也面临相同的处境,特别是在过度使用石化燃料的大西洋西北地区。

      如何评估?
      虽然海水酸化对一些海洋生物有害,但对於以碳当能量来源的浮游植物或许有益。一般而言,水中碳很少以可溶性二氧化碳形式存在,但溶於水的二氧化碳增多,可能有利於那些植物生长。然而,我们无法得知,与珊瑚礁共生的光合藻类,是否喜欢处在二氧化碳浓度高的环境;加上许多浮游植物也会利用水中富含的碳酸氢盐离子行光合作用,故生物学家并不认为二氧化碳对它们的生长有显著帮助。唯一确定的是,溶於水的二氧化碳的确可促使大型水生植物生长。

      科学家如何评估海洋酸化造成的影响?现阶段他们在实验室中针对单一生物做短期测试,此举虽然有其价值性,但并不适用於真实环境。另一个比较可行的方法是选一处海洋或珊瑚礁,以人工的方式提高二氧化碳含量,并持续观察数月或数年。另外,也可研究长期处在低pH值地区的海洋生物。

      根据地质记录显示,当二氧化碳浓度大於现今的年代(约五亿年前的古新世-始新世时期),其海洋生物几乎灭绝。令许多科学家担忧的是,当前海洋酸化的速率比过去快,将使海中生物无法适应。

      海洋酸化对人类而言似乎无关痛痒,但对海洋环境而言,影响甚大。

      参考资料
      1. Scott C. Doney. 2006. The dangers of ocean acidification. Scientific American. 294: 58-65.
      2. http://www.tpec.org.tw/air-art/data/data.asp?sno=33&chapter_id=G 
      3. http://gis.geo.ncu.edu.tw/gis/globalc/CHAP0806.htm


      IP属地:河南3楼2008-08-03 12:36
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        是的,海洋酸化的危机是生态学家的忧虑之处,但海洋却仍然是气候学家设想作为碳储存的重要目标处所,这当中到底是要怎样取决,有赖科学的持续研究了...


        4楼2008-08-03 19:15
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          呵呵,见过先生贴过的。
          谢谢封精:)


          IP属地:河南5楼2008-08-03 21:13
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