酸化:全球海洋告急

时间：2010-05-07 来源：《环球科学》杂志 作者：

然而，那些调查本身并没有确定：在测定的碳中，哪 部分是自然产生的，哪部分是人类排入大气的。1996年，尼古拉斯·格鲁伯(Nicolas Gruber)(目前在美国加利福尼亚 大学洛杉矶分校)和他的两个同事开发了一种创新技术，以区分二氧化碳的来源。格鲁伯把该方法用于分析JGOFS和 WOCE的所有数据，这项工作于2004年完成，结果表明，自工业革命开始以来，海洋足足吸收了排放到大气中的化 石碳的一半。

证明这个过程的另一种方法，即是重复测量同一海域 的碳含量。人们必须将海洋中的化石碳与各种生物来源碳仔细区分开来，而且观察时间跨度必须为10年或更久，才 能揭示化石燃料燃烧对自然变化背景产生影响的总体趋势。去年，在美国海洋与大气管理局大西洋海洋学与气象 学实验室的里克·万宁霍夫(Rik Wanningkhof)和我率领的一次研究考察中，完成了这样一项实验。

我们的科学调查船上有31位科学家、技术员和学生， 我们几乎花了两个月时间来抽样检验南大西洋西部的物理与化学性质，调查范围从海面到海底，从南极附近开始， 到赤道附近结束。1989年，当我还是研究生时，我就和其他科学家一起对这个区域进行过初次测试。

我们比较了2005年的 观测结果和16年前的结果， 发现如今南大西洋上部几百米层面的碳浓度总体上比过去要高，这与海洋一直吸收大 气二氧化碳的观点相吻合。其他海洋学家发现，太平洋和印度洋也存在类似的倾向。那么，这种变化对海洋环境究 竟预示着什么呢？

海洋化学基础知识

解释这些海洋状况变化的影响，需要回顾一下某些基 础化学知识。但是请耐心听我说，这并没有那么痛苦。二氧化碳与水化合生成碳酸，就是碳酸饮料中的那种弱酸。 像所有酸一样，碳酸向溶液中释放氢离子(H+)，在这种情况下，同时产生了碳酸氢根离子(HCO3-1)和更少的碳酸根离 子(CO3-2)，也在周围游动。少部分碳酸留在溶液中，不发生离解，少量二氧化碳也如此。因而，由此形成的碳化合 物与离子相当复杂。

所有这类溶解和离解的一个简单结果，就是氢离子浓 度提高了，化学家通常用人们熟悉的pH值(pH scale)来进行量化。pH值下降一个单位，就相当于氢离子浓度提高到原 来的10倍，让水的酸性更强；而pH值上升一个单位，就相当于氢离子浓度下降为原来的1/10，让水的碱性更强；中 性pH值(纯水的pH值)为7。原始海水pH值为8～8.3，这就意味着，在自然状态下，海水略带碱性。

比起工业革命之前来，海洋吸收二氧化碳已经导致现 代地球表面海水的pH值大约下降了0.1(碱性变弱)。除非人类立即大幅度削减对化石燃料需求，不然到2100年，海洋 pH值就将再下降0.3。在对更遥远的将来所进行的大致预测中，美国华盛顿卡内基研究所的海洋学家肯·卡尔代拉(Ken Caldeira)指出，从现在开始的几个世纪里，海洋pH值将比过去3亿年里的任何时候都要低，这让人忧心忡忡。

pH值变动看起来似乎很小，但是它们足以引起我们警 觉。值得注意的是，最新实验表明，pH值变化可能危害某些海洋生物——特别是危害依赖碳酸盐离子来形成外壳(或 其他硬质结构)的海洋生物，碳酸盐离子来自碳酸钙，这令 人忧虑。

乍看起来，这种担忧似乎自相矛盾。毕竟，如果海洋吸收的某些二氧化碳离解成碳酸盐离子，人们就可以期望有大量碳酸盐离子在周围活动，甚至超过其他方式可以得 到的量。尽管这种逻辑是站不住脚的，因为它忽略了所有已产生的氢离子的影响，氢离子往往与碳酸盐离子化合， 形成碳酸氢盐离子，因而最终结果是碳酸盐离子浓度下 降。

令人担忧的是，pH值下降(从而导致碳酸盐离子浓度 下降，根据预测可能在本世纪下降一半)将妨碍某些生物形成碳酸钙的能力，足以使这些生物难以生长。某些最为 丰富的生物可能会遭受同样影响，其中包括叫做球石藻类 ( coccolithophorid)的浮游植物( phytoplankton)，它们被一小块碳酸钙覆盖，常常可以看到它们靠近海面游动——它们在此利用充裕的阳光进行光合作用。其他重要例子是浮游生物有孔虫( foraminifera，与阿米巴有关)和翼足目软体动物 ( pteropod，小型海洋蜗牛)，这些微小的生物是鱼类和海洋哺乳动物(包括某些鲸类)的主要食物来源。

生物学家还担心，珊瑚(coral)会遭受这种影响，它们 表面看起来像植物，但实际是小型动物群，与海葵(sea anemone)有亲缘关系。它们过滤水中浮游生物，进行采 食，并分泌碳酸钙骨架，随着时间的推移，这些碳酸钙骨架累积而形成珊瑚礁(coral reef)，珊瑚礁位于海洋中生产 率最高和生物多样性最强的生态系统之列。珊瑚藻(分泌碳酸钙并且常常类似珊瑚的藻类)也对大量珊瑚礁的酸化 产生了影响。例如澳大利亚海岸外的大堡礁(Great Barrier R e e f)——世界上最大的生物构造，完全是珊瑚和珊瑚 藻一代一代累积的结果。不容易看到的例子发生在海洋更深之处，那里冷水珊瑚群落点缀着大陆边缘和海底山 (seamount)，形成重要的鱼类栖息地。

浅水珊瑚绚丽多彩，部分原因在于共生藻的作用。共 生藻生活在珊瑚细胞内部，为了应对各种各样的环境压力，这些藻类有时候离开自己的寄主，将白色的碳酸钙骨 架暴露在下面。例如，这种“漂白”事件会因极度暖和而发生。一些科学家猜测，海洋酸化(或者更恰当地说，海洋 碱性状态的微微下降)往往促使这类事件的发生。 (选自《环球科学》第四期)

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