碳是构成地球上所有生命的基本组成部分的最重要的四价非金属元素。在氢、氦和氧之后,按质量计算,碳是宇宙中第 4 大最普遍的元素,也是地壳中第 15 大最丰富的元素。海洋是一个巨大的碳库,含有 36,000 千兆吨的碳,大约是大气的 60 倍。海洋碳循环也称为海洋碳循环,是指碳在海洋以及大气中不断交换的过程。通过海洋碳循环,海洋在缓解全球变暖方面发挥着重要作用通过吸收多余的二氧化碳排放。然而,随着人为气候变化继续影响海洋环流、生态系统动态和关键的生物地球化学循环,海洋作为重要碳汇的未来命运正变得越来越不确定。
海洋碳循环
由于海洋面积广阔,二氧化碳与大气的交换速度相对较快,因此海洋碳循环在控制数百年或更长时间的大气二氧化碳浓度方面起着至关重要的作用。因此,这个海洋碳循环的自然成分的任何轻微变化都会对地球的气候系统产生重大影响。
海洋碳循环包含无机碳和有机碳,具体取决于组成。无机碳存在于简单的化合物中,例如二氧化碳、碳酸盐、碳酸和碳酸氢盐。有机碳是蛋白质、碳水化合物、核酸和脂类等有机化合物的主要成分。此外,海洋中的无机碳可进一步分为两类:溶解无机碳(DIC)和颗粒无机碳(PIC)。同样,海洋中有两种形式的有机碳:溶解有机碳和颗粒有机碳。
船用碳泵
简单来说,二氧化碳系统的平衡碳容量结合海洋和大气的相对质量有助于确定海洋和大气之间的碳分配。然而,溶解无机碳在海洋中显示出强烈的垂直梯度,靠近表面的浓度较低,而在深处的浓度相对较高。海洋碳泵维持溶解无机碳的这些梯度,因此对于调节海洋和大气之间的碳分配至关重要。
溶解泵
溶解度泵是指碳以溶解无机碳的形式从海洋表面输送到海洋深处的物理化学过程。反过来,这种溶解度泵由两个海洋过程驱动:二氧化碳在水中的溶解度和全球海洋输送带(温盐环流)。需要注意的是,二氧化碳更易溶于冷水;因此,在地表变冷的高纬度地区,这种富含二氧化碳的水沉入深海,成为温盐环流的一部分。在较温暖的赤道纬度地区,当这些深水上涌时,二氧化碳会返回到大气中。
碳酸盐泵
通常被称为“碳酸盐反泵”,碳酸盐泵从海洋表面发现的海洋生物开始,并产生碳酸钙形式的颗粒无机碳。这种碳酸钙导致形成这些海洋生物的硬壳。壳的形成反过来又增加了大气中的二氧化碳。具有重要生态意义的专属海洋球石藻浮游植物群在海洋碳循环中起着至关重要的作用。这些产生碳酸钙壳的生物体是碳酸盐泵的重要贡献者,有助于碳酸钙的向下运输。
生物泵
海洋生物碳泵是海洋碳循环的核心。这种生物介导的过程涉及海洋微生物对大气中二氧化碳的光合作用吸收,从而导致远离陆地和大气的深海中的碳封存。生物泵有不同的阶段:第一个阶段涉及浮游光养生物通过海洋透光区的光合作用产生固定碳。一些浮游生物将钙和溶解的碳酸盐结合形成它们的保护性碳酸钙涂层。
一旦这种碳被固定,海洋微生物要么留在阳光区进行回收,要么如果它们死亡,它们就会沉入海底。然后,这种固定碳会被细菌分解并重新矿化,再次用于初级生产。逃脱这些过程的一些颗粒被隔离在沉积物中并在那里停留数千年。这种隔离的碳最终会降低大气中的二氧化碳浓度。
据估计,生物泵每年将大约 10.2 吉吨的碳转移到海洋深处,平均而言,在 127 年中总共转移了 1300 吉吨的碳。这意味着碳在数千年内不会与大气接触。此外,如果海洋中没有生物泵,大气中的二氧化碳含量将比现在高出约 400 ppm。
海洋碳循环的输入和输出
海洋碳循环有许多输入,但按净值计算,大气和河流做出了主要贡献。河流通过矿物和碳酸盐岩的风化和侵蚀等不同过程将有机碳输送到海洋。工业革命开始前,大气中的二氧化碳浓度约为 280 ppm。在此期间,进出大气的碳流量非常平衡。然而,多年来,由于工业活动,大气中的二氧化碳浓度一直在迅速增加。海洋表面从大气中吸收二氧化碳的交换率差异很大。此外,海洋吸收二氧化碳的能力随着海面温度的升高而降低。
海洋碳系统的主要产出包括颗粒有机物和碳酸钙的保存。在大于 500,000 年的时间尺度上,地球气候因进出岩石圈的碳流量而得到调节。海洋深处的岩石通过板块构造循环回到地表,经历风化或俯冲到地幔中。然后,碳通过火山喷发释放到大气中。
气候变化对海洋碳循环的影响
化石燃料燃烧、森林砍伐、农业实践的迅速扩张和工业活动等人类活动增加了向大气中排放的二氧化碳。海洋作为人为产生的二氧化碳的碳汇。然而,这种过量的二氧化碳降低了地球海洋的 pH 值。海洋酸化还降低碳酸盐饱和度,显着影响依赖碳酸钙建造外壳和骨骼的海洋钙化生物。此外,这些海洋生物的代谢率低下,基本功能的能量减少,免疫反应低下。提供食物、生计和其他生态系统服务的海洋生态系统也受到海洋酸化的严重影响。
从上述讨论可以明显看出,海洋碳循环在控制地球气候方面起着至关重要的作用。循环组成部分的任何微小变化都可能带来灾难性的后果。因此,有必要透彻了解以预测未来气候情景如何影响海洋碳循环。 |