全球海洋告急-酸性的環境

　　珊瑚礁孕育了非同尋常的生物多樣性，但是它們都遭受多種力量的圍困，包括暴露于有毒化學物質和承受直接物理破壞。更嚴峻的威脅是，化石燃料燃燒導致海洋化學性質發生變化，但這種危險卻鮮為人知。

　　如今，生產過程中所釋放的二氧化碳，其1/3都進入了海洋，降低了自然狀態下呈堿性的pH值。這種向更具酸性的環境的轉變，似乎降低了珊瑚礁(以及許多其他海洋生物)生長發育的能力。

　　撰文 斯科特.C.多尼(Scott C. Doney)

　　1956年，美國加利福尼亞州斯克里普斯海洋研究所的地 球化學家羅杰·雷維爾(Roger Revelle)和漢斯·修斯(Hans Suess)指出，必須測定空氣和海洋中的二氧化碳含量，以便 “更清楚認識到預知的大量工業生產的二氧化碳可能對未來 50年氣候產生的影響。”換句話說，他們想指出如今的形勢 多么可怕。那個時候，他們不得不為這種觀測的重要意義而 辯護，在今天看來多么令人驚訝，但在當時，科學家們還不 能肯定人類排放的二氧化碳是否真正會在大氣中累積起來。 一些科學家認為，二氧化碳將被海洋無害地吸收，或被陸地 上生長的植物恰當地吸收。

　　雷維爾和他為開展該項目而雇傭的年青研究人員、已 故的查爾斯·戴維·基林(Charles David Keeling)，意識到他 們必須在偏遠地點安裝儀器，這些地點遠離二氧化碳來源 地和沉積地，這樣的安排，會引起測定的結果不規律地變化。他們選擇的一個地點，幾乎遠離任何人能夠到達的工 業活動地與植物生長地：南極;另一個地點則位于美國夏 威夷州莫納羅亞山頂上新建的氣象站。

　　莫納羅亞山的監測活動，從1958年一直持續到現在(其 間只有一次短暫的中斷)。夏威夷沒有南極洲那么遙遠，它 見證了二氧化碳水平急劇升降的情況，二氧化碳水平升降與北半球植物生長季節同步;但是在每年末，這種溫室氣體的濃度總是高于它12個月前的水平。因此，沒過多久， 科學界就認識到雷維爾是正確的——二氧化碳進入大氣， 必定有許多留在那里。雷維爾的預測還正確地表明，很大 部分二氧化碳最終會進入海洋，而且雷維爾很久以前就明 白，進入海洋的二氧化碳會徹底改變海水的化學性質。與 氣候變化的某些方面不同，這種效應的真實性——本質上 是海洋酸化(acidification)，這一點并不存在多少爭議，盡管 現在科學家還在繼續揭示海洋酸化的全面影響。

　　人類影響有多嚴重?

　　自工業革命開始以來，海洋已經足足吸收了排放到大氣中的化石燃料碳的一半

　　基林進行了半個世紀的記錄，這極有價值，但是連貫 起來看，這段時間對評價現狀來說，還是太短了。然而， 通過測定陷入冰芯中的空氣泡，科學家們已經能夠獲得更 長時間范圍的信息。根據這種自然檔案，科學家們了解 到，幾千年來，大氣二氧化碳濃度幾乎恒定不變，然后隨 著19世紀工業化開始而飚升起來。目前，二氧化碳比幾百 年前多了30%，而且，到本世紀末，還可能比以前的水平 提高一倍或兩倍。

　　二氧化碳急劇增加，主要來源是燃燒化石燃料(fossilfuel)——煤炭、石油和天然氣(水泥生產和熱帶雨林燃燒也增加了一些二氧化碳，但是為了簡單明了，我們把這部分 二氧化碳忽略不計)。與活體生物的成分不同，化石燃料幾 乎不含或根本不含放射性形式的碳——碳同位素碳14，碳 14的原子核有8個中子，而不是通常的6個中子。化石燃料 中，兩種穩定碳同位素(碳12和碳13)的比例也是獨一無二 的。因此，化石燃料燃燒在大氣中留下了與眾不同的同位 素標記，這樣，就沒有人能夠懷疑二氧化碳增加量從何而 來了。

　　吸收率可能發生變化，化石燃料產生二氧化碳，現 在，其中40%留在大氣中;其余被陸地植被吸收或被海洋 吸收，目前兩者所占比例大體相同。海洋是巨大的自然碳 庫，因而到目前為止，進入海洋的化石燃料二氧化碳增量 還相對較小。因此，檢測和量化二氧化碳吸收情況，要求 特別精確的測量，至少達到千分之一的精度。此外，各個 地區的二氧化碳數量相去甚遠，要完成這項任務，就必須 投入資源，長期不懈地繪制全世界碳濃度圖。在20世紀80 年代后期和20世紀90年代，海洋學家嚴格開展了這方面的 工作，作為二氧化碳全球評價的組成部分，而全球評價則 由JGOFS(全球海洋通量聯合研究計劃)和WOCE(世界海洋環 流實驗)這兩個項目承擔。

　　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，常常可以看到它們靠近海面游動——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。