全球海洋告急-酸性的环境

　　珊瑚礁孕育了非同寻常的生物多样性，但是它们都遭受多种力量的围困，包括暴露于有毒化学物质和承受直接物理破坏。更严峻的威胁是，化石燃料燃烧导致海洋化学性质发生变化，但这种危险却鲜为人知。
　　
　　如今，生产过程中所释放的二氧化碳，其1/3都进入了海洋，降低了自然状态下呈碱性的pH值。这种向更具酸性的环境的转变，似乎降低了珊瑚礁（以及许多其他海洋生物）生长发育的能力。
　　
　　撰文 斯科特.C.多尼（Scott C. Doney）
　　
　　1956年，美国加利福尼亚州斯克里普斯海洋研究所的地球化学家罗杰·雷维尔(Roger Revelle)和汉斯·修斯(Hans Suess)指出，必须测定空气和海洋中的二氧化碳含量，以便 “更清楚认识到预知的大量工业生产的二氧化碳可能对未来 50年气候产生的影响。”换句话说，他们想指出如今的形势 多么可怕。那个时候，他们不得不为这种观测的重要意义而 辩护，在今天看来多么令人惊讶，但在当时，科学家们还不能肯定人类排放的二氧化碳是否真正会在大气中累积起来。 一些科学家认为，二氧化碳将被海洋无害地吸收，或被陆地 上生长的植物恰当地吸收。
　　
　　雷维尔和他为开展该项目而雇佣的年青研究人员、已 故的查尔斯·戴维·基林(Charles David Keeling)，意识到他 们必须在偏远地点安装仪器，这些地点远离二氧化碳来源 地和沉积地，这样的安排，会引起测定的结果不规律地变化。他们选择的一个地点，几乎远离任何人能够到达的工业活动地与植物生长地：南极；另一个地点则位于美国夏 威夷州莫纳罗亚山顶上新建的气象站。
　　
　　莫纳罗亚山的监测活动，从1958年一直持续到现在(其 间只有一次短暂的中断)。夏威夷没有南极洲那么遥远，它 见证了二氧化碳水平急剧升降的情况，二氧化碳水平升降与北半球植物生长季节同步；但是在每年末，这种温室气体的浓度总是高于它12个月前的水平。因此，没过多久， 科学界就认识到雷维尔是正确的——二氧化碳进入大气，必定有许多留在那里。雷维尔的预测还正确地表明，很大 部分二氧化碳最终会进入海洋，而且雷维尔很久以前就明 白，进入海洋的二氧化碳会彻底改变海水的化学性质。与 气候变化的某些方面不同，这种效应的真实性——本质上 是海洋酸化(acidification)，这一点并不存在多少争议，尽管现在科学家还在继续揭示海洋酸化的全面影响。
　　
　　人类影响有多严重？
　　
　　自工业革命开始以来，海洋已经足足吸收了排放到大气中的化石燃料碳的一半
　　
　　基林进行了半个世纪的记录，这极有价值，但是连贯 起来看，这段时间对评价现状来说，还是太短了。然而，通过测定陷入冰芯中的空气泡，科学家们已经能够获得更 长时间范围的信息。根据这种自然档案，科学家们了解 到，几千年来，大气二氧化碳浓度几乎恒定不变，然后随 着19世纪工业化开始而飚升起来。目前，二氧化碳比几百 年前多了30%，而且，到本世纪末，还可能比以前的水平提高一倍或两倍。
　　
　　二氧化碳急剧增加，主要来源是燃烧化石燃料(fossilfuel)——煤炭、石油和天然气(水泥生产和热带雨林燃烧也增加了一些二氧化碳，但是为了简单明了，我们把这部分 二氧化碳忽略不计)。与活体生物的成分不同，化石燃料几 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个中子，而不是通常的6个中子。化石燃料 中，两种稳定碳同位素(碳12和碳13)的比例也是独一无二 的。因此，化石燃料燃烧在大气中留下了与众不同的同位素标记，这样，就没有人能够怀疑二氧化碳增加量从何而 来了。
　　
　　吸收率可能发生变化，化石燃料产生二氧化碳，现 在，其中40%留在大气中；其余被陆地植被吸收或被海洋 吸收，目前两者所占比例大体相同。海洋是巨大的自然碳 库，因而到目前为止，进入海洋的化石燃料二氧化碳增量还相对较小。因此，检测和量化二氧化碳吸收情况，要求 特别精确的测量，至少达到千分之一的精度。此外，各个 地区的二氧化碳数量相去甚远，要完成这项任务，就必须 投入资源，长期不懈地绘制全世界碳浓度图。在20世纪80 年代后期和20世纪90年代，海洋学家严格开展了这方面的 工作，作为二氧化碳全球评价的组成部分，而全球评价则 由JGOFS(全球海洋通量联合研究计划)和WOCE(世界海洋环流实验)这两个项目承担。
　　
　　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。