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作者:橡树村
好,到现在,我们已经说清楚了大气中的二氧化碳浓度的确在增长,二氧化碳浓度增长的确会增强二氧化碳所带来的温室效应。那么,这些增加的二氧化碳,和人类 的活动有关吗?是不是大自然自己心血来潮?在大气二氧化碳浓度比较清楚的65万年里面,二氧化碳浓度不也是在一直变化吗?凭什么把现在的变化归结到人类的 活动头上?要解释这个疑问,我们先看看大自然自身的碳循环。
顾名思义,碳循环就是含碳的物质在整个自然界中的循环。下面这张图是一个碳循环的示意图,是2006年的时候对1990年代的碳循环比较完善的研究成果。 黑色的是线条和数字显示的是大自然自身的碳循环,或者说是1750年前后的碳循环状态,红色的是人类所进行的干扰。我们先看黑色的线条,也就是人类工业化 之前大自然的碳循环。图里面使用的数字的单位,是十亿吨碳,而不是二氧化碳的质量。这是为了研究方便,因为在碳循环的过程中,碳的化学形态是在改变的,使 用碳作为衡量单位,比二氧化碳要方便。两者也很方便换算,碳的原子量是12,二氧化碳的分子量是44,这样,一吨碳,就折合3.67吨二氧化碳。另外一个 要指出的,是碳循环的波动是很大的,每年与每年之间有很大的差别,但是长期趋势是平衡的。这个图里面,所列出的也就是平均值。

全球碳循环

这个图说,没有人类干扰的时候,大气中的二氧化碳总量是5970亿吨碳,相当于2.2万亿吨二氧化碳。每年,平均有1200亿吨碳通过光合作用被转化成其 他形式,或者说通过光合作用被固定。光合作用把二氧化碳转变成有机物。植物自身有呼吸作用,把一部分有机物转变成二氧化碳释放进入大气,动物吃了植物,也 会把部分有机物通过自身的呼吸作用转变成二氧化碳释放入大气。一部分植物的有机物进入土壤,土壤里面的有机物,在有氧条件下会缓慢氧化,最终也以二氧化碳 形式是放到大气里面,或者在厌氧条件下,形成甲烷进入大气。植物的自然的火灾也是植物里面固定的碳进入大气的一个方式,不过总的来说,植物的作用基本上是 在从大气中吸收二氧化碳的。加在一起,动植物的呼吸作用,大约把1196亿吨碳返回大气。这就是说,植物每年可以固定碳4亿吨。这些碳,会被植物保存几十 几百年。在工业化之前,植被和土壤里面的碳,总量是2.3万亿吨。

二氧化碳还可以部分溶解在水里面,地球的表面有70%都是海洋,这么大的水体里面,自然要溶解不少量的二氧化碳。二氧化碳在水里面的形态,可以是气态的二 氧化碳,也有碳酸氢根离子和碳酸根离子的形式,这三者受化学平衡的制约,所以考虑的时候,把这三种化学形态的总量作为整体来考虑,这三者在一起,也有一个 专门的名词,叫做可溶性无机碳,缩写是DIC。同样,溶解在海洋表面这些可溶性无机碳,也会因为直接与大气接触,而在一定条件下把溶解的二氧化碳释放出 来。不同温度压力情况下,二氧化碳在水里面的溶解度是不同的,世界各地海平面的气压变化相对不算大,但是温度变化可是不小,而二氧化碳在水里面的溶解度, 随着温度的升高会下降。这就是说,在冬季,高纬度的地区水温寒冷,二氧化碳在水里面的溶解度高,这样,二氧化碳就会被海水吸收;而在低纬度地区的温暖海 面,以及夏季的时候,二氧化碳在水里面的溶解度低,溶解在水里面的一些二氧化碳就会被释放出来。这个现象,结合子午线环流,被称为二氧化碳的溶解泵。总体 来说,海水对于二氧化碳的一呼一吸是基本平衡的。在工业化之前,每年海洋从大气中吸收700亿吨碳,同时释放706亿吨碳。

很显然,新溶解在海水里面的二氧化碳基本上都在海水表层。海水表层大约有总量9000亿吨的碳。在这里的二氧化碳,可以重新进入大气,也可能进入深层的海 水。二氧化碳在浅层海水停留的时间,大约是几年的样子。海水表层还有丰富的浮游生物,总量是30亿吨碳,这些水生植物可以把海水表层的二氧化碳通过光合作 用转变成为有机质,这个过程,被称作二氧化碳的生物泵。这些有机质,可以形成可溶性的有机碳,DOC,或者随着生命体的死亡,沉到深层的海水里面。由于各 种各样的反应的存在,有机碳的寿命总是要短一些的,最终这些有机碳也会变成无机碳,也会有一小部分沉积在大洋底部。每年,这些浮游生物从海水表层吸收的碳 是500亿吨,同时有390亿吨返还给海水表层,进入中层海水的有机碳是110亿吨。

表层海水下面就是中层海水,中层海水下面就是深层海水。中层和深层海水里面,含碳量高达37.1万亿吨碳,是碳循环里面质量比例最大的部分。浅层海水向中 层海水输送无机碳的速率,是每年902亿吨,大约是浅层海水碳总量的十分之一,不过同时中层海水也向浅层海水输送无机碳,速率是每年1010亿吨。不同层 的海水的混合速度很慢,中层海水的混合需要几十年上百年的时间来进行,而深层的海水则需要上千年的时间来完成。最终会有一些碳沉积在海洋底部,速率大约在 每年2亿吨的样子。沉积在海底表面的碳,总量是1500亿吨。这些数字可以看出海洋对于吸收二氧化碳来讲,容量是非常大的,不过要注意,由于不同层的海水 之间进行交换的时间尺度很不同,在考虑海水吸收二氧化碳的效果的时候,需要考虑扩散到各层的时间因素。

生物泵和溶解泵一起构成了海水的碳循环。在全球范围来考虑,影响这个碳循环的因素非常非常多,比如洋流情况,海水表面温度情况,盐度,各个层的分布,当然 还不能忽视冰盖的影响,海水中溶解的营养物质的数量,也会直接影响生物泵的运行情况,不同地区的浮游生物的种类等等,也对这个碳循环的复杂性有所贡献。

已经很热闹了?还有呢。陆地上的碳循环,与海洋的碳循环也不是独立的。河流是在向海洋输送碳的。这里面大多数是无机碳,也有少数的有机碳,又可以溶解在水 里面的,也有一些颗粒形状的。这个量,每年大约是8亿吨碳。这8亿吨碳里面,大约有4亿吨碳来自植物,另外有2亿吨碳左右是河水从大气吸收的二氧化碳,还 有大约2亿吨碳是河水从岩石表面得到的二氧化碳。这个量不同年度是有很大变化的,不过长期平均下来还是有规律的,可以平衡的。除此之外,还有一些规模更小 的行为也在碳循环之内,比如土壤里面的碳的形态的转变,岩石的风化、沉积,这些都是在很长的地质时间里面才会显现出作用来的。

当然不能忘了火山喷发。火山喷发的时候,会有大量原本在地球深处的二氧化碳进入大气。不过这些现象加在一起,从1750年到现在,对于碳循环所作的贡献, 是平均每年不到1亿吨碳。反对大气增加的二氧化碳主要来自人类活动这个观点的一个常见说法是夸大火山喷发所喷出的二氧化碳的总量,不过从所观测到的火山所 喷发的二氧化碳的量,平均下来,并没有这些反对者声称的这么多。

这里可以看出大自然的碳循环总量是非常大的,陆地和海洋的两个碳循环,每年交换的碳总量达到1900亿吨碳,折合二氧化碳总量7000亿吨。而大自然中的碳总量更是惊人,达到了41万亿吨碳,折合二氧化碳150万亿吨。人类的活动真的能对这么大量的碳循环造成影响吗?

人类在制造二氧化碳这个事情是毋庸置疑的。进入工业时代之后,大量化石能源的使用,人们把几千万年前几亿年前地球存储下来的碳都从地底下挖了出来,烧掉, 这些化石燃料的最主要排放形式,就是进入大气。工业时代的人类建造各种建筑、设施所使用的水泥,也需要焚烧大量的石灰岩,也向大气排放二氧化碳。同时,人 类对于森林的破坏也日加严重,这样,人们又把几十几百年来大自然所沉积的二氧化碳也用很快的速度释放了出来。不过,人类究竟每年在排放多少二氧化碳呢?这 个问题上,AR4给出的结论是:

在最近几十年里,CO2排放持续增加。化 石燃料燃烧产生的全球二氧化碳年排放量,从20世纪90年代的平均每年64±4亿吨碳增加到2000至2005年间的每年72±3亿吨碳。与土地利用变化 相关的CO2排放量估算值,在20世纪90年代平均每年可能排放5~27亿吨碳,中值为16亿吨碳。{2.3, 6.4, 7.3, FAQ 7.1}

按照AR4引用的数字,在1980年代,人类使用的化石能源与水泥行业排放的二氧化碳,平均在每年54亿吨碳,折合二氧化碳是198亿吨。到了1990年 代,这个数字就已经上升到平均每年64亿吨碳,折合二氧化碳235亿吨。AR4所估计的2000-2005年间,平均碳排已经达到每年72亿吨碳,折合二 氧化碳264亿吨。

人类行为造成的土地改变,主要是森林减少,所排放的二氧化碳数量,估算的误差仍然非常大。比如1980年代的年平均碳排,从4亿吨碳一直到23亿吨碳都 有,AR4采纳的数值是14亿吨碳,比TAR的时候使用的17亿吨要少。1990年代的平均碳排,AR4采纳的数值是16亿吨碳,变化范围在5亿到27亿 吨之间。这个情况说明土地改变带来的二氧化碳排放的估算仍然是非常不准确的,这应该是在整个碳循环的估算里面,误差最大的一块。

大气究竟增加了多少二氧化碳呢?前面一直在讲浓度的变化,这实际上是体积浓度的变化。质量增加了多少呢?按照AR4里面提供的数据,在1980年代,平均 每年大气中二氧化碳增加了33亿吨碳,在1990年代,平均每年大气中二氧化碳增加32亿吨碳。在2000-2005年,平均每年大气中二氧化碳增加41 亿吨碳。这些数字都是明显小于人类使用化石能源和水泥业所排放的二氧化碳的。如果考虑到人类对土地改变的影响,大气中增加的二氧化碳所占人类行为所排放的 二氧化碳还要更低一点。下面这个图左图最上方的黑线,就显示了如果人类使用化石能源和水泥业所排放的二氧化碳都停留在大气里面,大气的浓度每年应该增加多 少。实际增加的量,是图下方的柱图,中间的黑线是实际增加量的五年平均。

全球二氧化碳浓度的变化

1990年代的碳循环

现在再来看这个碳循环图。红线是人类活动造成的影响。到1990年代,人类使用化石能源一共排放了2440亿吨碳。与工业化之前的1750年比较,大气中 的二氧化碳总量,已经增加了1650亿吨碳,从5970亿吨增加到7620亿吨,增加幅度是28%,是变化幅度最大的。这方面的数字,来自大气中二氧化碳 浓度的变化。海洋呢?浅层海水的碳总量,已经从9000亿吨,增加了180亿吨碳,达到9180亿吨碳,增加了2%,这与大气吸收二氧化碳较慢的速度相符 合。浅层海水中的浮游生物由于与大气中的二氧化碳浓度相关性小,与海水中的二氧化碳浓度关系更大一些,所以目前还没有显著影响,保持基本不变。中深层海水 增加了1000亿吨的碳,增加幅度0.3%,与二氧化碳进入这个层次海水的漫长周期相一致。海底沉积物还没观察到显著的碳的变化。陆地呢?陆地上的碳总量 估计比较复杂,这个图里面列出的,是由于土地改变,造成了1400亿吨碳的流失,同时因为大气中二氧化碳浓度增加,导致陆地吸收碳的能力增加,而造成了 1010亿吨碳的储备增加,两者相减,净值是土地流失了390亿吨碳。这样,人类所增排的这2440亿吨碳里面,有1650亿吨仍然停留在大气中,180 亿吨被浅层海水吸收,1000亿吨被中深层海水吸收,而土地的变化,实际上也减少了390亿吨的碳储存。

动态的结论呢?1990年代平均,每年增加二氧化碳排放64亿吨,其中26亿吨被陆地吸收,同时有16亿吨被陆地释放,造成陆地净收支是吸收每年10亿吨 碳。浅层海水则每年增加吸收二氧化碳222亿吨,多释放200亿吨,同时每年增加了16亿吨的碳进入中深层海水。这个比较可以看出,相对地球自身庞大的碳 循环来讲,每一年,人类对于这个循环的贡献还是微不足道的。但是人类工业化已经进行了250年,特别是最近的半个世纪,人类的碳排增加迅速,日积月累下 来,就已经对大自然的碳循环造成了显著的影响。这方面,AR4给出了结论:

来自化石燃料使用以及土地利用变化对植物 和土壤碳影响所产生的CO2排放是大气CO2增加的主要来源。据估算,自1750年以来,排放到大气中的CO2大约有三分之二来自化石燃料燃烧,三分之一 来自土地利用变化。这些CO2大约有45%留存在大气中,30%被海洋吸收,其余的被陆地生物圈吸收。排放到大气中的CO2,大约一半在30年里被清 除,30%在几百年里被清除,其余的20%通常将在大气中留存数千年。{7.3}

需要注意的是,这个动态的结果只是一个平均数,不同年间大气中二氧化碳的清除的速率本身差异还是很大的。这里面,主要的变化来自陆地对二氧化碳的吸收能力的变化,植物的生长受气候的影响非常大,所以不同的年份,陆地对大气中二氧化碳的吸收能力变化很大。

关于二氧化碳就讲这些,下面讲一下其他的温室气体。

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15 Responses to “IPCC说了什么?(四) 碳循环”

  1. niko说道:

    好详细的数据对比。

  2. highwind说道:

    地球的酸碱平衡。

  3. Norz说道:

    二氧化碳真的能说明很多问题

  4. 大蔥说道:

    这样的报告,不可不顶。
    人类再这样排放下去,后果会怎样?我滴天,我都不敢生小孩了
    金光APP就是个砍伐森林的高手,大家不要用他们的产品啊,熟悉的有清风,唯洁雅,真真这些纸巾品牌。

    • Amsel说道:

      看这种文章的时候,一定要非常confine它的论点论据,地方它过度引申过度推导,仔细检查它的逻辑链条,也检查你自己的逻辑链条。

      这一段的主要结论是,人类活动导致空气CO2浓度增加,这个并无增益。但是,你说到“人类再这样排放下去,后果会怎样?我滴天,我都不敢生小孩了”,就是非常大的逻辑跳跃,从这一节得不到你的结论。

  5. 卓克说道:

    人类就像一座250年来一直猛烈喷发的巨型火山

  6. MILESJ说道:

    >人类活动的范围宽了,能量转化的效率也必须跟着提高,才能维持生命体的活动。
    >能量转化中,有机物占主要(太阳能转化-A类生物能),其次是风能、水电、太阳能(太阳热能光能-B类物理能源),原子能(太阳光及宇宙辐射能-C类)。
    >那么在生命体活动变化不大的情况下,我们可做的就是降低有机物这种能源的支出,比如把能长期生存的植物留下来,哪怕做成木制品或填埋,也不要短时间内烧掉、消耗掉。提高有机物转化效率(缩短固碳的时间,同时又保证有足够的太阳能为我们所用),再者就是更多地使用(B)类能源,或(C)类能源。
    >所以不要期望短时改变现状,这是一项长期工程。控制人类的活动范围,逐渐恢复植被(光有草、食用植物是不行的,这类植物固碳快,消耗也快。要保留大树,只有大树才能更多地占领空间,同时也是消耗速度慢的)。

    • MILESJ说道:

      晕,又被砍了一段(好像是服务器自动砍的),虽然没有什么科学依据,但是我只想表达下以我目前的知识体系思考来的结果,也许以后我的知识体系完善后会逐渐纠正自己的想法,但我还是希望补上,让别人有个抱着批判性思考的空间(以下):
      “.......或(C)类能源。”

      • MILESJ说道:

        神奇了又没了,难道是符号判断,换个试下(再不出来也没办法了)
        .......或(C)类能源----这种方式是消耗地球的寿命,局部高效的利用率可能导致物质分布失衡引起的其他问题,因为原子量的变化来源于光能辐射,当然如果宇宙原子能的转化率足够高,就可以完全忽略这种担心”

      • MILESJ说道:

        果然是“尖括号”不能用,发现前面几个地方少了字,唉,算了

  7. xidianwangyu说道:

    在人类将气候问题研究清楚之前,很多问题还是不能下结论的。

  8. [...] 上一篇:IPCC说了什么(四)碳循环 [...]

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