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碳循环(Carbon Cycle)与水合甲烷(Methane


2020-07-27


在碳循环中,我们直觉上会想到大气层中的二氧化碳,以及生物圈的光合作用与呼吸作用,而最被人忽略的就是海洋中所含的碳。但可别小看平静的大海,海水的碳总含量是大气层的50倍,高达36兆公顿。是怎样的因素让海水可以储藏这幺多的二氧化碳?其分野在于溶解于海水中的二氧化碳会转成碳酸根(约10%)、碳酸氢根(约90%)的方式存在,形成碳酸的缓冲系统。

溶解:CO2(大气层) ⇌ CO2(aq)

转化成碳酸:CO2(aq) + H2O ⇌ H2CO3

第一个氢离子解离:H2CO3 ⇌H+ + HCO3− (碳酸氢根离子)

第二个氢离子解离:HCO3−⇌H+ + CO3 2− (碳酸根离子)

空气中的二氧化碳可直接溶入海洋,或藉由雨水带入;陆地上的碳沉积物也会伴随河水流入海洋,颱风带来的暴雨更会加快速度。中央研究院环境变迁研究中心与美国俄亥俄州立大学(Ohio State University)合作的研究显示,浊水溪在颱风侵袭的四天内会将50万公顿有机碳化合物沖入台湾海峡,几乎等于平常一年的排放量。(参考文献三)

人类活动生产的二氧化碳仅有三分之一停留在大气层中,剩下的量多半进入了海洋,不过海洋中因为有上述的缓冲系统,所以大气的二氧化碳浓度上升10%,海洋的二氧化碳浓度只会增加1%。但这并不表示海洋可以为我们无节制燃烧石化燃料的行为擦屁股。

我们知道海洋表层的浮游生物多半具有碳酸钙的外骨骼,国小自然实验「吹气进石灰水会产生(碳酸钙)沉澱,但如果吹更多气,沉澱会消失(变成碳酸氢钙)」。二氧化碳影响碳酸钙的溶解度,这样的问题同样在大自然存在。2005年由跨国研究团队针对海水酸化进行模型预测,并将研究成果发表在顶尖期刊「自然(Nature)」上,论文指出目前海水表面的碳酸钙浓度呈饱和状态,不过二氧化碳不断进入海洋会造成酸化现象,降低碳酸根的浓度。预计在2050年开始,南半球的海洋的碳酸根离子浓度便会开始进入不饱和的阶段,形成较不稳定的霰石(aragonite);2100年起碳酸根离子不饱和的区域会扩大到北半球海域。研究人员将带壳浮游生物放在依照预测的2100年的海水调配水溶液中两天,发现外壳有明显的溶解,说明了这种具腐蚀性的海水环境会严重影响珊瑚与浮游生物的生存。(参考文献四)

海底除了碳酸盐沉积以外,还有一种十分有趣的碳化合物,水合甲烷(methane hydrate,见图一)。水合甲烷是一种笼状化合物,在晶格内平均每5.75个水分子包住1个甲烷分子。水合甲烷外观像冰块,在摄氏零度以下稳定,加热会释放出甲烷。天然气的主成分正是甲烷,所以水合甲烷在1990年代曾被看好将取代石油,成为下一世代的主力能源;但是近来研究证据显示,水合甲烷只在某些海域才会丰富存在,再加上探测、开採困难,所以存在密度不值得商业化开採,目前唯有苏俄一座天然气田的天然气来源据信是水合甲烷。

碳循环(Carbon Cycle)与水合甲烷(Methane(图一) 水合甲烷的晶格排列(左上)与水合甲烷燃烧

仅管水合甲烷存量比不上海水中的碳酸盐,但甲烷造成的温室效应是等量二氧化碳的二十倍,从水合甲烷释放甲烷可能会使温室效应加剧,2008年发表的研究显示西伯利亚海域释放出数以百万吨的甲烷,在某些区域的甲烷浓度甚至是正常值的百倍之多,所以水合甲烷对温室效应的影响同样受到科学家的关注。(参考文献五)

参考文献:
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_cycle
2. http://campus2.chgsh.chc.edu.tw/science … 3/0013.htm 徐慧倩译, “海洋和二氧化碳”, 科学月刊, 1988年7月份
3. Steven T. Goldsmith etc. “Extreme storm events, landscape denudation, and carbon sequestration: Typhoon Mindulle, Choshui River, Taiwan” Geology, 2008, 483-486
4. James C. Orr etc. “Anthropogenic ocean acidification over the twenty-first century and its impact on calcifying organisms” Nature, 2005, 681-685
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Methane_clathrate



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