海-气二氧化碳综述

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1、海洋-大气二氧化碳交换综述贺赟摘要本文讨论了海洋中的二氧化碳的分布、源汇，对二氧化碳的吸收和海洋封存，大气-海洋间的二氧化碳的交换与变化，介绍了海-气二氧化碳通量观测的一些方法。关键词海洋-大气，二氧化碳（CO2），P（CO2），海洋封存，通量1引言我们知道，太阳向地球发出辐射波，其中能量较高、波长较短的太阳辐射热可以穿透大气，抵达地面；并以较长的波长从地面再反射到空间，这种波长的辐射热能被大气中的CO2和水蒸汽所吸收，因而大气能够捕捉从地面返回到大气中的辐射热，以致造成大气圈温度升高。这种现象通常被称为“温室效应”，这本来是地球维持表面温度以适合生物居住的基本条件[1]。但由于全世界人口不

2、断增加和工业迅速发展，大量燃烧煤、石油、天然气等，人类每年向大气排放的碳约达6.6Gt，同时砍伐森林、野蛮开采、海洋污染、过度捕捞以及养殖业规模不断扩大，也引起温室气体二氧化碳和甲烷逐年增加，导致温室效应加强[2]。近年来人们注意到，我们生活环境周围的空气逐渐地变得不适于人类未来的生存，二氧化碳问题才开始被人们广泛关注，并在近十多年上升为一个政治问题，成为政府、民众关注，以及国际上科学研究的焦点。2海洋中的二氧化碳海洋占全球表面积的71％，海水中存在着大量的CO2、HC03-、C03-2、有机碳化合物以及碳酸盐类物质，作为全球碳循环的一个重要贮库，其作用是举足轻重的。同时，海洋对大气中CO2

3、的吞吐、平衡也起着十分重要的作用。自1958年以来全球化石燃料燃烧等人类活动向大气中排放的大量CO2只有50％左右仍存留在大气中，而另外的50％左右则迁移到了海洋及陆地生物圈。由于陆地生物圈贮库中碳的含量只有海洋贮库中碳含量的5％左右，因此人们普遍认为海洋对大气中CO2的吸收作用更为明显和重要。海洋对大气CO2增加的调节作用主要是海洋CO2的垂直转移过程。在表面混合层中，由于生物的光合作用，CO2不断被转化成有机碳和生物碳酸盐。在混合层以下由于生物泵的作用，碳从表层向深层的转移。总的CO2和营养盐有随海水深度增加而增加的趋势。在CO2的垂直转移过程中．光合产品中的有机物大部分是在上层1km内

4、发生分解，仅一小部分抵达海洋底层，深海沉积物中有机碳含量不到1%。图1碳循环2.1海洋中二氧化碳的源与汇海洋与大气CO2通常并不处于平衡状态，穿越海-气界面的CO2通量大小和方向是由海-气之间的CO2分压差决定的。当海水CO2分压大于大气CO2分压，海洋成为大气CO2的源，反之．海洋为大气CO2的汇。全球大气P(CO2)的水平梯度很小，除了受工业排放影响的局部区域外，其分布变化一般不会超过5%[3]。而开阔大洋表层水P(CO2)的变化范围和梯度很显著，海洋CO2的源和汇主要是由表层水P(CO2)的分布变化引起的，间接地受到海水温度、生物活动和海水运动等因素的影响。所以海水温度对P(CO2)有

5、重要的影响。赤道海域是全球海洋最大的CO2源区，仅赤道太平洋每年向大气输送1.0GtC/a的CO2，占海洋释放的CO2总量的60%[4]。赤道表层水较高的P(CO2)主要由两方面原因造成的，即富含CO2和营养盐的深层水的上涌以及从深层冷水到表层暖水的升温[5]。另外ElNiño现象对赤道太平洋CO2的源区有重要的影响，ElNiño爆发时，赤道西太平洋低P(CO2)的热水向东回流，使赤道太平洋中部高P(CO2)表层水被覆盖，导致海水P(CO2)降低[6]。占地球海洋面积20%的南大洋是CO2最重要的汇区，吸收的CO2约为1.2GtC/a，占海洋吸收CO2净通量的35%[7,8]。南大洋及其与大

6、气之间碳的生物地球化学过程主要有以下两个方面：一方面，亚热带暖水向极地运动过程中，水温快速冷却，导致P(CO2)明显降低；另一方面，由温暖深层水上涌产生的南极表层水，在风的作用下形成向北和向南运动的表层流。向南流动的表层水经降温和析盐过程，在南极附近形成高密冷水流向深层，这些冷水有极强吸收CO2的能力，使南极附近海域成为CO2的汇。向北运动的南极表层水则在南极辐合带与向南流动的低P(CO2)的亚热带暖水汇合，形成低盐低P(CO2)的南极中层水，因此，南极辐合带附近海域同样也是CO2潜在的汇区。40oN以北的北大西洋和挪威-格陵兰海域也CO2的强汇区[9]。与其它高纬度海域不同，北太平洋的CO

7、2源和汇呈明显的季节变化特征，即冬季为强的CO2源，夏季则为弱的CO2汇。北太平洋深层水年龄最老，CO2含量最高。冬季，由于深层水的上涌，北太平洋的CO2源强几乎与赤道太平洋相当；而夏季，由于生物生产力活跃，光合作用对P(CO2)的降低效应超过升温效应，导致表层P(CO2)降低，但从整体上看，北太平洋仍是大气CO2的净汇区。2.2海洋对二氧化碳的吸收海洋对CO2的吸收能力不是简单地由深层水P(CO2)值决定的