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地球上的碳都到哪去了

时间:2011-11-11来源:网友提供 作者:袁越 点击:

 地球的前半辈子是在二氧化碳的笼罩下度过的。

对比一下距离地球最近的两个小兄弟,金星和火星的大气层现在仍然几乎全是由二氧化碳组成的,可2007年测得的数据显示,地球大气层中的二氧化碳浓度只有0.0384%,也就是384ppm(1ppm等于百万分之一)。地球大气层中的二氧化碳都到哪儿去了?

二氧化碳是著名的温室气体,它能让太阳光顺利通过,却会阻止地表热量的散失。金星的表面温度之所以高达500°C以上,主要原因就是温室效应。火星的大气层虽然也都是二氧化碳,但因为火星太小,大气浓度低,温室效应弱,所以火星表面温度常年维持在0°C以下。

地球和太阳的距离适中,但在地球形成的初期,太阳的辐射强度只有现在的四分之一,为什么那时的地球没有被冻成冰球呢?最新的理论认为,正是由于二氧化碳产生的温室效应,使得地球的温度不至于太冷,水的3种形态都能存在。液态的水(比如降雨)能够溶解空气中的二氧化碳,把它变为碳酸盐,沉积到岩石层中。地球的内部很热,沉积在地壳中的碳经常会随着火山喷发而重新变为二氧化碳释放到大气中,这就形成了一个碳循环。

经过几亿年的时间,这个碳循环逐渐达到了某种平衡。空气中二氧化碳浓度高了,地表温度就升高,海水蒸发速度便会加快,形成更多的雨水,把更多的二氧化碳带到地面,再被火山重新喷到空气中。空气中的二氧化碳浓度降低后,情况就正好相反,大气温度降低,降雨减少,碳沉积速度也跟着降低,但火山活动不受影响,所以大气中的二氧化碳浓度就会重新上升。

金星距离太阳太近,温度太高,水循环进行不下去,也就没法形成碳循环。火星则因为体积太小,内部冷得太快,火山活动不够剧烈,沉积的碳不能重新被释放到大气中,所以碳循环也被中止了。

由此可见,水真是个好东西。一方面水能通过自身的循环,带动碳循环,稳定地表温度。另一方面,液态水的化学结构非常适合作为溶剂,让各种分子在水溶液中进行随机碰撞,生命就是在这种碰撞中诞生的。

生命的诞生促成了另一个碳循环。众所周知,生命的基础是光合作用,就是利用太阳提供的能量,把二氧化碳中的碳元素提取出来,连接成一条长短不一的碳链。这样的碳链被称为“有机碳”,因为它既能作为建筑材料,搭建成生命所需的各种有机分子(碳水化合物、蛋白质和氨基酸等),又能燃烧自己,产生能量供生命使用。有机碳的燃烧过程又可以称之为“氧化反应”,其产物就是二氧化碳和水。

生命是在大约35亿年前出现的。经过十几亿年的积累,碳循环再度达到了一种动态的平衡。通过生物圈进行循环的碳的总量是巨大的,据估计,地球大气层中每年大约有1100亿吨的碳被光合作用转化成有机碳,其中99.99%又通过氧化反应而被重新释放到大气中,只有不到0.01%因为地质变动的原因而留在了地壳里。别看这是一个很小的数字,但经过很多年之后,累积起来就很可观了。科学家估计,留在地壳中的有机碳是生物圈有机碳总量的26000倍!难怪地球大气中的二氧化碳浓度变得如此之低,大部分碳元素都以各种形式留在了地下。

假如这些有机碳都能被人类利用的话,根本就不会有什么能源危机了。可惜的是,绝大部分有机碳都无法被人类利用,只有在某些特殊的条件下,这些有机碳才能变成我们所熟悉的化石能源。

就拿石油来说吧。石油的形成需要4个条件,缺一不可。首先,有机碳必须被密封在一个完全无氧的地方,比如某些特殊情况下的海底淤泥层。其次,有机碳必须被适当的高温蒸煮,好让原本很长的碳链断裂,变成只有5-20个碳的短碳链,这就是所谓的“原油”。这样的温度条件只有地下2200-4500米的地方才有,所以这个地段被称为“油窗”。第三,石油比水轻,只要稍微有个裂缝就会漏出地面,地球上形成的原油有超过90%都是这么被浪费掉的。第四,刚刚形成的原油存在于岩石的孔隙中,必须先被某种带有微孔的岩石过滤并集中,才能变成具有开采价值的油田。

所以说,地下有油的国家实在是太幸运了。

别小看这点化石能源,如果在短时间内被大量开采出来并燃烧掉的话,产生的二氧化碳也是很可观的。目前人类每年因燃烧化石能源而向大气中排放约75亿吨碳,相比之下,因火山爆发而排放出来的碳还不到人类排放量的1%。

南极冰钻的结果证明,地球大气中的二氧化碳浓度在过去的1万年里一直在260-280ppm范围内波动,但自工业化以来这个数字就开始逐年上升,目前已经接近400ppm。如果仅仅计算因燃烧化石能源而产生的二氧化碳排放,这个数字还应该再增加一倍。但是有证据显示,大气中二氧化碳浓度的提高加快了森林的生长速度,促进了土壤对二氧化碳的吸收,这说明大自然正在努力地试图平衡人类带来的影响。

但是,大自然的平衡能力是有限的。面对突然多出来的这些碳,大自然一时也应付不过来了,人类必须自己想办法。

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