2010年2月9日

二氧化碳濃度與海水酸化

作者/陳鎮東(任教中山大學海洋地質及化學研究所)

由於人類經年累月地砍伐森林及燃燒煤炭、石油、天然氣等化石燃料,導致空氣中的二氧化碳濃度逐漸上升。進入大氣層的二氧化碳,目前大約有四分之一會溶於水,進而形成碳酸(H2CO3 ,公式[1]),使得海水逐漸酸化。而海水中的碳酸會分解成氫離子及碳酸氫根(HCO3-,公式[2]),後者還會進一步分解成碳酸根(CO32 -,公式[3])。

海水是個緩衝溶液,公式[2]的平衡常數大概是6左右,而公式[3]的平衡常數大概是9,海水的平均pH值大約是8。因此在海水中,當碳酸的濃度增加時,碳酸大多會與碳酸根結合變成碳酸氫根(公式[4])。當碳酸根濃度降低之後,海水中的碳酸鈣就會溶解,以補償水中減少的碳酸根(公式[5])。不過,海水中能溶解的碳酸鈣含量不高,因此無法補償所有減少的碳酸根。結論就是,這些熱力學公式指出,當水中溶有越多二氧化碳時,水中的碳酸根濃度不增反減!

CO2 + H2O = H2CO3 ............................ [1]

H2CO3 = H++ HCO3- ......................... [2]

HCO3-= H++ CO32 - .......................... [3]

H2CO3 + CO32-= 2HCO3- .................. [4]

CaCO3 = Ca2++ CO32- ........................ [5]

有點與想像不符是不是?曾有人倡議在海底廣種珊瑚,以吸收二氧化碳轉為碳酸鈣,這是完全搞反了。公式[5]告訴我們,珊瑚吸收的是碳酸根,而碳酸根濃度減少後,公式[4]告訴我們,兩個碳酸氫根會轉變成一個碳酸根,同時還會多產生出一個碳酸。而公式[1]顯示,碳酸濃度增加時,會釋放出二氧化碳。因此雖然保育珊瑚礁十分重要(參閱《科學月刊》2009年10月號),不過想要種珊瑚來吸收二氧化碳,結果是適得其反(參閱《科學月刊》2002年11月號)。

工業革命之前,空氣中二氧化碳的濃度( 以體積表示) 大約是百萬分之280(280ppmv),現在已經上升到了385ppmv 。附圖最上方的一條線,顯示的是1958年以來,科學家在美國夏威夷實測的大氣中二氧化碳濃度,略為下凹的弧形,表示二氧化碳濃度逐年上升的速度越來越快。科學家在海水中長期測量二氧化碳(圖一中間那條線,單位為百萬分之一大氣壓)及pH(圖一下方的線)的歷史較短,不過已可明顯看出變化。由於海水吸收二氧化碳需要時間,因此海水中二氧化碳上升的趨勢,較空氣略有滯後的情形。

圖上海水pH下降的幅度似乎很和緩,不過別以為就可以放心了,要知道pH是對數指標,每差一個單位,海水酸性、氫離子濃度(其實是活性,姑且以濃度表示)就差10倍。因此自工業革命以來,海水的酸性已增加了三成。而過去2000萬年來,海水酸性改變最快的時期,變化速率也不及目前速率的百分之一。海洋生物要適應這麼快的改變,恐怕不容易。6500萬年前海中鈣質生物的大滅絕,就很有可能是海水極度迅速酸化所造成的。

令人吃驚的是,空氣中二氧化碳濃度上升的速度,比十年前聯合國跨政府氣候變遷小組(Intergovernmental Panel on Climate Change,2007年因其研究成果推廣抗暖化觀念,得到諾貝爾和平獎)所預估的最壞情境還要糟。與大氣相比,海洋中二氧化碳從研究者所得到的關愛眼神較少。不過由於二氧化碳溶於水後發生的變化,基本上就是由上列五條公式所控制,也就是由熱力學來控制,變數較少,也比較容易預測。【更詳細的內容,請參閱第482期科學月刊】

回本期目錄

沒有留言: