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酸性海洋揭穿最劫难祸患,大气中二氧化碳含量

海洋酸化是关键词:大气中二氧化碳含量的升高会降低海水的pH值 - 对海洋动物造成严重后果。自南太平洋前工业时代以来,这种影响如何发展,现在已经记录了数百年历史的核心结构:石珊瑚。

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阿拉伯联合酋长国穆桑达姆山埋藏着2.5亿年前大灭绝事件中形成的岩石。图片来源:D. ASTRATTI

从起泡瓶中可知 - 溶解的二氧化碳使水呈酸性。同样在全球范围内发生:来自大气的二氧化碳与海洋表层水反应形成碳酸并导致pH值下降。通过这种方式,海洋吸收了大气中40%以上的人造温室气体。但是这个过程是有问题的:海洋酸化会破坏珊瑚,贝壳或一些浮游生物物种等生成石灰的生物的能力,从而建立一个功能齐全的石灰岩骨架。这些关系是众所周知的,但到目前为止还没有可靠的长期测量和历史数据集,这说明了二氧化碳吸收对海洋pH值的影响。

2.5亿年前,地球上的生物经历了一场“酸楚”的苦难。一个由欧洲地质学家组成的科研小组发现了二叠纪和三叠纪之交海水曾出现急剧酸化的最直接证据。科学家预测,在那场灾难中,地球90%的物种灭绝了。

为了提供数据,法德科学家团队咨询了一个非常特殊的档案:来自南太平洋的古老石珊瑚。令人印象深刻的自然形态可以成为几百年的历史。它们每年生长在几毫米到几厘米之间,因此形成生长环

类似于树干。“如何从古老的树木或极地冰盖的冰芯也为我们提供了珊瑚内核看看在他们被带到海洋区域的气候历史,让我们能够预测未来,”合着者亨利·吴从莱布尼茨说:热带海洋研究中心。

正如研究人员解释的那样,关于海水化学的信息积聚在珊瑚的石灰结构中:根据环境条件,海洋生物在其石灰岩骨架中加入了不同量的微量元素。作为研究的一部分,南太平洋Diploastrea属紧凑石珊瑚的研究小组取消了一个核心,可以回顾1689年。在他们的研究中,研究人员对元素硼和氧的某些同位素的含量特别感兴趣。硼是海水的天然成分,其同位素对海洋pH值的变化很敏感。科学家解释说,此外,氧同位素提供了有关水温的信息。

正如他们所报告的那样,分析结果清楚地表明,19世纪后期工业革命的影响标志着pH的显着降低。还展示了着名的厄尔尼诺气候现象的影响,该现象经常导致该海洋地区地表水变暖。在这种异常期间,太平洋的信风和洋流改变了它们的方向,导致了显着的温度变化。研究人员解释说,这些也会影响pH值,因为较温暖的水吸收的二氧化碳比冷水少。“捕捉和绘制这些变化很重要,”吴说。“只有这样我们才能区分出pH值的自然波动与二氧化碳排放量的自然波动。”

目前的结果现在是计划系列的第一个:它是一个为期五年的项目的开始,旨在记录自大西洋,太平洋和印度洋各个地区的工业革命以来pH和温度值以及碳酸盐化学的演变。它是旨在帮助实现“巴黎气候协议”目标的研究计划的子项目。该倡议背后的动机和观点是行动的名称:“让我们的星球再次伟大”。

这次海洋酸化灭绝事件影响了所有活的生物,它尤其给海洋生物带来最沉重打击,例如曾到处可见的三叶虫。近日,刊登于《科学》杂志的一项新研究显示,这场海洋酸化在灭绝灾难中起到重要作用。酸化能通过削弱海洋生物产生含钙贝壳的能力杀死它们,而且,它由过多二氧化碳溶解在海洋里所驱动。这场浩劫也为今天敲响警钟:由于化石燃料燃烧释放的二氧化碳增多,海洋酸化速度比2.5亿年前更快,尽管持续时间没有那么长。

“我们目前破坏地球碳循环的速度远快于有史以来的最严重灭绝灾难期,这不是无关紧要的。”美国宾夕法尼亚州立大学地球化学家Lee Kump说,“即便它仅持续几个世纪而非1万年,变化的速度也很重要。”

与小行星触发的灭绝事件不同(6600万年前导致恐龙灭绝),大部分科学家认为二叠纪末期发生的更大灾难是根植于地球的:西伯利亚大规模火山爆发,将数万亿吨碳释放到大气和海洋中。

研究人员之前就曾发现生物能忍受火山爆发带来的多重压力:全球变暖、海洋酸化、海洋中溶解氧下降以及有毒硫磺的增加。但从中挑选出相对重要和相互依赖的影响则十分困难。

现在,科学家有更好的证据显示,海洋酸化沉重打击了生物。这些证据来源于阿拉伯联合酋长国的含碳酸盐的石灰岩。它们形成于2.5亿年前的泛大陆离岸浅水水域,蕴涵了古老特提斯海的地球化学信号。

一般而言,地球化学家习惯使用某种碳同位素的变化作为信号——大气二氧化碳脉冲进入海洋并触发酸化。但在新研究中,科学家分析了特提斯海岩石的硼同位素,这是一种更微弱的信号,但与海洋酸化更直接对应。由于海水中的化学反应导致同位素硼-11和硼-10的比例随pH值而提高,因此该方法实际有效。而沉积在海床上的岩石能反映这些比例的变化。

研究人员发现,同位素信号的下降与pH值下降0.6~0.7单位相一致——这是海水化学的一个明显变化。“这是此次大灭绝事件中海洋酸化的首个实际直接证据。”该研究负责人、新西兰奥塔哥大学地球化学家Matthew Clarkson说。

碳同位素出现急剧变化5万年后,硼才发生异常。前者一直被认为是海洋酸化和灭绝事件开始的信号。该研究小组表示,碳和硼之间的差距表明,火山爆发导致的碳喷涌造成了两个阶段的灭绝。首先,一个5万年的缓慢碳流进入空气中,然后进入海洋。研究人员假设当时海洋呈弱碱性,从而使得在吸收二氧化碳后,pH值变化很小,对海洋生物的影响也十分微弱。但在第二阶段,即1万年中,二氧化碳急剧增加,压过了海洋反馈机制。

Clarkson表示,该版本解释了古生物学家发现的腹足类和双壳类等海洋动物为何在二叠纪灭绝事件后期仍大规模消失。“化石记录也支持了我们在地球化学研究中得出的结论。”他说。美国哈佛大学古生物学家Andrew Knoll也对此表示同意,他表示,晚期出现的急剧酸化将有助于解释灭绝记录。

二叠纪—三叠纪大灭绝也为今天的地球传达了信息。一方面,那时的海洋酸化速率比现在更慢。该研究预计,在海洋酸化事件中,在1万年间,2.4万吉吨的碳进入大气层,每年的速度为2.4吉吨,其中绝大部分进入海洋。当前,科学家预计,来自各个来源的碳以每年10吉吨的速度进入空气中。

另一方面,即便全部燃烧,今天经济上可行的化石燃料储备包含的约3000吉吨的碳,远不及二叠纪的总和。“我们正以更快的速度向空气中排放碳,但不见得我们能排放同样多的碳。”参与该研究的英国埃塞克特大学地球系统学家Tim Lenton说。但了解二叠纪的情况有多糟糕并没有让Lenton感到舒服。“生物非常聪明,能够应对一定数量的酸化。”他说,“但我怀疑存在适应的极限。一些生物可能存在某个临界点。”

该研究合作者、英国爱丁堡大学地球生物学家Rachel Wood则希望确定海洋酸化不仅仅是一个地区的灾难。下一步,该研究小组将检测位于当今伊朗和阿曼的2.5亿年前形成于特提斯海海床的岩石。“我们需要确立一个全球信号。”她说。

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