碳平衡系统对地球的作用1

地球科学原理之27碳平衡系统对地球的作用广东海洋大学廖永岩(电子信箱：rock6783@126.com上一回我们讨论了地球去气作用 通过增强温室效应，解决了地球继续降温的问题。但同时，它又带来了另一个地表会因CO等温室气体过多而增温的问题。现在，我们讨论碳系统的平衡，如何解决这个CO等温室气体过多而引起地球增温的问题。 21碳系统的平衡原理假设地球的pH值在pHCO2vpHvpHCO32-(pHCO2为水体中所有的HCO3-被H+中和时的pH值；pHCO32-为水体中所有的HCO3-被OH-中和时的pH值)范围内，则水体的pH在CO系统的缓冲范围内，碳将在地球的大气圈、水圈、生物圈和岩石圈之间，不断地流动。最终，植物的光合作用合成的有机物、大气中的CO、水体(主要是海洋)里的CO、HCO-、CO2-，和沉积岩里碳酸盐能建立2 2 3 3如图1所示的平衡(郭锦宝，1997)。火山、地震〔去气作用〕口掇件用 * 溶解 血j{CH”。}+0-爭 *CO-(g)吗 巳CO；aq$总 HiCOg光合件用离解 离解 财+* ・H++HCO； » 2H*+CO/-斗 叱aCCUMgCOE■)图1,CO系统的化学平衡示意图2因为碳酸为二元羧酸，分两级电离，则有(郭锦宝，1997):TOC\o"1-5"\h\zK=aH+XaHCO-(T)/aHco(T) (1)3 2 3K=aH+XaCO2-(T)/aHco-(T) (2)3 3式中K、K为热力学常数。若采用表观电离常数K/则可表示为：2K/=aH+XCHCO-(T)/CHco(T) (3)3 / 、 2 3/、K/=aH+XCCO2-(T)/CHco-(T) (4)3 3将(3)、(4)两式取对数得：pH=pK/+logCHco-(T)/CHco(T) (5)3 / 、 2 3/、pH=pK/+logCco2-(T)/CHco-(T) (6)3 3比值有关(郭锦宝，1997)。pH值与Cco(T)/Cco2-(T)比值的关系，还可以表示为：3pH=1/2(pK+pK-logCco(T)/Cco2-(T)) (7)2 2 3以上的公式，可以解释如下：水体的pH值不影响水体里CO、HCO-和CO2-2 3 3三者的总量变化；但当总量一定时，它影响三者的浓度比值。当以上的公式，可以解释如下：水体的pH值不影响水体里CO、HCO-和CO2-2 3 3三者的总量变化；但当总量一定时，它影响三者的浓度比值。当pHCO2vpHvpHHCO3-时(pHHCO2-为水体中所有的CO32-被H+中和时的pH值)(王凯雄，2001），水体里几乎没有CO2-,pH值主要由（5）式控制：pH值越低，CO的浓度比值越大，HCO-的浓度比值越小；pH值越高，CO的浓度比值越小，HCO-的TOC\o"1-5"\h\z2 3浓度比值越大。当pHHCO3-vpHvpHCO32-时（pHHCO3-为水体中所有的H2CO3被0H-中和时的pH值），水体里几乎没有CO，pH值主要由（6）式控制：pH值越低，HCO-的浓度比值越大，CO2-的浓度比值越小；pH值越高，HCO-的浓度3 3比值越小，CO2-的浓度比值越大。假设没有酸3和碱性物质溶入的海洋，pH=7,呈中性。在图1所示的平衡系统中，由于强烈的火山喷发和地震，造成地球强烈的集中排气。大量的巴排至大气中。 2由于大气CO?增加，大气的CO分压相对海洋增加。在这个分压的作用下，大气中的巴将溶于海洋中。海洋中的巴浓度增加，如图1所示的巴和HCO-之间平衡将打破，CO和水结合，电离成HCO-和H+。这样，海洋里的HCO｛浓度将3 3增加；大量的H+补充到海洋里，海洋的pH值将下降。若海洋里有大量的hco3-库存。当植物强烈地进行光合作用，并将合成的有机物大量沉积到沉积岩里圭寸存起来，大气中的CO将急剧地减少。大气中的CO2减少，导致大气CO分压下降，小于水体里的CO分压，水体中的CO将被释放222入大气中，从而使水体的CO?浓度降低。若进行光合作用的植物是水生植物，它将直接导致水体中CO的急剧减少。2水体里CO的减少，浓度下降，打破CO电离成H++HCO-之间的平衡，平衡将向左移动，也就是，H+和HCO-结合，形成CO。形成1摩尔3CO，将消耗1摩尔H+，大量CO的形成，将消耗大量的H+。这样，将导致水体的pH2值上升。或者简单地说，植物进行光合作用，消耗CO，将引起水体的pH上升。pH值升高多少，将与水体的酸度（是水接受羟基离子能力的量度，或者说是中和强碱能力的量度）有关（王凯雄，2001）。水体的酸度越大，升高得越慢，酸度越小，升高得越快。若pHCO2vpHvpHHCO3-时，光合作用导致大气或水体中的CO?减少，使pH值上升。由于pH值上升，水体里CO和HCO-的浓度比例将发生变化：CO的比2 3 2值下降，HCO-比值上升。虽然大量的HCO-和H+结合成CO，但CO的光合作用补偿点为0.005〜0.01%（不2 2同的植物，补偿点有区别，现大气的巴浓度为0.035%）（曹宗巽和吴相钰，1979，也就是说，只有当大气CO的浓度低于0.005〜0.01%（体积比）时，绿2色植物才不会再利用大气中的CO进行光合作用。所以，光合作用会使CO在水22体里的分量比值，远小于HCO-；或者说，通过降低CO的浓度比值来提高HCO-2 3的浓度比值。由于光合作用的不断进行，pH将不断升高，直至pHHCO3-vpH。由（7）式可知，pH由CO2和CO32-浓度比值决定。在pHHCO3-vpHvpHCO32-，光合作用导致大气或水体中的CO减少，会使pH值继续上升。由于pH值上升，HCO-和CO2-的浓度比例将发生变化：HCO-进一步电离成CO2-，HCO-在水体里浓3 3 3 3 3度比值下降，CO2-浓度比值上升。随着水体CO2-浓度比值的上升，水体CO2-的3 3浓度增大。因为海水中Ca（或Mg）CO的溶度积公式为（郭锦宝，1997）:3Ksp=aCa2+（Mg2+）（T）XaCO2-（T） （8）3随着pH值的升高，当CO2-的浓度和钙、镁等能形成碳酸盐的阳离子的溶度积大于Ksp时，将造成碳酸盐的沉淀。随着光合作用的不断进行，大量的HCO-电离成CO2-，形成碳酸盐沉淀。当TOC\o"1-5"\h\z3 3HCO-在碳平衡系统中的分量比值较小，不足以产生大量的CO2-形成沉淀时，pH3 3值又将继续升高，降低HCO-在碳平衡系统中分量的比值，提高CO2-在碳平衡系3 3统中的分量的比值，以提高CO2-的浓度，以保证碳酸盐能继续沉淀。这时，CO2-3 3的绝对浓度没有变，但CO2-相对HCO-的浓度比值却在不断增大。3 3光合作用大量吸收CO而持续形成的碳酸盐沉淀，是以不断提高pH值，不断提高CO2-浓度相对HCO-的浓度比例来完成的。若不计用来提高pH值所消耗的3 3那部分CO?，若水体里保证有足够的hco3-供给，光合作用吸收co?而造成碳酸盐沉淀，也可以用以下公式表示： 2\o"CurrentDocument"tafMg) Mg)'co4+H£i+C0- (9J简单地理解就是：光合作用消耗1摩尔CO，形成1摩尔CaCO或MgCO。2 3 3若冰川期后，火山喷发和地震等去气作用加强(MeGuire,1992;Zielinski,et.al.1996)，大气CO2浓度增高，当pHHCO3-<pH<pHCO32-时，由于pH的下降，CO2-相对HCO-分量的比值将下降，HCO-相对CO2-分量的比值将上升。HCO-浓度的增加，通过CO电离成HCO-和CO2-与H+结合形成HCO-而共同完成。当3CO2-相对其它分量的比值下降，其浓度3海洋里钙、镁等形成碳酸盐的阳离子乘积小于Ksp时，碳酸盐的沉淀停止；并且，已形成的碳酸盐沉淀开始溶解。若所有能溶的碳酸盐完全溶解仍不能抵消CO溶解于水造成的pH值下降，海洋水体的pH值将下降，直至最终大气中的CO浓度、海洋水体里的HCO-浓度2 3和CO-浓度之间达到平衡为止。2碳平衡系统对地球的作用由于地球的不断去气作用，大气中的CO2，将不断增多，温室效应也将不断增强。随着地球的不断演化，太阳的光能也越来越强(Canutoet.al.,1983)，当大气中的CO2等温室气体达到一定程度，产生足够强的温室效应，和增强的太阳光的共同作用，地表的温度就有可能达到或超过水的沸点。这时，海洋里所有的水，将变成水蒸气，海洋将消失。地球就将和金星一样，继续升温达到几百度的高温(Phillips,et.al.,2001)。所以，为了防止地球的温度不超过水的沸点，就必须把co2等温室气体的浓度控制在一定的范围内。也就是说，就必须有一个降低CO2等温室气体的机制，来抵消或降低地球去气作用产生的过多的CO2等温室气体。地球的CO2平衡系统，就能完成这个任务。它将大气中大量的co2通过转化为HCO3-和CO32-，最终转化为碳酸钙或碳酸镁等碳酸盐岩，重新埋入地壳。这样，使大气中的CO2浓度不太高，不至于产生水气化点以上的地球表面温度。所以，我们可以说，碳平衡系统，通过将过多的CO2溶入水体，最后将其转化为碳酸盐岩而埋入地壳，是碳平衡系统对地球的最大贡献。但是，这也同时带来又一个大问题。每1摩尔CO2溶于水，形成1摩尔hco3-的同时，也形成1摩尔H+；1摩尔HCO3-形成1摩尔CO32-的同时，再形成1摩尔H+。每1摩尔CO2,最后变成1摩尔埋入地壳的碳酸盐，同时产生2摩尔H+。所以，要将大量的CO2转化为碳酸盐岩埋入地壳，必然会产生大量的H+。若这大量的H+没有其它的机制处理掉，不仅碳系统将CO2转化为碳酸盐岩的过程将不可能进行，而且会使地球的海洋成为一个pH接近pHCO2(由于碳平衡系统的调节)的海洋。同时，因为地球地去气作用时，不仅排出大量的CO2,还会排出大量的HC1、HF、HS和SO2等酸性气体(Chester,1993;Wignall,2001;Sigurdsson,2000;TabazadehandTurco,1993;陈福等，1997；陈福，2000;Allard,1983)。这些酸性气体，溶于水形成各种酸根，与金属离子结合，最终转化为卤化盐类或硫酸盐类化合物。每1摩尔HCl或HF气体，形成1摩尔卤化物盐类(如NaCl或KCl),将释放出1摩尔H+；每1摩尔HS或SO2气体，最终形成1摩尔硫酸盐(如NaSO)，将释放2摩尔H+。所以，当这些酸性气体，溶于海洋，最终形成卤化物盐类或硫酸盐类时，也会产生大量的H+。特别是HCl和HF气体，它们产生H+的能力相当强，即使在pH值接近0时，也还能产生H+。资料显示，火山喷发造成的地球去气作用形成的火山气体冷却后，pH值接近于0(陈福等，1997；KrauskopfandBird,1995;WhiteandWaring,1963)。因为目前认为，原始大气中的气体，都是由于地球去气作用形成的(OzimaandPodosek,1983;Berner,et.al.,1983)，所以，原始海洋形成时，其pH值应很低，接近于0。也就是说，碳平衡系统解决了地球去气作用使大气CO2浓度继续增高的问题，但同时又和地球去气造成的其它酸性气体一道，产生了一个H+增多，使水圈变酸(pH值下降)的问题。若真pH值无限下降，最终接近于0，那生命也肯定不可能生存于地球上，那地球靠什么控制演化过程中的pH值？且听下回分解。未完