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　　珊瑚礁孕育了非同寻常的生物多样性，但是它们都遭受多种力量的围困，包括暴露于有毒化学物质和承受直接物理破坏。更严峻的威胁是，化石燃料燃烧导致海洋化学性质发生变化，但这种危险却鲜为人知。如今，生产过程中所释放的二氧化碳，其1/3都进入了海洋，降低了自然状态下呈碱性的pH值。这种向更具酸性的环境的转变，似乎降低了珊瑚礁（以及许多其他海洋生物）生长发育的能力。
　　撰文 斯科特.C.多尼（Scott C. Doney）
　　1956年，美国加利福尼亚州斯克里普斯海洋研究所的地 球化学家罗杰·雷维尔(Roger Revelle)和汉斯·修斯(Hans 
Suess)指出，必须测定空气和海洋中的二氧化碳含量，以便 “更清楚认识到预知的大量工业生产的二氧化碳可能对未来 
50年气候产生的影响。”换句话说，他们想指出如今的形势 多么可怕。那个时候，他们不得不为这种观测的重要意义而 
辩护，在今天看来多么令人惊讶，但在当时，科学家们还不 能肯定人类排放的二氧化碳是否真正会在大气中累积起来。 一些科学家认为，二氧化碳将被海洋无害地吸收，或被陆地 
上生长的植物恰当地吸收。
　　雷维尔和他为开展该项目而雇佣的年青研究人员、已 故的查尔斯·戴维·基林(Charles David Keeling)，意识到他 
们必须在偏远地点安装仪器，这些地点远离二氧化碳来源 地和沉积地，这样的安排，会引起测定的结果不规律地变化。他们选择的一个地点，几乎远离任何人能够到达的工 
业活动地与植物生长地：南极；另一个地点则位于美国夏 威夷州莫纳罗亚山顶上新建的气象站。
　　莫纳罗亚山的监测活动，从1958年一直持续到现在(其 间只有一次短暂的中断)。夏威夷没有南极洲那么遥远，它 
见证了二氧化碳水平急剧升降的情况，二氧化碳水平升降与北半球植物生长季节同步；但是在每年末，这种温室气体的浓度总是高于它12个月前的水平。因此，没过多久， 
科学界就认识到雷维尔是正确的——二氧化碳进入大气， 必定有许多留在那里。雷维尔的预测还正确地表明，很大 部分二氧化碳最终会进入海洋，而且雷维尔很久以前就明 
白，进入海洋的二氧化碳会彻底改变海水的化学性质。与 气候变化的某些方面不同，这种效应的真实性——本质上 
是海洋酸化(acidification)，这一点并不存在多少争议，尽管 现在科学家还在继续揭示海洋酸化的全面影响。
　　人类影响有多严重？
　　自工业革命开始以来，海洋已经足足吸收了排放到大气中的化石燃料碳的一半
　　基林进行了半个世纪的记录，这极有价值，但是连贯 起来看，这段时间对评价现状来说，还是太短了。然而， 通过测定陷入冰芯中的空气泡，科学家们已经能够获得更 
长时间范围的信息。根据这种自然档案，科学家们了解 到，几千年来，大气二氧化碳浓度几乎恒定不变，然后随 着19世纪工业化开始而飚升起来。目前，二氧化碳比几百 
年前多了30%，而且，到本世纪末，还可能比以前的水平 提高一倍或两倍。
　　二氧化碳急剧增加，主要来源是燃烧化石燃料(fossilfuel)——煤炭、石油和天然气(水泥生产和热带雨林燃烧也增加了一些二氧化碳，但是为了简单明了，我们把这部分 
二氧化碳忽略不计)。与活体生物的成分不同，化石燃料几 乎不含或根本不含放射性形式的碳——碳同位素碳14，碳 
14的原子核有8个中子，而不是通常的6个中子。化石燃料 中，两种稳定碳同位素(碳12和碳13)的比例也是独一无二 
的。因此，化石燃料燃烧在大气中留下了与众不同的同位 素标记，这样，就没有人能够怀疑二氧化碳增加量从何而 来了。
　　吸收率可能发生变化，化石燃料产生二氧化碳，现 在，其中40%留在大气中；其余被陆地植被吸收或被海洋 吸收，目前两者所占比例大体相同。海洋是巨大的自然碳 
库，因而到目前为止，进入海洋的化石燃料二氧化碳增量 还相对较小。因此，检测和量化二氧化碳吸收情况，要求 特别精确的测量，至少达到千分之一的精度。此外，各个 
地区的二氧化碳数量相去甚远，要完成这项任务，就必须 投入资源，长期不懈地绘制全世界碳浓度图。在20世纪80 
年代后期和20世纪90年代，海洋学家严格开展了这方面的 工作，作为二氧化碳全球评价的组成部分，而全球评价则 
由JGOFS(全球海洋通量联合研究计划)和WOCE(世界海洋环 流实验)这两个项目承担。
　　然而，那些调查本身并没有确定：在测定的碳中，哪 部分是自然产生的，哪部分是人类排入大气的。1996年， 尼古拉斯·格鲁伯(Nicolas 
Gruber)(目前在美国加利福尼亚 大学洛杉矶分校)和他的两个同事开发了一种创新技术，以 区分二氧化碳的来源。格鲁伯把该方法用于分析JGOFS和 
WOCE的所有数据，这项工作于2004年完成，结果表明， 自工业革命开始以来，海洋足足吸收了排放到大气中的化 石碳的一半。
　　证明这个过程的另一种方法，即是重复测量同一海域 的碳含量。人们必须将海洋中的化石碳与各种生物来源碳 
仔细区分开来，而且观察时间跨度必须为10年或更久，才 能揭示化石燃料燃烧对自然变化背景产生影响的总体趋 势。去年，在美国海洋与大气管理局大西洋海洋学与气象 
学实验室的里克·万宁霍夫(Rik Wanningkhof)和我率领的一 
次研究考察中，完成了这样一项实验。第二页 
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　　我们的科学调查船上有31位科学家、技术员和学生， 我们几乎花了两个月时间来抽样检验南大西洋西部的物理 
与化学性质，调查范围从海面到海底，从南极附近开始， 到赤道附近结束。1989年，当我还是研究生时，我就和其 他科学家一起对这个区域进行过初次测试。
　　我们比较了2005年的 观测结果和16年前的结果， 发现如今南大西洋上部几百 米层面的碳浓度总体上比过去要高，这与海洋一直吸收大 
气二氧化碳的观点相吻合。其他海洋学家发现，太平洋和 印度洋也存在类似的倾向。那么，这种变化对海洋环境究 竟预示着什么呢？
　　海洋化学基础知识
　　解释这些海洋状况变化的影响，需要回顾一下某些基 础化学知识。但是请耐心听我说，这并没有那么痛苦。二 氧化碳与水化合生成碳酸，就是碳酸饮料中的那种弱酸。 
像所有酸一样，碳酸向溶液中释放氢离子(H+)，在这种情 况下，同时产生了碳酸氢根离子(HCO3-1)和更少的碳酸根离 
子(CO3-2)，也在周围游动。少部分碳酸留在溶液中，不发 生离解，少量二氧化碳也如此。因而，由此形成的碳化合 物与离子相当复杂。
　　所有这类溶解和离解的一个简单结果，就是氢离子浓 度提高了，化学家通常用人们熟悉的pH值(pH scale)来进行 
量化。pH值下降一个单位，就相当于氢离子浓度提高到原 来的10倍，让水的酸性更强；而pH值上升一个单位，就相 
当于氢离子浓度下降为原来的1/10，让水的碱性更强；中 性pH值(纯水的pH值)为7。原始海水pH值为8～8.3，这就意 
味着，在自然状态下，海水略带碱性。
　　比起工业革命之前来，海洋吸收二氧化碳已经导致现 代地球表面海水的pH值大约下降了0.1(碱性变弱)。除非人 
类立即大幅度削减对化石燃料需求，不然到2100年，海洋 pH值就将再下降0.3。在对更遥远的将来所进行的大致预 
测中，美国华盛顿卡内基研究所的海洋学家肯·卡尔代拉(Ken 
Caldeira)指出，从现在开始的几个世纪里，海洋pH值将比过去3亿年里的任何时候都要低，这让人忧心忡忡。
　　pH值变动看起来似乎很小，但是它们足以引起我们警 觉。值得注意的是，最新实验表明，pH值变化可能危害某 
些海洋生物——特别是危害依赖碳酸盐离子来形成外壳(或 其他硬质结构)的海洋生物，碳酸盐离子来自碳酸钙，这令 人忧虑。
　　乍看起来，这种担忧似乎自相矛盾。毕竟，如果海洋吸收的某些二氧化碳离解成碳酸盐离子，人们就可以期望 有大量碳酸盐离子在周围活动，甚至超过其他方式可以得 
到的量。尽管这种逻辑是站不住脚的，因为它忽略了所有 已产生的氢离子的影响，氢离子往往与碳酸盐离子化合， 形成碳酸氢盐离子，因而最终结果是碳酸盐离子浓度下 
降。
　　令人担忧的是，pH值下降(从而导致碳酸盐离子浓度 下降，根据预测可能在本世纪下降一半)将妨碍某些生物 
形成碳酸钙的能力，足以使这些生物难以生长。某些最为 丰富的生物可能会遭受同样影响，其中包括叫做球石藻类 ( coccolithophorid)的浮游植物( 
phytoplankton)，它们被一小块碳酸钙覆盖，常常可以看到它们靠近海面游动——它们在此利用充裕的阳光进行光合作用。其他重要例子是浮游生 物有孔虫( 
foraminifera，与阿米巴有关)和翼足目软体动物 ( pteropod，小型海洋蜗牛)，这些微小的生物是鱼类和海洋 
哺乳动物(包括某些鲸类)的主要食物来源。
　　生物学家还担心，珊瑚(coral)会遭受这种影响，它们 表面看起来像植物，但实际是小型动物群，与海葵(sea 
anemone)有亲缘关系。它们过滤水中浮游生物，进行采 食，并分泌碳酸钙骨架，随着时间的推移，这些碳酸钙骨 架累积而形成珊瑚礁(coral 
reef)，珊瑚礁位于海洋中生产 率最高和生物多样性最强的生态系统之列。珊瑚藻(分泌 碳酸钙并且常常类似珊瑚的藻类)也对大量珊瑚礁的酸化 
产生了影响。例如澳大利亚海岸外的大堡礁(Great Barrier R e e f )——世界上最大的生物构造，完全是珊瑚和珊瑚 
藻一代一代累积的结果。不容易看到的例子发生在海洋 更深之处，那里冷水珊瑚群落点缀着大陆边缘和海底山 (seamount)，形成重要的鱼类栖息地。
　　浅水珊瑚绚丽多彩，部分原因在于共生藻的作用。共 生藻生活在珊瑚细胞内部，为了应对各种各样的环境压 力，这些藻类有时候离开自己的寄主，将白色的碳酸钙骨 
架暴露在下面。例如，这种“漂白”事件会因极度暖和而 发生。一些科学家猜测，海洋酸化(或者更恰当地说，海洋 碱性状态的微微下降)往往促使这类事件的发生。
　　
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来源:环球科学2&nbsp; 