碳平衡系统对地球的作用1

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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

2、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-、CO 2-，和沉积岩里碳酸盐能建立 2233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aCCU MgCOE )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):K=a H+Xa HCO-(T)/a Hco (T)(1)1 323K=a H+Xa CO2-(T)/a Hco-(T)(2)2 33式中

3、K、K为热力学常数。若采用表观电离常数K/则可表示为：1 2K /=a H+ XCHCO -(T)/CH co (T)(3)1 3/、23/、K /=a H+ XCCO 2-(T)/CHco -(T)(4)2 33将(3)、(4)两式取对数得：pH=pK /+logCHco -(T)/CH co (T)(5)1 3/、23/、pH=pK /+logCco 2-(T)/CHco -(T)(6)2 33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：2 3pH=1/2(pK +pK-logCco (T)/Cco 2- (T)(7)1 223以上的公式

4、，可以解释如下：水体的pH值不影响水体里CO、HCO-和CO 2-233三者的总量变化；但当总量一定时，它影响三者的浓度比值。当pHCO2vpHv pHHCO3-时(pHHCO2-为水体中所有的CO32-被 H+中和时的pH值)(王凯雄，即pH也可以理解为由水体里CO2和CO32-浓度的比值决定。2001），水体里几乎没有CO 2-, 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3 23浓度比值越大。当pHHCO3-vpHv pHCO32-时（pHHCO3-为水体中所有的H2CO3 被0H-中和时的pH值），水体

5、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，CO 2-的浓度比值越小；pH值越高，HCO-的浓度3 33比值越小，CO 2-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2 33增加；大量的H+补充到海洋里，海洋的pH

6、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 2 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2 2 2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

7、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pHCO2vpHv pHHCO3-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232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0.0050.01%（不3 22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

8、当大气CO的浓度低于0.0050.01% （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2 2 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-3 23的浓度比值。由于光合作用的不断进行，pH将不断升高，直至pH HCO3-vpH。由（7）式可知，pH由CO2和CO32-浓度比值决定。在pH HCO3-vpHv pHCO32-， 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CO 2-的浓度比例将发生变化：HCO -进一步电离成CO 2-，HCO -在水体里浓 33333度比值下降，C

9、O 2-浓度比值上升。随着水体CO 2-浓度比值的上升，水体CO 2-的3 33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=a Ca2+（ Mg2+）（T）Xa CO2-（T）（8）3随着pH值的升高，当CO 2-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CO 2-，形成碳酸盐沉淀。当33HCO-在碳平衡系统中的分量比值较小，不足以产生大量的CO 2-形成沉淀时，pH33值又将继续升高，降低HCO-在碳平衡系统中分量的比值，提高CO 2-在碳平衡系33统中的分量的比值，

10、以提高CO 2-的浓度，以保证碳酸盐能继续沉淀。这时，CO 2-33的绝对浓度没有变，但CO 2-相对HCO -的浓度比值却在不断增大。33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CO 2-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33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：2tafMg)Mg) co4 +Hi+C0-( 9 J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。233若冰川期后，火山喷发和地震等去气作用加强(MeGuire, 199

11、2; Zielinski, et. al.1996)，大气CO2浓度增高，当pHHCO3-pHpHCO32-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CO 2-与 H+结合形成HCO -而共同完成。当3CO 2- 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23

12、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(Canuto et. 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

13、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

14、 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; Tabazadeh and Turco, 1993;陈福等，1997 ；陈福，200

15、0; 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Na SO)， 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； Krauskopf and

16、Bird, 1995; White and Waring, 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(Ozima and Podosek, 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，待续。下回预告：地球科学原理之28硅系统平衡对地球的作用参考文献：陈福酸性含矿热液的成因及成矿演化模式地质地球化学,2000, 28(1): 48-52 陈福，王中刚,朱笑青自然界酸性溶液的形成和向成矿溶液演化机理-表生循环 水向成矿溶液演变机理之(二)，矿物学报,1997, 17(4): 399-411 曹宗巽，吴相钰植物生理学，北京：高等教育出版社.1979. 31-125 郭锦宝.化学海洋学.厦门：厦门大学出版社.1997，80-398 王凯雄.水化学.北京：化学工业出版社.2001. 257-323