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主题:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么?六 大自然的碳循环 -- 橡树村

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家园 【读书笔记】IPCC究竟讲了什么?六 大自然的碳循环

橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么?五 二氧化碳的辐射强迫

接着看第一工作组的技术摘要。还是在TS2.1.1,讲了这么一个结论:

来自化石燃料使用以及土地利用变化对植物和土壤碳影响所产生的CO2排放是大气CO2增加的主要来源。据估算,自1750年以来,排放到大气中的CO2大约有三分之二来自化石燃料燃烧,三分之一来自土地利用变化。这些CO2大约有45%留存在大气中,30%被海洋吸收,其余的被陆地生物圈吸收。排放到大气中的CO2,大约一半在30年里被清除,30%在几百年里被清除,其余的20%通常将在大气中留存数千年。{7.3}

这是很多人都提出怀疑的结论:大气中二氧化碳增多,真的是人干的?不是大自然自己心血来潮?在大气二氧化碳浓度比较清楚的65万年里面,二氧化碳浓度不也是在一直变化吗?凭什么把现在的变化归结到人类的活动头上?解释这个结论,先要看看大自然自身的碳循环。

顾名思义,碳循环就是含碳的物质在整个自然界中的循环。下面这张图是一个碳循环的示意图,是2006年的时候对1990年代的碳循环比较完善的研究成果。黑色的是线条和数字显示的是大自然自身的碳循环,或者说是1750年前后的碳循环状态,红色的是人类所进行的干扰。人类的干扰我们后面说,先用这张图讲讲人类工业化之前大自然的碳循环。图里面使用的数字的单位,是碳的质量,而不是二氧化碳的质量。这是为了研究方便,因为在碳循环的过程中,碳的化学形态是在改变的,为了平衡方便,使用碳作为衡量单位,比二氧化碳要方便。两者也很方便换算,碳的原子量是12,二氧化碳的分子量是44,这样,一吨碳,就折合3.67吨二氧化碳。另外一个要指出的,是碳循环的波动是很大的,每年与每年之间有很大的差别,但是长期趋势是平衡的。这个图里面,所列出的也就是平均值。

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全球碳循环

没有人类干扰的时候,大气中的二氧化碳总量是5970亿吨碳,相当于2.2万亿吨二氧化碳。每年,平均有1200亿吨碳通过光合作用被转化成其他形式,或者说通过光合作用被固定。光合作用把二氧化碳转变成有机物。植物自身有呼吸作用,把一部分有机物转变成二氧化碳释放进入大气,动物吃了植物,也会把部分有机物通过自身的呼吸作用转变成二氧化碳释放入大气。一部分植物的有机物进入土壤,土壤里面的有机物,在有氧条件下会缓慢氧化,最终也以二氧化碳形式是放到大气里面,或者在厌氧条件下,形成甲烷进入大气。植物的自然的火灾也是植物里面固定的碳进入大气的一个方式,不过总的来说,植物的作用基本上是在从大气中吸收二氧化碳的。加在一起,动植物的呼吸作用,大约把1196亿吨碳返回大气。这就是说,植物每年可以固定碳4亿吨。这些碳,会被植物保存几十几百年。在工业化之前,植被和土壤里面的碳,总量是2.3万亿吨。

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光合作用

二氧化碳还可以部分溶解在水里面,地球的表面有70%都是海洋,这么大的水体里面,自然要溶解不少量的二氧化碳。二氧化碳在水里面的形态,可以是气态的二氧化碳,也有碳酸氢根离子和碳酸根离子的形式,这三者受化学平衡的制约,所以考虑的时候,把这三种化学形态的总量作为整体来考虑,这三者在一起,也有一个专门的名词,叫做可溶性无机碳,缩写是DIC。同样,溶解在海洋表面这些可溶性无机碳,也会因为直接与大气接触,而在一定条件下把溶解的二氧化碳释放出来。不同温度压力情况下,二氧化碳在水里面的溶解度是不同的,世界各地海平面的气压变化相对不算大,但是温度变化可是不小,而二氧化碳在水里面的溶解度,随着温度的升高会下降。这就是说,在冬季,高纬度的地区水温寒冷,二氧化碳在水里面的溶解度高,这样,二氧化碳就会被海水吸收,这个现象,结合子午线环流,被称为二氧化碳的溶解泵。而在低纬度地区的温暖海面,以及夏季的时候,二氧化碳在水里面的溶解度低,溶解在水里面的一些二氧化碳就会被释放出来。由于海水不是一动不动地,存在着各式各样的洋流,环流,不同温度的海水是在进行交换的,总体来说,海水对于二氧化碳的一呼一吸是基本平衡的。在工业化之前,每年海洋从大气中吸收700亿吨碳,同时释放706亿吨碳,相差不足1%。这个差距,下文会提到。

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海洋里面储藏着地表大部分的二氧化碳

很显然,新溶解在海水里面的二氧化碳基本上都在海水表层。海水表层大约有总量9000亿吨的碳。在这里的二氧化碳,可以重新进入大气,也可能进入深层的海水。二氧化碳在浅层海水停留的时间,大约是几年的样子。海水表层还有丰富的浮游生物,总量是30亿吨碳,这些水生植物可以把海水表层的二氧化碳通过光合作用转变成为有机质,这个过程,被称作二氧化碳的生物泵。这些有机质,可以形成可溶性的有机碳,DOC,或者随着生命体的死亡,沉到深层的海水里面。由于各种各样的反应的存在,有机碳的寿命总是要短一些的,最终这些有机碳也会变成无机碳,也会有一小部分沉积在大洋底部。每年,这些浮游生物从海水表层吸收的碳是500亿吨,同时有390亿吨返还给海水表层,进入中层海水的有机碳是110亿吨。

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海中的浮游生物也是碳循环的重要部分

表层海水下面就是中层海水,中层海水下面就是深层海水。中层和深层海水里面,含碳量高达37.1万亿吨碳,是碳循环里面质量比例最大的部分。浅层海水向中层海水输送无机碳的速率,是每年902亿吨,大约是浅层海水碳总量的十分之一,不过同时中层海水也向浅层海水输送无机碳,速率是每年1010亿吨。不同层的海水的混合速度很慢,中层海水的混合需要几十年上百年的时间来进行,而深层的海水则需要上千年的时间来完成。最终会有一些碳沉积在海洋底部,速率大约在每年2亿吨的样子。沉积在海底表面的碳,总量是1500亿吨。这些数字可以看出海洋对于吸收二氧化碳来讲,容量是非常大的,不过要注意,由于不同层的海水之间进行交换的时间尺度很不同,在考虑海水吸收二氧化碳的效果的时候,需要考虑扩散到各层的时间因素。

生物泵和溶解泵一起构成了海水的碳循环。在全球范围来考虑,影响这个碳循环的因素非常非常多,比如洋流情况,海水表面温度情况,盐度,各个层的分布,当然还不能忽视冰盖的影响,海水中溶解的营养物质的数量,也会直接影响生物泵的运行情况,不同地区的浮游生物的种类等等,也对这个碳循环的复杂性有所贡献。

已经很热闹了?还有呢。陆地上的碳循环,与海洋的碳循环也不是独立的。河流是在向海洋输送碳的。这里面大多数是无机碳,也有少数的有机碳,又可以溶解在水里面的,也有一些颗粒形状的。这个量,每年大约是8亿吨碳。这8亿吨碳里面,大约有4亿吨碳来自植物,另外有2亿吨碳左右是河水从大气吸收的二氧化碳,还有大约2亿吨碳是河水从岩石表面得到的二氧化碳。这个量不同年度是有很大变化的,不过长期平均下来还是有规律的,可以平衡的。除此之外,还有一些规模更小的行为也在碳循环之内,比如土壤里面的碳的形态的转变,岩石的风化、沉积,这些都是在很长的地址时间里面才会显现出作用来的。当然不能忘了火山喷发。火山喷发的时候,会有大量原本在地球深处的二氧化碳进入大气。不过这些现象加在一起,从1750年到现在,对于碳循环所作的贡献,是平均每年不到1亿吨碳。火山所喷发的二氧化碳的量,平均下来,并没有一些人声称的这么多。

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火山的作用,咱们以后专门讲

可以看出大自然的碳循环总量是非常大的,陆地和海洋的两个碳循环,每年交换的碳总量达到1900亿吨碳,折合二氧化碳总量7000亿吨。而大自然中的碳总量更是惊人,达到了41万亿吨碳,折合二氧化碳150万亿吨。人类的活动真的能对这么大量的碳循环造成影响吗?

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橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么?七 人类对碳循环的干扰

关键词(Tags): #气候变化#IPCC#辐射强迫#温室气体元宝推荐:爱莲,海天, 通宝推:海天,

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家园 CO2通宝

没有人类干扰的时候,大气中的二氧化碳总量是5970亿吨碳,相当于2.2万吨二氧化碳

应该是“2.2万亿吨二氧化碳”

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家园 沙发?
家园 【读书笔记】IPCC究竟讲了什么?七 人类对碳循环的干扰

橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么?六 大自然的碳循环

人类在制造二氧化碳这个事情是毋庸置疑的。进入工业时代之后,大量化石能源的使用,人们把几千万年前几亿年前地球存储下来的碳都从地底下挖了出来,烧掉,这些化石燃料的最主要排放形式,就是进入大气。工业时代的人类建造各种建筑、设施所使用的水泥,也需要焚烧大量的石灰岩,也向大气排放二氧化碳。同时,人类对于森林的破坏也日加严重,这样,人们又把几十几百年来大自然所沉积的二氧化碳也用很快的速度释放了出来。不过,人类究竟每年在排放多少二氧化碳呢?

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水泥厂也要排放二氧化碳的

顺便提一下下一个结论,

在最近几十年里,CO2排放持续增加。化石燃料燃烧产生的全球CO2年排放量3,从20世纪90年代的平均每年64±4亿吨碳增加到2000至2005年间的每年72±3亿吨碳。与土地利用变化相关的CO2排放量估算值,在20世纪90年代平均每年可能排放5~27亿吨碳,中值为16亿吨碳。表TS.1给出了最近几十年来CO2平衡的估算值。{2.3, 6.4, 7.3, FAQ 7.1}

按照AR4引用的数字,在1980年代,人类使用的化石能源与水泥行业排放的二氧化碳,平均在每年54亿吨碳,折合二氧化碳是198亿吨。到了1990年代,这个数字就已经上升到平均每年64亿吨碳,折合二氧化碳235亿吨。AR4所估计的2000-2005年间,平均碳排已经达到每年72亿吨碳,折合二氧化碳264亿吨。比较2009年IEA公布的数字,1980年到1989年,世界化石燃料所排放的二氧化碳平均是每年188亿吨,1990年到1999年平均是每年218亿吨,2000年到2005年的平均是250亿吨。两组数字还是有差距的,主要差别是IEA的数字并没有包括水泥行业,不过一般认为水泥行业只占3%,考虑这3%以后,还有5%的差距,这个差距,可以是由不同的估算方法而来的,一般认为是正常的估算误差。或者说,目前这类全球性的统计,业内认为5%的误差是可以接受的。

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化石燃料的碳排放怎么也是大头

人类行为造成的土地改变,主要是森林减少,所排放的二氧化碳数量,估算的误差仍然非常大。比如1980年代的年平均碳排,从4亿吨碳一直到23亿吨碳都有,AR4采纳的数值是14亿吨碳,比TAR的时候使用的17亿吨要少。1990年代的平均碳排,AR4采纳的数值是16亿吨碳,变化范围在5亿到27亿吨之间。这个情况说明土地改变带来的二氧化碳排放的估算仍然是非常不准确的,这应该是在整个碳循环的估算里面,误差最大的一块。这个误差会对相关分析的准确性产生不小的影响,后面会专门谈。

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森林砍伐的估算仍然是难题

大气究竟增加了多少二氧化碳呢?前面一直在讲浓度的变化,这实际上是体积浓度的变化。质量增加了多少呢?按照AR4里面提供的数据,在1980年代,平均每年大气中二氧化碳增加了33亿吨碳,在1990年代,平均每年大气中二氧化碳增加32亿吨碳。在2000-2005年,平均每年大气中二氧化碳增加41亿吨碳。这些数字都是明显小于人类使用化石能源和水泥业所排放的二氧化碳的。如果考虑到人类对土地改变的影响,大气中增加的二氧化碳所占人类行为所排放的二氧化碳还要更低一点。下面这个图左图最上方的黑线,就显示了如果人类使用化石能源和水泥业所排放的二氧化碳都停留在大气里面,大气的浓度每年应该增加多少。实际增加的量,是图下方的柱图,中间的黑线是实际增加量的五年平均。注意到在1990年代初有一个非常明显的增加量减少,这个现象,以后会专门谈。

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全球二氧化碳浓度的变化

这里面还要引用一个概念,滞留比率Airborne Fraction(谁知道业内的标准翻译?我没查到)。这个概念的定义,描述的就是每年留在大气中的二氧化碳,与每年人类活动排放的二氧化碳的比值。具体计算不同文献有些差别,有的只考虑化石燃料燃烧和水泥行业所排放的二氧化碳,有的考虑土地改变的净影响,即要考虑土地改变之后新增加的吸碳能力。看文献的时候要看清楚这个单位的具体定义。由于对于土地变化估计的不确定性,也因为对土地变化的认识相对较晚,常见的滞留比率的定义,是针对化石燃料和水泥行业的。当使用总排放的滞留比率Airborne fraction of total emissions这样的概念的时候,才考虑土地的净影响。上面这个图的右面,就是滞留比率的变化。这里面有两个有趣的现象。一个是这个滞留比率,不同年份之间的差别非常大。这里面最高的,有达到0.8的,出现了三次,分别是1965年,1972年和1997年,最低的,不足0.3,出现在1963年,和1991,1992年。这说明大自然度对于人类排放的二氧化碳的吸收,变化很大。另外一个现象,就是如果使用五年平均的话,这个变化九平滑了很多。比如在1960到1980年代,这个滞留比率基本上保持在0.5多一点的范围,除了1990年代初期一个特殊的低值,在1990年代中期开始,这个平均数又保持在0.5-0.6之间。换句话说,平均下来,大自然把大约40%多的人类工业活动所排放的二氧化碳都吸纳了,大自然的碳循环是在尽可能的消化人类工业活动所排放的二氧化碳的。这个滞留比率的变化趋势,在整理AR4的2006年的时候,还没有明显的结论。为什么这个数值平均下来竟然相对稳定?也还没有一个令人满意的解释。

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1990年代的碳循环

现在再来看上一节提到的碳循环图。红线是人类活动造成的影响。到1990年代,人类使用化石能源一共排放了2440亿吨碳。与工业化之前,1750年比较,大气中的二氧化碳总量,已经增加了1650亿吨碳,从5970亿吨增加到7620亿吨,增加幅度是28%,是变化幅度最大的。这方面的数字,来自大气中二氧化碳浓度的变化。海洋呢?浅层海水的碳总量,已经从9000亿吨,增加了180亿吨碳,达到9180亿吨碳,增加了2%,这与大气吸收二氧化碳较慢的速度相符合。浅层海水中的浮游生物由于与大气中的二氧化碳浓度相关性小,与海水中的二氧化碳浓度关系更大一些,所以目前还没有显著影响,保持基本不变。中深层海水增加了1000亿吨的碳,增加幅度0.3%,与二氧化碳进入这个层次海水的漫长周期相一致。海底沉积物还没观察到显著的碳的变化。陆地呢?陆地上的碳总量估计比较复杂,这个图里面列出的,是由于土地改变,造成了1400亿吨碳的流失,同时因为大气中二氧化碳浓度增加,导致陆地吸收碳的能力增加,而造成了1010亿吨碳的储备增加,两者相减,净值是土地流失了390亿吨碳。这样,人类所增排的这2440亿吨碳里面,有1650亿吨仍然停留在大气中,180亿吨被浅层海水吸收,1000亿吨被中深层海水吸收,而土地的变化,实际上也减少了390亿吨的碳储存。动态的结论呢?1990年代平均,每年增加二氧化碳排放64亿吨,其中26亿吨被陆地吸收,同时有16亿吨被陆地释放,造成陆地净收支是吸收每年10亿吨碳。浅层海水则每年增加吸收二氧化碳222亿吨,多释放200亿吨,同时每年增加了16亿吨的碳进入中深层海水。这个比较可以看出,相对地球自身庞大的碳循环来讲,每一年,人类对于这个循环的贡献还是微不足道的。但是人类工业化已经进行了250年,特别是最近的半个世纪,人类的碳排增加迅速,日积月累,已经对碳循环造成了很显著的影响。

我不理解大气中二氧化碳增加不是人类活动影响的说法。基本事实是,人类活动有足够量的二氧化碳排放,这个排放的量,与大气中和大自然中所增加的碳量是有比较好的对应关系的,并且大气增加的二氧化碳的量,少于人类排放的二氧化碳的量。人类的活动增加了进入碳循环的碳的总量,必然导致很多地方碳的累积增加,于是很多地方的碳含量增加,这是一个很直接的结论,也有具体数据支持。如果大自然也由于其他原因自己也在显著增加大气中的二氧化碳浓度,那么大气中的二氧化碳含量应该多于人类排放的数据,大气中的二氧化碳浓度只会比目前的数据高。按照我的理解,说大气二氧化碳浓度增加与人类无关是说不通的。我希望能见到持这个观点的来解释这里面的逻辑进行补充。

不过直接就给了个碳循环图,你说什么就是什么了么?究竟证据有多大把握呢?这些数字的出处可靠性如何呢?难道你的数字误差不会导致完全相反的结论么?咱下一节谈。

橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么?八 碳通量


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家园 好快

村长好快的身手。

家园 这个报告中有北极冰融化的统计么?

“每日郵報說,根據科羅拉多州的美國國家冰雪資料中心的資料,自2007年以來,北極夏天的海冰增加了近106萬平方公里,也就是26%,即便是大力倡議防止全球暖化的人士也未反駁這一點。”

这个可信么?

家园 水泥的制造过程,从某个程度上说就是把

碳酸盐变成硅酸盐的过程,这中间碳跑到哪里去是不言而喻的。不过这不是最吓人的。一般的水泥生产工艺中,是用鼓风机把煤粉吹入回转窑内的。把这么多煤粉二十四小进不间断送入千度的窑内谁都知道会发生什么……

事实上每生产一吨水泥,起码要消耗0.1吨标煤,如果是传统生产线,则需要0.4吨标煤,也就是说目前最牛的万吨级生产线一天至少消耗掉一千吨左右的标煤,生成的二氧化碳也就是番几番了。高能耗行业的典型代表啊。

家园 这个报告肯定没有2007年的资料

报告的内容截止至2006年,实际资料只收集到2005年,肯定不会包括2007年的资料。

AR4在这方面的结论是TS3.2:

根据卫星观测,自1978年以来,北冰洋年平均海冰范围以每十年大约2.7±0.6%的速度在缩小(参见图TS.13)。夏季范围的下降比冬季范围的下降要大,夏季最低下降速度约为每十年7.4±2.4%。其它资料表明夏季下降开始于1970年前后。对南极洲进行的类似观测显示年际变率要更大一些,但是在卫星观测期间趋势却不尽一致。与陆冰变化形成对比,诸如冰盖和冰川,海冰的变化对海平面的变化没有直接贡献(因为此冰已处于漂浮状态),但能通过输入淡水而对盐浓度的变化做出贡献。

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从这个图里面可以看到海冰的面积波动是很大的,某一个年度增加1百多万平方公里海冰是发生过的,如1997年。不过总体趋势还是有规律的。

家园 在后面能说下碳交易及其衍生品吗

看了真长知识,村长功德无量啊,非常感谢给我等小白普及普及,也只有西西河有这个条件了,别的地儿还真难找这么详细、专业又有趣的文章。IPCC说完之后,能否再说说现在的碳交易机制有哪些,发展方向是什么,以及其衍生品怎样建立的?逐篇花谢了。

或者村长动员动员有知道碳交易方面的大牛来接着科普?提供一些网址或参考文章也好,从哥本哈根之后,对这个就很有兴趣。

家园 wiki上有一些

作为入门还可以,外链出处,里面有一些引文也值得看看。

我熟悉的作CDM的现在基本上不来了,看看有没有别人愿意。我了解得很少的,特别是金融方面,完全外行。

家园 冰盖厚度

报告中有提到冰盖厚度吗?印象中好像从某个论坛上看过说南极冰盖的厚度一边在减少,但另一边在增加,冰盖总体积的趋势是增加中。但记得当时说的人也没提出什么证据,所以不知是真是假。

看村长的图,北极海冰面积减少的趋势很明显,但南极趋势似乎是轻微上升的。为什么会这样呢?

家园 高度变化趋势

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相应解释,TS3.2:

格陵兰冰盖和南极冰盖加起来很可能促进了海平面过去十年的上升。格陵兰冰盖在1993年至2003年期间出现退缩是很有可能的,中部地区加厚,超量补偿了沿海地区融化的增加。冰盖在超过年代际时间尺度上是扩大了还是退缩了,观测资料尚未给出完全的定论。在技术工具和少量估值之间缺乏一致性使之无法确定最佳估值,或者统计上的严格误差要求改变冰盖的物质平衡。然而,溢出冰川的加速将冰从内部排出,这种情况在这两个冰盖上都观测到了(参见图TS.14)。对资料和技术工具的评估表明1993年至2003年期间格陵兰冰盖的物质平衡为 –50 至 –100 十亿吨/年(冰盖退缩可造成全球海平面上升0.14至0.28毫米/年),2005年的损失量甚至更大。对于更早时期和对于南极而言,不确定性就更大了。对1961年至2003年时期格陵兰冰盖物质平衡的估计范围是在扩大量25十亿吨/年和退缩量60十亿吨/年( -0.07至+0.17毫米/年SLE)之间。对所有资料的评估可得出整个南极冰盖的物质平衡估值,其范围在1961年到2003年期间是从扩大量100十亿吨/年到缩小量200十亿吨/年( -0.27至+0.56毫米/年SLE),在1993年到2003年期间是从+50到-200十亿吨/年(-0.14至+0.55毫米/年SLE)。冰流的近期变化有可能足以解释所估测的南极洲物质失衡方面的许多情况或者全部情况,同时冰流、降雪和融水径流的近期变化足以解释格陵兰冰物质失衡。{4.6, 4.8}

技术摘要里面都有,可以自己看一下。

家园 airborne fraction

空气中的碳化合物馏分(份) airborne fraction of carbon

前几周在公司一份内部报告的英文注释中看到的

家园 这肯定不是气候学的翻译

谢谢。

似乎和这里讲的不是一回事。像是不知道这个词含义的人根据字面意思直接翻译的。

家园 【读书笔记】IPCC究竟讲了什么?八 碳通量

橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么?七 人类对碳循环的干扰

碳循环里面,对于大气的二氧化碳总量的测量是最准确的。这方面,由于从1960年代开始的连续测量数据,特别是1980年代以后多个站点的连续精确测量数据,使得人们观察大气中二氧化碳的变化非常方便,精度也最高。广泛的观测也会发现一些新现象,比如,人们现在发现南北半球的大气二氧化碳浓度,是有差异的。北半球的年平均大气二氧化碳浓度,要比南半球的年平均大气二氧化碳浓度高了一点点。在Keeling开始研究大气二氧化碳浓度的1960年代,这个差异还很小,在1ppm以内,数据也不够充分,但是到了1990年代,这个差异就可以确认了。更有趣的是,如果把每年的南北半球大气二氧化碳浓度差异与当年化石燃料的二氧化碳排放总量放在一起看,能看到一个很不错的线性关系:化石燃料每排放10亿吨碳,南北半球的大气二氧化碳浓度差异增加大约0.5ppm。化石燃料影响南北半球大气二氧化碳浓度的长期趋势是很明显的。如果把这条直线延伸,到化石燃料零排放的时候,南半球的大气二氧化碳浓度会比北半球的高出0.8ppm。这个现象还没有很明确的解释,可能与海洋对二氧化碳的输送有关。这个差异已经很明显了,目前的化石燃料碳排已经超过了7亿吨碳,导致的南北半球大气二氧化碳差异已经接近3ppm。造成这个变化的原因,可能与化石燃料的使用集中在北半球,增加的碳排数量过大,大气来不及进行平衡有关。当然这个线性关系不能与牛顿力学里面的线性关系比较,不同年间,这个差异的波动还是不小的,说明化石燃料排放并不是影响这个差异的唯一原因,其他的,比如大规模的森林火灾,也会对这个差异造成影响。

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南北半球大气二氧化碳浓度差异与化石燃料碳排的关系

实际上从上一节也可以看出不同年间大气中二氧化碳的清除的速率本身差异就很大。这方面AR4里面的结论是,

自20世纪80年代以来,陆地生物圈对CO2的自然吸收过程(即表TS.1中的剩余陆地汇)以及海洋的吸收大约清除了50%的人为排放(即表TS.1中的化石燃料燃烧产生的CO2排放和土地利用变化通量)。这些清除过程受大气CO2浓度以及气候变化的影响。海洋和陆地生物圈的吸收在量级上是类似的,但陆地生物圈的吸收较不稳定。与20世纪80年代相比,20世纪90年代每年多吸收10亿吨碳。观测表明,在海洋表面溶解的CO2浓度(pCO2)几乎在所有地区都增加,与大气CO2增加趋势相同,但具有更大的空间和时间变率。{5.4, 7.3}

所观测到的大气CO2增长率的短期(年际)变化主要受大气和陆地生物圈之间CO2通量变化的控制,海洋通量变率的影响较小,但很重要。陆地生物圈通量的变率受气候扰动的影响,气候扰动会通过植物生长影响对CO2的吸收,还会通过有机物的异养呼吸和林火所产生的腐烂影响CO2重新排放回大气。大气CO2增长率的年际变化主要源于厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)事件,因为ENSO事件会影响陆地通量、海平面温度、降水以及林火的发生。{7.3}

这里面提到了一个变化通量。这个通量就是海洋或者陆地吸收从大气中吸收或者向大气中释放的碳的量。人们对海洋对二氧化碳的吸收观察的也是比较好的。这方面的方法有不少,主要有7类,详细列一下,有根据大洋表面的二氧化碳分压对气体交换的影响进行推测;可以根据大气输送二氧化碳的模型,结合不同地区大气二氧化碳浓度的差异来推测;可以观察海水里面的碳、氧、营养物质,甚至氟氯烃的变化,,结合大洋输送模型,来推测认为排放的二氧化碳比例;可以根据观察到的氟氯烃的变化推测水的年龄分布,结合大气的二氧化碳浓度历史来进行推测;可以根据大气二氧化碳浓度上升,氧气浓度下降的变化来推测;可以根据大洋和大气中C13的丰度变化来推测;也可以根据大洋模型来推测。这里面,一些方法会带来系统误差,比如会受到河流带入的无机和有机碳的影响,不过这方面可以进行系统校正。当然这个校正也会随之带来误差。在进行了校正以后,这些方法得出的结果,还是很相似的。下面的图里面列出了主要的估算结果。综合这些测量的结果,在1980年代,海洋每年吸收二氧化碳18+-8亿吨碳,在1990年代,海洋每年吸收二氧化碳22+-4亿吨碳。2000-2005年,海洋每年吸收22+-5亿吨碳。1990年代的数据比1980年代的数据精确了不少。

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不同方法对碳通量的估计。上面的是海洋的,下面的是陆地的

对陆地上的大气与陆地的二氧化碳变化的观察就不这么好了。这个变化主要来自森林的变化,但是又不仅仅是森拼的变化。陆地上的生态系统太复杂,如何统计,如何汇总,总是个问题。对于这些变化的直接观测也是很有限的。使用的方法有两种,一个是直接使用人类的排放总量减去海洋的吸收量,一个就是用更加复杂的方法,根据排放的和海洋吸收的二氧化碳的同位素变化,氮氧比例变化等等来进行计算。也就是说,由于陆地上的二氧化碳消除过程很难观测,要了解陆地上的碳循环,只能使用间接方法。在TAR的时候,估算使用的是上面讲的第二个方法,不过后来发现由于氧气的变化本身要更复杂一些,所以在AR4,就用了更加简单的第一个方法。直接对这个现象进行测量的方法也有,上图里面列出了一些方法的结果,这些方法的误差还是很大的。这样的结果,及时在AR4中,1980年代,陆地平均每年吸收3+-9亿吨碳,在1990年代,陆地平均每年吸收10+-6亿吨碳。2000-2005年,陆地平均每年吸收9+-6亿吨碳。影响陆地的碳吸收或者释放的过程是在太复杂,就不详细介绍了,这里是AR4的结论。一个很明显的变化,就是基本上可以认定从1990年代开始,陆地上总的碳量已经开始增加,在人类对于毁林的行为加以控制,加大植树造林的力度之后,陆地已经可以吸收大气中的二氧化碳了。在1980年代,虽然不确定性很高,但是非常可能陆地在向大气释放二氧化碳。

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1990年代不同地区陆地的碳通量

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1990年代海洋碳通量

厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)现象对于陆地吸收二氧化碳的能力影响非常大。ENSO发生在太平洋的热带地区。这个现象由海洋和大气两部分组成,洋流的部分,是在太平洋东部的表层海水变暖或者变冷现象,叫做厄尔尼诺现象,大气的部分,主要是西太平洋地区的海面压强的变化,被称为南方涛动。这个ENSO并没有一个固定的规律,不过基本上每4到12年会发生一次,最近这些年,这个现象的周期是5年。ENSO对全球的气候都具有很大的影响,会导致洪水、干旱,以及其他不少极端天气变化,还有很多相关的现象,比如干旱会导致火灾增多等。这个现象不仅仅对太平洋以及周边地区有影响,对大西洋附近也有影响,只不过有一个差不多12到18个月的滞后期。ENSO一般简称叫做厄尔尼诺,因为这个单词是西班牙文男孩的意思,并且专指刚出生的基督耶稣,所以也有人翻译成圣婴。

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1997年的ENSO

ENSO与二氧化碳表面通量的关系,可以见下面这个图。这里面列出了1980年到2004年25个年头里面,全球、南半球、热带亚热带地区、北半球对二氧化碳的吸收的变化情况。这些数据都是经过了长周期平滑,消除了短期季节性信号后得到的。图上面灰色的区域,就是ENSO发生的时间,还有一个黑色的线条,这表示1991年皮纳图博火山的爆发的影响。前面已经注意到了1990年代初期大气二氧化碳的反常变化,这个变化的原因,就是1991年的这个大火山爆发。里面显示了三个版本的推测情况,橙色和青色是一个版本的陆地和海洋;红色和蓝色是一对,分别是陆地和海洋;黄色和紫色是一对,顺序也是陆地和海洋。这里面可以看到无论是那个版本的模拟,陆地上的碳循环受到ENSO的影响最严重。

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碳通量变化与ENSO的关系

相关二氧化碳通量的还有两个结论,就不详细解释了。

陆地生物圈对碳的吸收和存储源于植被生长、再造林变化和固碳所产生的吸收与异养呼吸、收割、毁林、林火、污染损害以及其它影响生物质和土壤的干扰因素所产生的排放之间的净差异。不同地区林火发生频率的增减已经影响到净的碳吸收。在北温带北部森林地区,由于林火造成的排放在近几十年里明显增加。利用大气观测网资料,通过反演研究估算的净CO2表面通量证明:在北半球中纬度地区陆地吸收很大,而在热带地区陆地—大气间的通量几乎为零,这意味着热带森林滥伐大致被森林再生长所抵消。{7.3}

目前尚不能可靠地量化大气CO2增加对大尺度陆地碳吸收的直接影响。大气CO2浓度增加和营养物沉积(施肥效应)可以促进植物生长。可是,大多数试验和研究表明,这种响应相对而言显然是短期的,并且与其它效应如水分和营养物的获得强烈相关。同样,气候(温度和湿度)对垃圾和土壤异养呼吸影响的试验和研究也不确定。注意,气候变化对碳吸收的影响在TS.5.4节中单独论述。{7.3}

最后一个结论,说大气中二氧化碳浓度增加可以促进植物生长,但是这个影响相对短期,可能一些人看了会不大开心。这方面会在以后详细展开。

橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么?九 其他温室气体


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