北极，被酸化的海洋 - 海洋酸化化学反应

& T, J; w( v- E F

■ 科学家将从生态实验仪器Mesocosm中采集的水样带回实验室以便测试和数据记录。

* O' V8 l7 }+ B4 X9 F: ?# @( H, I, J

北极，这片远离人间烟火的纯净之地，这片美丽而脆弱的极北之地，正沦为人类燃烧煤炭石油的荒冢野墓。海洋酸化的悲剧，愈演愈烈。

& T+ z- A0 C0 ]5 Y+ N

北极，被酸化的海洋

* G) G/ `& v2 X! R7 P+ Y0 ?+ @# j) ?1 }: c

撰文/郑明清 王家娴 淳言 娄广斌 邱坚

支持/绿色和平

1 d9 o+ q% Q5 `! K7 M g0 L" {

来自“海蝴蝶”的不祥之兆

' ^6 _7 A$ M# z& k* `8 E2 B! m$ j

关于“海洋酸化”，还要从1985年那艘开往北太平洋的科考船说起。当时，船上的美国女生物学家维多利亚（Victoria J. Fabry）注意到了一个微小但可怕的现象：在她收集的装有小型海洋生物“海蝴蝶”（Pteropods）（海蝴蝶学名“尖菱蝶螺”，是一种翼足类浮游动物，因游动起来像翩翩起舞的蝴蝶，被称为“海蝴蝶”。它们的贝壳可以用来保护自身不被掠食以及在海水中垂直移动）的封口瓶中，海蝴蝶的躯体外壳在短短48小时内消失了。维多利亚意识到随着海蝴蝶不断呼吸，密封瓶里的二氧化碳浓度迅速增加，并溶解于海 水中，使海水的酸度在短时间内发生了重要变化——从而使海蝴蝶外壳的碳酸钙溶解。

& v7 T s: A% \% l4 q

引发维多利亚忧心忡忡的，正是我们现在所说的“海洋酸化”。

■ 如同大试管般的生态实验仪器Mesocosm。它运用隔离生态水区的手法模拟再现小型封闭水体环境下北极海域海洋生物对不同二氧化碳排放浓度的响应。

* \9 `! }3 t0 z1 q

海洋酸化——水下定时炸弹

自工业革命以来，化石燃料（煤、石油、天然气）的大量燃烧，森林的过度垦伐和水泥等原材料的生产，使每天约7900万吨的二氧化碳被排入大气中，这些人为释放的二氧化碳约1/3被海洋所吸收，从而造成了海洋酸化现象。海洋酸化是人类过度排放二氧化碳造成全球气候变暖后又一个鲜为人知的灾难性恶果。

■ 科学家在新奥尔松的海洋实验室中通过显微镜观察到的海蝴蝶。海蝴蝶作为小型海洋生物，正日益受到海洋酸化的威胁。

6 P$ m* ~6 Z1 ]/ f! ]

这是一个新的研究领域。直到2003年，“海洋酸化”才作为术语第一次出现在英国《自然》杂志上。它主要指海水吸收大气中的二氧化碳后，发生反应形成碳酸，从而导致海水酸度增加。“海洋酸化”在字面上存在着一定的误导性，它实际上是指海水的碱度降低的趋势，即使它永远达不到酸性，只接近中性。自工业革命以来，表层海洋的pH值由8.2下降到8.1，仍然保持弱碱性。这似乎不是一个很大的变化，但pH的量值呈对数变化，pH下降了0.1个单位意味着海洋中氢离子的浓度上升了30%。微小的pH值变化会给生物体带来巨大的后果。（pH值是表示溶液酸性或碱性程度的数值。当它为7时溶液呈中性，小于7时呈酸性，值越小，酸性越强；大于7时呈碱性，值越大，碱性越强。）

4 V3 X1 N0 }" }& g/ x7 v+ u0 S; N. c

1 U, m* ^. c, q" E3 Q- Q

■ 可遥控操作的高清晰相机（ROV）可记录下北冰洋海床生物的生存细节。

" x3 W! ]" ^& \

海洋在气候变化过程中起着极其重要的调节作用，如果没有海洋对二氧化碳的吸收，目前大气中二氧化碳的浓度将更高，全球暖化现象也将更为严重。海洋酸化的加重，不仅会改变全球海洋的化学成分，使海洋长久以来维持的酸碱平衡在未来某一时刻被打破，还将使复杂脆弱且内部彼此依存的海洋生态系统面临崩溃的威胁。由于冷水比热水能够吸收更多的二氧化碳，因此，寒冷的北极受到的影响最快也最严重。真正引起科学家担忧的是海洋酸化的速度和程度。2005年，灾难突发事件专家詹姆斯·内休斯的研究发现，距今5500万年前，海洋里曾经出现过一次生物灭绝事件，罪魁祸首就是溶解到海水中的二氧化碳，估计总量达到45000亿吨，此后海洋至少花了10万年时间才恢复正常得以渡过难关。

■ 科考人员在北极用网采集浮游生物样品，以观测二氧化碳对它们的影响。

8 c& C% m! P0 _& W6 s& E

那么海洋酸化会带来哪些危害呢？大部分海洋生物在其“钙化作用”形成贝壳和骨骼的过程中需要利用碳酸钙。海水pH值减小会降低碳酸根离子的量，从而导致生物体构建这些结构变得越来越困难；由于全球变暖，从大气中吸收二氧化碳的海洋上表层也由于温度上升而密度变小，从而减弱了表层与中深层海水的物质交换，并使海洋上部混合层变薄，不利于浮游植物的生长，而这些植物是北极食物链的关键环节；海洋酸性过强，一些珊瑚钙化成礁的速度将会赶不上自然侵蚀的速度，导致珊瑚礁萎缩甚至不再生长；全球有5亿多人依靠捕鱼和水产养殖作为蛋白质摄入和经济收入的来源，海水的酸化对海洋生物的影响必然危及这些人口的生计。

2 g7 n a6 }, T

2009年8月13日，全球超过150位顶尖海洋研究人员齐聚于摩纳哥，检视海洋酸化（ocean acidification ）的最新信息，并藉由签署《摩纳哥宣言》（Monaco Declaration），对海洋酸化严重伤害全球海洋生态系统一事表达关切。该宣言指出，海水酸碱值（pH levels）的急剧变化，比过去自然改变的速度快上100倍。而海洋化学物质在近数十年的快速改变，已严重影响海洋生物、食物网，生态多样性及渔业等。该宣言旨在呼吁决策者将二氧化碳排放量稳定在安全范围内，以避免危险的气候变迁及海洋酸化等问题。

' I1 a: ~0 E- d8 L

■ 科研专家正利用综合水体测量仪（CTD）在峡湾探测。

( B) O& g( J o8 D' Y

有史以来最为全面的海洋酸化实验

2 s7 R- l' X5 S/ I, p8 r! f

夏天，北极。地球最北端——挪威北部Svalbard群岛西海岸国王湾（Kong’s fjord）地区——国际科考基地新奥尔松（Ny-Ålesund）。太阳24小时挂在天上— 极昼。每年大约有来自20个国家的科考人员在这里进行科考研究，中国于2004年7月28日在这里建立北极黄河站，是中国迄今为止在北极建立的唯一科考站。

2010年，绿色和平、德国海洋科学研究所(IFM-GEOMAR)与来自全球9个国家11个大学研究所的35位科学家，共同启动“北冰洋危机”科学考察活动并开展实验。之前进行的所有相关科学实验都是在实验室内进行的，且只研究了酸化对单个有机体的影响，而这次在自然条件下调查海洋酸化对生物群体的影响的实验，被称之为有史以来最为全面的海洋酸化实验。之所以在北极开展实验，是因为它可以充当一个指示器或征兆，预示正在发生的一些事情。研究着重于对北极食物链的调查，收集北极生物对于海洋酸化敏感性的最新科学证据。

4 `8 k; {0 L+ a1 h

+ S! q, z4 @' Q6 W1 z

■ 水质采样。

: Q% J2 q( y/ v* J/ i" M$ J2 m% ~

在所有的实验设备中最受人关注的就是9个如同大试管般叫做Mesocosm的生态实验仪器。每个Mesocosm重2吨，外层为直径2米、高5米的钢架圆柱结构，内层为可收缩的20米高的塑料薄膜，能够装入50立方米的海水。它运用隔离生态水区的手法模拟再现小型封闭水体环境下北极海域海洋生物对不同二氧化碳排放浓度的响应。这些“大试管”被投入到具有国王湾海域普遍特征的区域。该海域的平均深度为25米，大试管的投放深度为19米。因为19米已经是在当地海域极端环境下科研人员身体能够承受的极限了。实验伊始，大试管底部呈开放状态，各种海洋生物，除了大型鱼类以外，都能自由地进入。最终使得试管内的水体环境无限接近外界水域的实际情况。随后，试管底部被封闭等待进行下一步的海洋酸化模拟实验。科研人员根据二氧化碳在大气中的浓度范围，从390ppm（现在）到1250ppm（下个世纪中期），设置了9个实验梯度将其注入试管，从而代表不同水平的海洋酸化值，以模拟其对海洋生物的影响。整个实验过程中试管上部保持通风并覆盖顶棚以防止海鸟排放粪便到试管中影响海洋酸度值来确保实验精度。在随后5周的时间里，研究人员每天都从各个试管中采集样本，以此观测海水化学成分和海洋生物的变化；最后，通过对这些水样进行比较来预测不同大气二氧化碳浓度条件下海水的酸化程度，从而分析北冰洋不同海洋生物对各种海洋酸化程度的反应。实验过程中最困难的，是应对漂浮不定的海上浮冰可能对Mesocosm撞击而带来的损伤。工作人员只得不间断地观测海面状况，及时排除险情。最终，实验非常成功，不仅取得了丰富的海洋酸化对北极海域影响的科研数据，并从实验中证实了酸化会对该区域的食物链乃至整个生态系统产生一定影响的事实。

0 J: j" M4 ^. M! n& y. T( g( o' H

' p9 ?1 S4 `0 G8 e

■ 科考人员在生态实验仪器Me s o c o sm顶部附身观测。这些样本将被带回实验室以作研究。

$ Y% R% N K$ i; P: X0 ?* p, k

精彩版式呈现

7 {# R, T R8 ?/ u: x

, W1 i, K: b% G, r7 D

本文原刊载于《文明》杂志2011年01期

- N! d# y* o5 O! W & `2 f% Q) C8 H& R# L / x2 e0 M4 g9 i