地球科学原理之三十六 二氧化碳与温室效应和冰川的形成

作者：廖永岩 编辑：探矿者
随着全球变化的深入研究，学术界认识到二氧化碳温室效应对全球气候影响的重要性。二氧化碳等温室气体浓度上升，温室效应增强，大气温度升高，引起冰川消融；二氧化碳等温室气体浓度降低，温室效应减弱，大气温度降低，当两极及高山上的温度降至冰点以下时，造成冰川的形成（Kirschvink, 1992; Hoffman, 1998）。
一般认为，大气中的二氧化碳，主要是通过地球排气作用而产生（Ozima and Podosek, 1983; Berner, et. al., 1983）。所以，地球上的二氧化碳是随着时间的推移，在不断增加。 23.5亿年前，大气几乎全由CO2和N2组成，其它组分只属微量（Krupp, et. al., 1994）；22~27.5亿年间古大气CO2含量约为今天的100倍（Rye, et. al., 1995）。
但是，从太古宙至今，二氧化碳浓度不仅没有增加，反而在逐渐减少，最后导致了冰川的形成（Kirschvink, 1992; Hoffman, 1998; Berner，et. al., 1983; Donnadieu, et. al., 2004）。 那么，是什么原因使二氧化碳的浓度降低的呢？
我们知道，引起二氧化碳减少的原因，主要有两个：一个原因如下式所示，

这说明，是植物的光合作用，将二氧化碳转化为有机物（或矿物有机物），并放出氧气（曹宗巽和吴相钰，1979）。
虽然地球上的活有机物量有限，但地球上的干酪根量达1.5×107 Gt算（Falkowski, et. al., 2000）。根据已有（地球科学原理之30 有机碳沉积对地球的作用：http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=228181）的计算，形成1.5×107 Gt干酪根，实际消耗的有机物为2.85×107 Gt。这说明，植物的光合作用的确能造成二氧化碳浓度的一定下降。
另一个原因是二氧化碳形成碳酸盐岩而沉淀。 当最早的绿色植物于35亿年前出现时，地壳才有碳酸盐岩沉淀（张昀，1998）。至今，已有6.5×107 Gt碳酸盐岩沉积（Schlesinger, 1997）。这说明碳酸盐岩沉淀是随着绿色植物光合作用而开始的，是由于光合作用直接或间接引起的沉淀：地球刚形成时的表面，由于大量的二氧化碳，及其它酸性物质的存在，pH很低，这种环境是不可能有碳酸盐岩沉淀的；光合作用，吸收大量的二氧化碳，使pH升高。在一定pH值下，若海洋中二氧化碳达饱和，进行强烈的光合作用时，使下式反应向右进行，

从而产生白色的CaCO3沉淀。
从以上看出，二氧化碳的变化，主要由绿色植物的光合作用直接或间接引起：植物的大量繁殖，由于光合作用大量消耗二氧化碳，直接造成二氧化碳浓度的降低；同时，由于光合作用，使pH升高，造成大量二氧化碳以碳酸盐岩的形式沉淀，间接引起二氧化碳浓度的降低。
二氧化碳的光合作用补偿点为0.005~0.01%(不同的植物，补偿点有区别，现大气的二氧化碳浓度为0.035%)（Berner, et. al., 1983）。也就是说，只有当大气二氧化碳的浓度低于0.005~0.01%时，绿色植物才不会再吸收大气中的二氧化碳进行光合作用。若大量的绿色植物进行光合作用，在光合作用的直接和间接作用下，经过漫长的时间，大气中的二氧化碳逐渐降低，最后直接逼近0.005~0.01%或低于0.005~0.01%时，二氧化碳的温室效应已相当低了。一旦二氧化碳的温室效应相当低，大气的温度就会不断下降。当两极的温度降至0℃以下时，就造成冰川的形成。
从以上分析可见，由于植物的光合作用，从两个方面强烈影响二氧化碳等温室气体浓度。当某一个时间，地球上有大量植物强烈进行光合作用时，地球上的二氧化碳就有可能急剧下降，就有可能形成冰川。那么，地球上的每一次冰川是怎么形成的？各又是哪些植物在起作用？且听下回分解。
未完，待续。
下回预告：地球科学原理之37  新元古宙以前冰川期的形成
参考文献：
曹宗巽，吴相钰. 植物生理学，北京：高等教育出版社.1979. 31-125
张昀. 生物进化. 北京：北京大学出版社, 1998, 41-99
Berner R A， et al. The carbonate －silicate geochemical cycle and its effect on atmospheric CO2 over the past 100 million years. American Jour Science, 1983, 283: 641-683
Donnadieu Y, Goddéris Y, Ramstein G, Nédélec A， Meert J. A 'snowball Earth' climate triggered by continental break-up through changes in runoff. Nature, 2004, 428: 303 - 306
Falkowski P et al. The global carbon cycle: A test of our knowledge of earth as a system. Science, 2000, 290: 291-296Hoffman P F. The break-up of Rocinia, birth of Gondwana, true polar wander and the snowball Earth[J]. Journal of African Earth Science, 1998, 28: 17-33
Kirschvink J L. Late Proterozoic low-altitude global glaceation: the snowball Earth [A] .Schopf J W, Klein C. The Proterozoic Biosphere[M]. London: Cambridge University Press, 1992, 51-52
Krupp R, et al. The Early Precambrian atmosphere and hydrosphere; Thermodynamic constraints from mineral deposits. Econ Geol, 1994, 98: 1581-1598
Ozima M, Podosek F A. Noble gas geochemistry. Cambridge: Cambridge University Press. 1983. 1-36
Schlesinger W. H. Biogeochemistry(2nd edition).Academic Press,1997
（注：本“地球科学原理”系列，是根据廖永岩著，海洋出版社（2007年5月）出版的《地球科学原理》一书改编而来，转载者请署明出处，请不要用于商业用途）
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