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科學講堂:碳循環「上天下海」影響廣

2016-11-09
■人類砍伐林木對生態造成嚴重破壞。 網上圖片■人類砍伐林木對生態造成嚴重破壞。 網上圖片

「圈」轉「圈」形態各異 兼具物理化學生物層面

碳在地圈(geosphere)、生物圈(biosphere)及大氣層(atmosphere)中,扮演不同的角色,並以不同的形態,從一圈轉到另一圈,形成碳循環(carbon cycle)。

以光合作用帶入陸地及海洋生物圈

大氣中的碳主要呈兩種形態:二氧化碳(carbon dioxide)及甲烷(methane),它們是溫室氣體,會吸收及保存熱力。透過光合作用(photosynthesis),二氧化碳離開大氣層,並進入陸地及海洋生物圈。空氣中的二氧化碳亦會溶解於海洋、湖泊及河流的表面,與水分子形成碳酸(carbonic acid)。岩石中的碳酸鈣(calcium carbonate)或是矽酸鹽礦物(silicate minerals)均會與碳酸產生化學作用,一般稱為風化侵蝕(weathering),此一現象亦讓碳走進岩石圈中。

陸地沖落海 燃煤伐木「升天」

每個生物圈內儲存碳的形式均不一樣,在陸地生物圈(terrestrial biosphere)內的碳儲存於動物、植物及泥土中。碳分子是維持地球上生命的主要成分,我們身體內的肌肉、脂肪、植物的纖維(cellulose)全由碳所組成。

就算動植物死去,碳仍然留在當中。約有5,000億噸的碳儲存於動植物體內,而泥土內則有15,000億噸的碳。大多數於陸地生物圈內的碳為有機碳,而有三分之一於泥土的碳為無機的,如碳酸鈣(即石灰石或大理石)。

碳儲於泥土中可長達數千年,它們可能會被沖洗到海洋中。另一方面,氣溫上升亦會加快二氧化碳離開泥土進入大氣層,但大氣層中更多的二氧化碳亦會使溫度上升。而人類活動如燃燒化石燃料(即煤、石油及天然氣等)及砍伐林木(deforestation)等,亦會把儲存於陸地生物圈的碳直接轉化到大氣層。

海水平衡溫度 過酸影響生態

海洋表面蘊含大量溶解了的無機碳,包括二氧化碳、碳酸氫離子及碳酸離子,有助平衡地球溫度。然而,自從工業革命後,人類的活動大大改變了碳循環,並直接增加大氣層的碳含量,故此,海洋把二氧化碳吸收這項功能變得十分重要。

二氧化碳溶解於海水的速度取決於不同因素,包括岩石的風化現象。風化現象有助吸收大氣中的二氧化碳,但此現象的速度比溫室氣體的排放更慢,故此,海洋需吸收更多的二氧化碳。海水中過多二氧化碳亦會令海洋的酸鹼度下降,酸性環境亦對海洋生態有負面影響。

小 結

碳循環對維持生命十分重要,人類、陸地及海洋的生物、大氣層及岩石均在當中扮演不同的角色。科學常被分類為物理、化學、生物,其實三者關係密不可分,在碳循環中,碳的形式不斷改變,是為物理及化學改變。而這種改變,亦會影響生物的活動,甚至生存。如果只學習3個學科之一,就難以綜觀全圖。 ■吳俊熙博士

作者簡介:畢業於加州大學洛杉磯分校(UCLA),曾任教於加州的州立大學及香港大學,現於洛杉磯Pierce College化學系任助理教授。讀者可通過www.facebook.com/drbennyng聯繫作者。

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