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暖化的科學(四):失控的碳循環?

107/03/08 瀏覽次數 15822

來看看我們平常熟知的碳吧!像是日常生活中,家家戶戶常用的天然氣瓦斯桶,其中有含碳的甲烷;另外,世界各國正討論得沸沸揚揚的溫室效應,也說是身為溫室氣體之一的二氧化碳搞的鬼。聽來聽去,怎麼好像生活周遭大小事都與「碳」這個字息息相關?

 

其實,碳是組成生命的重要元素,雖然與我們的生活是形影不離,但通常不會單獨存在,而是會以不同形式的化合物(與其他元素結合)存在。有機物中的碳以碳水化合物居多,像是動物從植物獲取養分的果糖、蔗糖、澱粉等都是碳水化合物。碳存在生活中的各個角落,但不會逗留在一處,而是會「跑來跑去」,像水循環一樣有自己的循環機制,稱為「碳循環」。

 

何謂碳循環?

 

這麼聽起來,「碳」似乎也是喜歡到旅行的背包客?沒錯!碳元素能在生物的作用下,於大自然中各個儲存庫(大氣層、海洋、地殼、生物體)之間不斷發生物理、化學、生物和地質相互反應的過程,在不同型態間來回「切換」,最後行程完整的循環,並且流動不息,這就是所謂的「碳循環」。

 

舉例來說:最初在大氣中的碳經過植物的吸收固定後進入食物鏈,當動物攝取了植物,葉上的碳分子就進入到動物體內;而且不管是動物還是植物皆會進行呼吸作用而產生二氧化碳,於是碳又回歸到大氣中。除此之外,生物死亡後的遺體也會被微生物分解然後釋出二氧化碳,遺體剩下的碳會歷經沉積作用,多年後成為煤炭或石油,最後被人類當作化石燃料來使用,產生的二氧化碳又回到大氣中。

 
植披是碳循環的一個重要因子。植物本身會進行光合作用與呼吸作用,而葉子的含碳分子會進入動物體內,生物死亡後的遺體也會在地底被微生物分解。(圖/Unsplash)植披是碳循環的一個重要因子。植物本身會進行光合作用與呼吸作用,而葉子的含碳分子會進入動物體內,生物死亡後的遺體也會在地底被微生物分解。(圖/Unsplash)

 

其實,在工業化之前,陸地生態系統每年通過光合作用固定的碳元素,和通過呼吸作用返回到大氣中的碳元素,大致是保持平衡的狀態;工業革命後,大量燃燒化石燃料,等於二氧化碳從地底下被釋放到大氣中,所以溫室氣體濃度增加,導致溫室效應日趨嚴重。

 

碳循環的方式會依場域不同而有所差異,主要可分為三種:

  1. 「陸地與大氣」之間的交換:指的是陸地上的生物透過呼吸作用和光合作用,使二氧化碳有所循環。
  2. 「大氣和海洋」間的交換:可以透過海洋中的浮游生物進行呼吸作用、光合作用,也能藉由因為生物作用而形成的碳酸鈣沉澱配合深海的溶解作用,還有二氧化碳對水的溶解與揮發等作用,使碳在海洋及大氣間循環。
  3. 「火山作用」:火山作用會釋出二氧化碳。

 

這三種主要途徑,便是原先自然界運行的碳循環。我們認識了碳循環的三種差異後,有沒有覺得碳真的是在生活中與我們形影不離呢?但我們卻不曾留意過他的存在呢!

 

碳匯示意圖。碳匯指的是清除碳的過程與機制,途中的二氧化碳先被光合作作用被植物給吸收,再來分解進入土壤,再來礦化後分布在土壤中或回到大氣。(圖/Printerest,經撰稿團隊修改)碳匯示意圖。碳匯指的是清除碳的過程與機制,途中的二氧化碳先被光合作作用被植物給吸收,再來分解進入土壤,再來礦化後分布在土壤中或回到大氣。(圖/Printerest,經撰稿團隊修改)

 

「碳源」與「碳匯」

 

碳循環也可以分成兩部分,「碳源」與「碳匯」,二氧化碳都是在兩者中佔最多的。「碳源」就是指大氣中碳的來源,也就是自然界中將碳釋放到大氣中的源頭,像是生物的呼吸作用與動植物遺體被分解,以及現今工業中燃燒化石燃料,都是碳源的形式,而這種形式所排出的碳,以二氧化碳為主;還有人類為了開發土地進行綠地及熱帶雨林的砍伐,讓原本幾十年來都待在大自然植被的二氧化碳釋放到大氣中。

 

根據林務局的資料顯示,全球每年約有70億公噸的碳,相當於1千8百萬座台北大安森林公園1年的碳吸收量(389公噸),因為人類活動而釋放到大氣中,這些都是為「碳源」。

 

而「碳匯」是指從空氣中清除二氧化碳的過程、活動和機制,讓二氧化碳暫時或長期留在吸收體中,所以吸收體中的碳匯聚物會儲存不同形式的碳,等於具備吸收大氣中二氧化碳的能力。例如森林與其他綠色植物,甚至是海底的碳酸鈣,對大氣中的碳都是有捕捉、吸收和儲存的功能,是為「碳匯」。

 

根據林務局的網路資料顯示,每年全球的海洋可沉積20億噸的碳,而全球的森林總共可以吸收約5億噸的碳,台灣的森林每年可吸收大氣中約4.56百萬公噸的碳。因此,碳元素就在「源」與「匯」的過程中,移動到不同的「儲存庫」,進而形成循環。

 
碳元素在自然中各個儲存庫因不同的作用,而有不同型態的轉換,產生循環(圖/世新大學「二氧化碳與能源發展科普推廣計畫」製作)碳元素在自然中各個儲存庫因不同的作用,而有不同型態的轉換,產生循環(圖/世新大學「二氧化碳與能源發展科普推廣計畫」製作)
 

燃燒化石燃料 造成異常的碳循環

 

台灣有句諺語;「人無照天理,天無照甲子。」自古人們觀察大自然週而復始的變化,認為自然界規律的運作,有一定的系統循環。而今卻因人類肆無忌憚的開發,碳循環卻出現了異常,衍生出全世界環環相扣的問題。

 

原本在大自然中的碳循環,每個碳儲存庫之間的碳交換大致上是平衡的,而大氣中的二氧化碳濃度也穩定,但是經過人類活動的影響,使得全球的碳循環遭到破壞,嚴重改變了碳循環的過程:幾億年前地球在岩石圈中儲存下相對穩定的化石燃料,難以和其他碳儲存庫發生作用,但是人類把它們從底下挖出來燒掉,短時間內加速了它們和其他碳儲存庫之間的交換。

 

根據聯合國國際氣候變化專門委員(簡稱IPCC)在2013年發表的報告說明,工業革命後,人類活動使用的化石燃料增加3,650億噸,而地表植被的碳含量減少了300億噸,從地表或地層減少的碳被釋放到大氣和海洋中,因此大氣中的碳含量增加了2,400億噸,海水含碳量增加1,550億噸,增加的幅度大約為41%。

 

因為人為的影響,導致碳循環受到干擾,而讓大氣中的溫室氣體濃度飆增,致使溫室效應如此嚴重。為了力挽狂瀾,各國在1992年簽署了「聯合國氣候變化綱要公約」,在公約中提出「減緩」和「調適」兩個策略。

 

「減緩」指的是減少溫室氣體的排放,或者以封存、捕獲、再利用的方式來降低大氣中溫室氣體的含量。「調適」的目的是在得知氣候變遷的衝擊已無法避免的狀況下,該思考會有哪些天災發生,並對這些災害做出相對應的防範措施,或者選擇優先投入哪個資源的保護。

 

雖然有學者指出就算對大氣中的二氧化碳能有效控管,但全球平均溫度仍然會持續增溫至少兩百年,這樣說雖然讓人感到無助,但亡羊補牢,猶未遲也,這樣的警訊更是要讓我們提高警覺,盡快思考該如何應對接下來的環境衝擊,以便做出適當的調適。

 
  

審校:沈建豪

資料來源
  • 科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊
  • 原標題:暖化的科學(4):碳循環
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