Chapter 7

Ocean Biogeochemistry海洋生物地球化学

Outline

• 基本概念

• 海-气界面的气体交换

• 海洋C循环

• 海洋排放的DMS

• 海洋排放的N2O

Basic Concepts

• 三种最主要的影响气候的海洋化学物质

• CO2：最主要的温室气体，海洋是C库

• DMS(硫酸盐气溶胶)：散射太阳辐射、并充当CCN影响成云，对气候总体cooling作用

• N2O：主要温室气体，参与破坏平流层臭氧，对气候总体warming

Basic Concepts

Flux 界面通量

Source/Sink 源/汇

SMS 源-汇

Reservoir 储库

tau 更替周期（弛豫时间、滞留时间）

Air-sea Interface

海气界面边界层有几十个微米厚

活塞速度Piston Velocity

𝐹𝑙𝑢𝑥 = −𝐷𝜕𝐶

𝜕𝑧

=𝐷

∆𝑧𝐶𝑤 − 𝐶𝑠𝑎𝑡

=𝐷

∆𝑧𝐶𝑤 − 𝛼𝑝𝑎

Henry’s Law𝛼𝑝𝑎 = 𝐶𝑠𝑎𝑡

= 𝒌𝒘 𝐶𝑤 − 𝛼𝑝𝑎

界面通量Fick’s Law

气体溶解度

活塞速度典型值：15cm/hr (4m/day)

分子扩散系数 (1.5e-5 cm2/sec)

海表混合层的平衡浓度

活塞模型下的海洋混合层平衡浓度

海洋混合层深度 (80m)

海洋混合层tau = ~20 days

𝜕𝐶𝑤

𝜕𝑡=

𝑘𝑤

𝑧𝑚𝑙𝐶𝑠𝑎𝑡 − 𝐶𝑤

工业革命以来海洋总共吸收了人类排放CO2的85%

几个基本事实

• 与其它大气组分不同，海洋溶解CO2是大气的60倍

• Reason 1:CO2比同分子量的平均可溶性高30倍（气体分子可溶性随分子量增加）

• Reason 2:更主要的原因是CO2具有与水具有化学活性（海洋溶解的纯气体CO2只占0.5%）

• Reason 3:海洋溶解CO2的能力受海洋生物过程(two pumps)影响，这进一步加强了海洋吸收CO2的能力

海洋C循环

生物钙化过程 藻类光化过程(CH2O)106(NH3)16(H3PO4)

很少 (<4%)

海气界面CO2交换：𝜕[𝐷𝐼𝐶]

𝜕𝑡=

𝑘𝑤

𝑧𝑚𝑙[𝐶𝑂2]𝑠𝑎𝑡−[𝐶𝑂2]𝑤

Soft Pump：有机C路径

叶绿素

阿根廷马岛周边大西洋海域浮游生物生产的叶绿素

2015年6月8日（国际海洋日）南美洲大西洋沿岸的浮游生物生产的叶绿素

叶绿素的生成需要N参与

Hard Pump：无机C路径

海洋生物的外骨骼以CaCO3形式沉入海底，在高压作

用下碎裂、分解，少部分溶解回离子形式，大部分以固体形式存于海底

DMS对云的影响January July

DMS

Cloud

Cover

大气中的DMS几乎全部来自于海洋，作为CCN影响大气成云过程

海洋排放的N2O

海洋富氧层1km

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• 基本概念

• 海-气界面的气体交换

• 海洋C循环

• 海洋排放的DMS

• 海洋排放的N2O

• 阅读作业：Chapter 8Marine BiogeochemistryRaymond G. Najjar