Only Perception: 在海中加鐵能對抗暖化？答案沒這麼簡單

2009-05-08

在海中加鐵能對抗暖化？答案沒這麼簡單

Ocean carbon: A dent in the iron hypothesis
http://www.physorg.com/news160833920.html

May 6th, 2009

來自於美國能源部 LBNL 的海洋學家 Jim Bishop 與 Todd Wood 使用Carbon Explorer 浮桶（float）的資料（那深潛海中日以繼夜收集資料剛好超過一年）來測量碳顆粒的命運，這些顆粒源自在南極海（Southern Ocean，譯註：又稱南冰洋）繁盛生長的浮游生物（plankton blooms）。他們的研究揭露，這些源自浮游生物大量繁殖所產生的碳，絕大部份都不曾抵達海洋深處。

這項驚人發現打擊到鐵假說（Iron Hypothesis，譯註詳見《科學人》報導：http://sa.ylib.com/read/readshow.asp?FDocNo=122&DocNo=194）的最簡單版本，它的擁護者認為藉由在鐵貧乏但富含其他養分（如氮、矽與磷）的區域以鐵為浮游生物「施肥」，能夠減緩或甚至逆轉全球暖化。南極海正是此類區域中最重要的其中一個。

"只把鐵加入海中仍未經證明是一種儲存大氣碳的好計畫，" Bishop 說，柏克萊實驗室地球科學部門的成員，通時也是 UCB 地球與行星科學教授。"所盤算的是，那些碳可以抵達海洋深處，不過那些束縛在繁盛浮游生物上的碳顯然沒有下沈的非常快或非常遠。"

這些理由，雖然複雜，最有可能是由於浮游動物的季節性進食行為，而更具體的是黑暗的南極冬季對於動植物生長的效應，以及冬季暴風雨將海洋表面與深處的水進行混合。在春天茂盛生長的浮游植物也許指出，對於碳沈降（sedimentation）不可或缺的許多浮游動物族群，已在冬季期間餓死。

涉及這項研究的 Carbon Explorers 在 2002 年一月發射，成為 Southern Ocean Iron Experiment (SOFeX) 的一部份，那是一項由來自於 Moss Landing Marine Laboratory 以及 Monterey Bay Aquarium Research Institute 之科學家所領導的共同研究。SOFeX 意欲在南極洲夏季期間於紐西蘭與南極洲之間測試鐵假說。Berkeley Lab Carbon Explorers 原先要在 60 天內監測鐵施肥（iron-fertilization）實驗，不過它們在整個南極秋季與冬季，持續以衛星來報告，並持續到下一年。

"如果自主的 Carbon Explorer 浮桶沒有在該實驗原本的鐵訊號消失之後，每天花 24 小時、每週七日在深達 800 公尺或以上的深度記錄資料超過一年，我們將永遠無法得到如此驚人的觀察，" Bishop 說。

他解釋，"關於生物幫浦（biological pump -- 海洋生物循環碳的方法）的假設，絕大部份都基於在船上進行的、不定時的平均測量。成本，更別提環境了，使得基於船隻的持續測量在此例中成為不可能任務。幸運的是每個 Carbon Explorer 浮桶的成本只跟行船一日所需費用一樣多。"

Bishop 與 Wood 將他們的結果發表在接下來一期的 Global Biogeochemical Cycles。（後面略譯）

鐵假說，科學與思索（speculation，另一種意思是投機）

鐵假說由 Moss Landing Marine Laboratories 的 John Martin 在 1980 年代提出（他在 1993 年逝世），那提議將鐵加入所謂的 HNLC（高養分、低葉綠素）區域可刺激浮游生物生長。Martin 之後更進一步表示，對海洋進行人為的鐵施肥甚至能夠改變氣候。「給我半個油輪的鐵，我將給你冰河時期」，他在 1988 年如此吹噓。

在試驗鐵假說的過程中 SOFeX 的研究者發現事情沒這麼簡單，而且關鍵問題並非浮游生物繁盛與否（這經證明的確如此），而是那些被它們所捕捉的碳是否會沈降到深海。

SOFeX 研究船隊在南緯 55 與 66 度兩處 HNLC 區域進行施肥與測量。Carbon Explorers 放入這兩個區域，第三個 Carbon Explorers 則放在南緯 55 度的施肥區之外，當作對照組。該團隊的科學家則利用衛星與這些浮桶進行通訊。

問題之一是 55 度矽酸鹽較貧乏區域是否允許矽藻這種浮游生物形成矽骨骼。如果大型矽藻無法在這個 HNLC 區域生長，SOFeX 研究者提出理論指出，強化的碳沈降將不會發生。在部份上由於這個理由，船隊絕大部份的心力都放在南緯 66 度那處，在此矽並非限制因素。

讓研究者訝異的是，施鐵的 55 度區域形成各種繁生的浮游生物。這個鐵施肥區域被稱為 North Patch，而 Carbon Explorers 在整個南極夏季都在浮沈追蹤這個繁生處的碳沈降。初步結果發表於 2004 年四月的 Science，似乎以一種意料之外的方式支持了鐵假說。

不過 Carbon Explorers 在六十天之後並未停滯。這二個 North Patch 浮桶（一個是對照組）運作超過 14 個月，在世上暴風雨最多的水域下潛記錄、上浮回報資料，並在最後靜靜下沈之前幾乎行遍整個南美洲。而南緯 66 度的則持續 18 個月，在它第一個冬季裡，都待在 800 公尺深的水域記錄，然後以每週為間隔上浮回報資料，雖然有時候因為突然遇到海冰而受阻。Carbon Explorer 都累積起來等待分析。

重回南極海

在 2007 年 Bishop 與 Lam（現於 Woods Hole Oceanographic Institution）發表來自於船側儀器的測量，那在 SOFeX 期間部署，那指出浮游生物繁生將碳送到深海的美好景象（rosy picture）從此不再這麼簡單。抵達深海的碳部份靠的是粒子的大小與重量；更重要的是，很少微粒物質抵達深處，在那裡生質（biomass，例如浮游植物）最高。

"這篇論文因為是基於有限的船側觀測而受到批評，" Bishop 說。"所以 Todd Wood 和我轉向 Carbon Explorers 記錄中，幾乎是持續性觀察的珍藏物。"

Carbon Explorers 的記錄不僅以更多細節證明有限的船側觀察，而且還開啟一幅更加複雜的南極海生物圖像。

66 度的 Carbon Explorer 記錄資料之前不曾被注意或報告。在 SOFeX 期間，該浮桶測量到一處富含有機碳微粒之浮游生物繁生的死亡。微粒碳濃度在永夜與海冰開始形成時劇減，而在恢復光明與冰融化後再度溫和增加。強烈沈降 -- 大量的碳粒子下沈到深海 -- 不曾被觀察到。

來自 55 度浮桶的資料製造出一幅驚人圖像。如上所提，在鐵施肥區發射的稱為 55A，在立即鐵施肥之後記錄到持久的繁生，以及到 100 公尺的沈降。值得注意的是，55A 在隔年春天的同樣區域中記錄到相等強度的繁生 -- 這時間遠在 SOFeX 的鐵消失之後 -- 同時也有相等強度的沈降至 100 公尺。

雖然身為對照組的 55C 一如預期並沒看見繁生，不過更大的驚奇在深處出現：一場有機碳微粒雨在下面 800 公尺處落下。Carbon Explorer 55C 在沒有浮游生物繁生的區域下方所測量到的沈降比 55A 浮桶在繁生處下方所測量到的還要大。

為了解釋這種「高生質，低輸出」，研究者考慮了許多點子。或許是洋流剪力讓浮游生物繁生與沈降一刀兩斷；或許是那裡有 Carbon Explorers 無法觀測的有機碳「大型罕見顆粒」（譯註：說難聽就是浮游動物的排泄物）；又或許是表面與深處水域在冬季暴風雨期間的混合差異，那時暴風雨使隱退的鐵回到表面。前二個假說遭拒，而第三個，若為真，將暗示鐵所刺激的繁生仍導致在公里深處的碳沈降減少。

第四種假說，考慮到照明條件，那激勵或限制微小植物與浮游動物的生長，看起來最有說服力。南緯 55 度的緯度夠低，足使一整年都有光線進入水中（雖然冬季減少很多）。但近表面與深處水域之間的混合能把浮游植物帶往太深處（沒了光線，在臨界深度之下）以致於無法生長。在 Explorers 運作緯度的暴風雨惡名昭彰，在冬季時刻，混合層可抵達 400 或 500 公尺深。

為了渡過冬季，浮游動物得要待在深處，不過那裡太黑，浮游植物無法存活。暴風雨以及混合使得浮游動物可以過活。Bishop 表示問題在於這種「升降機」是空是滿。

當混合持續低於臨界濃度，浮游植物被帶離光線而無法存生長。升降機空了，浮游動物餓死。當混合於春季停止，迅速生長的浮游植物反彈，不過這裡沒有足夠的倖存浮游動物族群跟上這種生長並導致繁生，而其他浮游動物所依賴的沈降碳粒子生產也比較少。當物質下沈時由於較少動物攔截，因此 Carbon Explorer 55A 在上面繁生的深海底下觀察到較低的碳輸出。

頻頻深度混合會餓死浮游動物，但如果這混合規律性中斷，更多浮游植物會在冬季生長，以供應在深處「潛水的（lurking）」浮游動物。在 Carbon Explorer 55C 渡過冬天的區域裡，暴風雨時有時無，而在 400 公尺深的混合以每日為基礎被中斷。當浮游植物於春天開始生長，健康的浮游動物就準備「割草」，而來自於浮游動物的碳沈降也增加。

Bishop 表示，這些觀測指出重要的教訓：「鐵並非決定浮游植物在 HNLC 區域生長的唯一因素。光、混合與飢餓的浮游動物，在根本上都跟鐵一樣重要。」

鐵假說並沒有錯，不過比平常的陳述的更難以捉摸。要使得碳沈降達到最大話，得要有正確的、鐵與其他微量養分的「處方」，讓正確的浮游植物生長。Bishop 表示，你可以種一堆球芽甘藍（Brussels sprouts，抱子甘藍），不過小孩不會想吃它。矽藻類浮游植物與浮游動物也是一個樣。是「浮游動物」群落決定了碳沈降。

這項新研究的其他二個重要教訓是：在相似環境中部署二個 Carbon Explorers 得以觀察到上述這些微妙且結果截然不同的差異。一堆便宜的 Carbon Explorers 浮桶足以小兵立大功，並將回答一些現在無法回答的問題，例如：海洋能吸收多少大氣層中的碳？對於我們的過量排放，海洋可以吸收多久？最重要的是，這種生物「碳幫浦」如何回應海洋環境的變化。

※ 相關報導：

＊ Year-round observations of carbon biomass and flux variability in the Southern Ocean
http://dx.doi.org/10.1029/2008GB003206 （論文尚未出版）

Bishop, J. K. B., and T. J. Wood (2009)
Global Biogeochem. Cycles, accepted 17 March 2009
doi: 10.1029/2008GB003206

＊ Increasing carbon dioxide and decreasing oxygen make it harder for deep-sea animals to 'breathe'
http://www.physorg.com/news159200016.html

海洋二氧化碳增加，導致深海動物難以呼吸。New calculations made by marine chemists from the Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) suggest that low-oxygen "dead zones" in the ocean could expand significantly over the next century. These predictions are based on the fact that, as more and more carbon dioxide dissolves from the atmosphere into the ocean, marine animals will need more oxygen to survive.

＊ Limits to Marine Life
http://www.sciencemag.org/cgi/content/summary/sci;324/5925/347