煤炭形成時,地球險些變成雪球

2020-12-06 中國氣象局

中國氣象報記者 劉釗

　　提起煤炭，人們往往會想起轟鳴的巨大機器與煙囪裡冒出的黑煙。它曾經充當過為人類提供能源的主角，又因為日益嚴重的氣候變化與環境汙染，逐漸退居二線。但無論在人類社會，還是在自然界，事物往往不止扮演一種角色，珠穆朗瑪峰都曾經深藏海底，更何況經歷了數億年演變的煤炭呢？
　　波茨坦氣候影響研究所在《美國國家科學院院刊》刊發的研究指出，與現在成為全球變暖的罪魁禍首正相對應的是，3億年前，煤炭在形成之時，地球險些變成一個「雪球」。

煤炭形成示意圖。

　　3億年前，大氣二氧化碳濃度曾不足今天的四分之一
　　煤炭如何形成，至今仍是假說。最常見的解釋認為，煤炭的前身是植物，準確地說，是未及腐爛分解便埋藏於地下的植物。此後，在地下經歷漫長演化後最終形成煤炭。在整個地質年代中，有三個大的成煤期，發生在距今3億年左右的石炭紀晚期到二疊紀早期之間這次非常重要，是煙煤和無煙煤的主要來源。
　　在石炭紀，地球的陸地開始被大片森林覆蓋，許多植物生長在海陸交匯的沼澤裡，死去的植物沉入水下與空氣隔絕阻止被氧化分解，新的植物在上面生長死亡然後繼續堆積，整個過程周而復始。植物在生長過程中從大氣中吸收的二氧化碳由此被埋藏。
　　儘管有人對這一假說提出這樣那樣的異議，例如澳大利亞有700多米厚的煤層，難以理解這樣規模植物是如何被埋藏的。但研究人員證實了從石炭紀晚期到二疊紀早期，大氣中的二氧化碳大量減少。
　　最近對高解析度記錄的分析顯示，石炭紀的大氣二氧化碳濃度發生過巨大變化，最高可達700ppm，最低只有150ppm（1ppm為百萬分之一）。而到了二疊紀早期，大氣二氧化碳濃度進一步降低到了100±80ppm。作為參考，今年4月，地球大氣二氧化碳濃度為410.31ppm，是80萬年來的最高值
　　二氧化碳濃度的變化會引發氣候的劇烈改變。當濃度在40ppm左右時，全球就會被冰川籠罩。造成大氣二氧化碳濃度降低的原因很多，如地球軌道的變化、火山爆發造成的平流層氣溶膠成分變化等，但碳被大量埋藏仍是不可忽視的。
　　煤不僅是二氧化碳的收藏家，還是壟斷者
　　在應對氣候變化的諸多手段中，碳的捕獲與封存是一項很有想像力的技術。人們試圖把二氧化碳收集並儲存至安全地點，使其與空氣隔絕，如保存在水泥中，或埋藏在地下巖層裡。
　　其實，這個想法並不新奇，甚至可以說是對大自然的致敬。因為最為人們所熟知的煤炭，在其誕生時就曾高效地捕捉並封存了大量的二氧化碳。
　　人類今天開採的煤，碳含量非常高。褐煤碳含量可達60%至76.5％，煙煤碳含量為77%至92.7％，無煙煤碳含量多在90％以上，有些可達98%，而煤的整個形成過程，伴隨著一系列的化學反應，不斷增加自身的碳含量。
　　最初的階段是泥炭化，植物殘骸經過分解和化合，形成泥炭或腐泥，其中除了大量的碳，還包含水、氧、腐殖酸等。在地熱和壓力的作用下，泥炭層壓實、失水、老化、硬結，最終變成褐煤，植物中的碳被保存下來，而腐殖酸和氧則被排除出去。此後，地殼繼續下沉，褐煤在地熱和壓力的作用下，繼續壓實、失水，碳含量進一步上升，氧含量減少，腐殖酸則蕩然無存。最後，隨著地層進一步加深，地溫越來越高，煤的變質程度也隨之越來越深，碳被緊緊固定在煤炭中。
　　就這樣，由於碳被封存在地底，大氣中的二氧化碳極端減少，氣候隨之失衡，石炭紀-二疊紀大冰期隨之形成。　　
　　大冰期持續8000萬年，「南半球」冰天雪地
　　這次冰期，是自地球上大量生物出現以來至今，最大的一次冰期。全球氣溫普遍下降。最寒冷時期約為距今2.8億年至2.7億年前，全球溫度下降至少在10℃以上，南半球各陸地上普遍存在冰磧層。
　　當然，那時的南半球並不等同於現在的南半球，根據大陸漂移說，當時南半球存在一個巨大的岡瓦納古陸，包括今天的南美洲、非洲、澳大利亞、南極洲、印度半島和阿拉伯半島，以及中南歐和我國西藏的部分地區。
　　如今，人們在大洋洲的大部分地區、南美洲南部、非洲中部和南部、南極大陸邊緣和印度、我國西藏等地，廣泛發現當年冰川活動留下的痕跡。巴西聖保羅的冰川沉積的厚度超過了1000米。印度有1/3的面積被冰川覆蓋。如今遍布炎熱沙漠的澳大利亞，在二疊紀初期可能有一半的面積是冰蓋。
　　今天，人們回過頭來，可以看到因煤的形成導致的二氧化碳濃度變化，曾在地球上留下了多麼深刻的印記。當然，人們也不難聯想到，自工業革命以來，這些煤的燃燒又將引發多麼巨大的改變。

（來源：《中國氣象報》2018年6月8日四版 責任編輯：王美麗）
　　

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