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為什么要關(guān)注地球上的碳？因?yàn)樘紵o(wú)處不在，不可或缺，又神秘莫測(cè)。在一顆碳行星上，碳貫穿著生命的始終，沒(méi)有任何其他元素對(duì)我們這些碳基生物如此重要。地球從哪里來(lái)的，最終會(huì)變成什么樣？該怎樣應(yīng)對(duì)全球氣候變化？碳科學(xué)或?qū)槿祟?lèi)的一些重大問(wèn)題提供答案。從某種意義上說(shuō)，碳的故事就是一切的故事。

本文節(jié)選自《碳如何玩轉(zhuǎn)地球》（江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社2022年7月版），標(biāo)題、插圖為編輯所加，有刪節(jié)。

撰文 | 羅伯特·哈森（Robert M. Hazen）

翻譯 | 董漢文、曾令森（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所）

徒步在意大利中部曼齊亞納卡爾達(dá)拉（Caldara di Manziana）布滿田園風(fēng)光的群山之間，四周森林和鮮花環(huán)繞，鳥(niǎo)兒的歌唱不絕于耳。你萬(wàn)萬(wàn)想不到，在這里能見(jiàn)到印有骷髏頭和交叉骨圖案的死亡警告標(biāo)志牌。它所預(yù)警的是什么呢？帶電圍欄、靶場(chǎng)，還是周?chē)行艹鰶](méi)？

接著你會(huì)來(lái)到一個(gè)小山谷，這是一片毫無(wú)生氣的洼地，光禿禿的土壤與青翠的高地形成了鮮明對(duì)比。這到底是怎么回事？

原來(lái)這都是二氧化碳搞的鬼。它從地下滲出，無(wú)色無(wú)味，比普通空氣重，因此它會(huì)沉到地面，填滿最低的洼地。在清風(fēng)吹拂的日子里，這無(wú)關(guān)緊要，地表的氣流會(huì)被迅速驅(qū)散。但在沒(méi)有風(fēng)的日子里，密度更高的二氧化碳會(huì)取代可供呼吸的空氣，引發(fā)致命的危險(xiǎn)。獵人們是最常見(jiàn)的受害者，他們的狗貼地行走，會(huì)先面臨窒息，如果這時(shí)獵人急忙沖向他的愛(ài)犬，不顧危險(xiǎn)地跪在狗身邊，他也會(huì)因此受難。

碳在循環(huán)

碳是移動(dòng)的。作為變化的洋殼的一部分，碳從陽(yáng)光照射的地表俯沖進(jìn)地球深部；作為深部地幔流體的重要組成部分，碳可以從土壤中滲出，也可以從活火山中噴出。碳原子以固體巖石為載體從海洋和空氣中沉淀出來(lái)，在經(jīng)歷風(fēng)化作用后，又從固體巖石回到海洋和空氣中。碳原子一旦被釋放，就會(huì)跟隨宏大的洋流環(huán)繞地球，并借助變幻莫測(cè)的氣流到達(dá)世界各地。一直以來(lái)，從微生物到植物，再到人類(lèi)，活細(xì)胞使用和再利用碳原子的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)非生命世界中碳循環(huán)的速度。

當(dāng)熾熱的含碳巖漿從深處上涌時(shí)，二氧化碳會(huì)隨著火山噴發(fā)被一起帶出（正如前面提到的，在意大利的某些山區(qū)，偶爾會(huì)有獵人和獵狗因二氧化碳窒息而死）。巖漿在上涌的過(guò)程中，會(huì)影響碳酸鹽礦物的巖層，使它們?cè)诟邷叵路纸?，將地幔和地殼中的二氧化碳混在一起?/p>

上述這些都是宏大的地球碳循環(huán)的一部分，這個(gè)循環(huán)過(guò)程創(chuàng)造了大氣，并對(duì)大氣進(jìn)行著補(bǔ)充。

地球上所有的化學(xué)元素都會(huì)經(jīng)歷循環(huán)，碳也不例外。碳循環(huán)是入門(mén)教科書(shū)和科普網(wǎng)站的重要內(nèi)容，這些介紹往往包括碳原子的各種儲(chǔ)庫(kù)以及碳原子在這些儲(chǔ)庫(kù)之間的運(yùn)動(dòng)。在YouTube 上搜索“碳循環(huán)圖像”，搜索結(jié)果會(huì)顯示海洋和大氣、石灰?guī)r和化石燃料、動(dòng)物和植物，所有這些內(nèi)容都帶有小箭頭，指示碳是如何從一個(gè)儲(chǔ)庫(kù)移動(dòng)到另一個(gè)儲(chǔ)庫(kù)的。一些圖表還添加了冒煙的火山，暗示了更深層的過(guò)程，但地球深部的碳作為大氣的根本來(lái)源，卻很少被詳細(xì)考慮。

深部碳被忽視的原因很好理解，相對(duì)于地球表層附近快速的碳循環(huán)，深部碳循環(huán)顯得非常緩慢。一個(gè)碳原子從進(jìn)入地球深處到返回地表需要數(shù)百萬(wàn)年的時(shí)間，這個(gè)過(guò)程的細(xì)節(jié)在很大程度上是隱秘而不確定的。沒(méi)有人知道地球深部有多少碳，我們也不確定那里的碳有哪些不同形式。

我們可以確定的是，全球碳循環(huán)一定是從大氣到地球深部再返回大氣的過(guò)程。鋪在海洋底部的黑色玄武巖和其他巖石冰冷、致密，比下面熱而軟的地幔還致密。在重力作用下，巨大的洋殼板塊攜帶著富含碳酸鹽礦物的沉積物、玄武巖層以及正在分解的生物殘骸，一起向下俯沖數(shù)百英里。這個(gè)過(guò)程不可阻擋，碳從地表“越陷越深”，進(jìn)入我們難以觸及的地球深處。

如果地表的碳被持續(xù)不斷地以這種方式遷移至深部，而沒(méi)有別的碳來(lái)補(bǔ)充，那么地殼中的碳會(huì)在幾億年內(nèi)耗盡。假如地表的碳就這樣被剝離，依賴(lài)碳的生物圈也將不復(fù)存在。幸運(yùn)的是，深部的碳會(huì)逐漸浮出地表。隨著俯沖的富碳巖石的溫度升高，碳酸鹽礦物和有機(jī)分子開(kāi)始分解，產(chǎn)生二氧化碳和其他小分子。其中一些分子從它們的巖石“墓穴”中掙脫出來(lái)，形成上升的流體，最終返回地表?；鹕絿姲l(fā)是這些深部氣體最主要的釋放途徑，深部碳從地下逸出到地表并擴(kuò)散進(jìn)入大氣，這個(gè)廣泛發(fā)生的彌散過(guò)程暗示深部有更大的碳通量，不過(guò)具體數(shù)值很難量化。

全球尺度的碳循環(huán)過(guò)程大部分隱藏在人們視線之外，理解其中最隱蔽的環(huán)節(jié)一開(kāi)始就是深碳觀測(cè)計(jì)劃的主要目標(biāo)之一。這項(xiàng)工作內(nèi)容豐富多樣，數(shù)百名科學(xué)家在世界各地的數(shù)十個(gè)野外觀測(cè)站和實(shí)驗(yàn)室里，共同解決各類(lèi)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。他們對(duì)動(dòng)態(tài)的深部碳循環(huán)的研究可以歸結(jié)為3 個(gè)問(wèn)題：到底有多少碳進(jìn)入深部？碳在深部會(huì)發(fā)生什么變化？又有多少碳返回地表？

碳的平衡

人類(lèi)生活改變?nèi)蛱佳h(huán)的方式目前備受關(guān)注。數(shù)十億年來(lái)，地球似乎在向深部俯沖的碳和火山釋放的碳之間找到了一種平衡，這種平衡有助于穩(wěn)定氣候和環(huán)境。但是這種持續(xù)不斷的碳循環(huán)的穩(wěn)定性究竟如何？進(jìn)入地球深部的總碳量，包括封存于巖石中的、埋藏在沉積物里的、俯沖進(jìn)入地幔的，這部分碳與通過(guò)火山和其他較為溫和的方式返回地表的總碳量是否完全相等，大自然并未做出規(guī)定。但對(duì)于深碳觀測(cè)計(jì)劃來(lái)說(shuō)，沒(méi)有什么比二者的平衡更重要了。

地球的碳循環(huán)是平衡的嗎？瑪麗·埃德蒙茲的研究顯示，很多俯沖帶將大量碳埋在了地球深部。相反，特里·普蘭克認(rèn)為通過(guò)俯沖作用來(lái)封存碳極其困難，這不是一種普遍的規(guī)則。那么到底哪個(gè)理論是正確的呢？

2015 年，兩位極具遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)的深碳觀測(cè)計(jì)劃領(lǐng)導(dǎo)人——哥倫比亞大學(xué)的彼得·凱萊門(mén)（Peter Kelemen）和加州大學(xué)洛杉磯分校的克雷格·曼寧（Craig Manning），試圖用一張簡(jiǎn)潔的深部碳循環(huán)圖表來(lái)總結(jié)所有數(shù)據(jù)，類(lèi)似教科書(shū)中的碳循環(huán)圖表。這張精致的圖表上有6 個(gè)紅色箭頭，每個(gè)箭頭都代表了地表和深部之間的一處重要的碳通量，每個(gè)箭頭旁都有一個(gè)或多個(gè)小方框，上面記錄著以兆噸（megaton，百萬(wàn)噸）為單位的每年的碳通量。該插圖在深碳觀測(cè)計(jì)劃的數(shù)百場(chǎng)研討會(huì)和講座中出現(xiàn)過(guò)，它已經(jīng)成為一個(gè)標(biāo)志，表明我們對(duì)地球上的碳還有多少需要了解。

圖：地表與深部之間每年的碳通量（
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1507889112）

需要強(qiáng)調(diào)的是，沒(méi)有任何一個(gè)箭頭或它們對(duì)應(yīng)的方框是受到嚴(yán)格約束的。凱萊門(mén)和曼寧估計(jì)，山脊和海洋島嶼火山每年的碳排放量為8 兆-42 兆噸，弧火山每年的碳排放量為18 兆-43 兆噸。對(duì)于快速返回地殼和空氣當(dāng)中的俯沖碳，最低估計(jì)值為每年14 兆噸，最高估計(jì)值可達(dá)前者的5 倍。最令人警醒的是，計(jì)算分析顯示，從地表到深部的凈碳通量最高達(dá)52兆噸，而最低為0！

我們觀測(cè)到了一些表明地球碳平衡可能在發(fā)生變化的跡象。我們的星球已經(jīng)冷卻了超過(guò)40 億年，曾經(jīng)在深部高溫環(huán)境下分解的碳酸鹽礦物，或許現(xiàn)在可以在現(xiàn)代較冷的條件下繼續(xù)向下俯沖到更深的位置。時(shí)間也改變了這種固有的平衡，地球不斷“學(xué)習(xí)”新技巧，將碳封存在黑色頁(yè)巖、富含貝殼的石灰?guī)r、煤和浮游生物遺骸沉積形成的軟泥中。隨著氣候變化和海洋化學(xué)性質(zhì)的改變，碳運(yùn)動(dòng)的機(jī)制和速率也隨之發(fā)生變化。

或許是一個(gè)幸運(yùn)的巧合，在地球歷史的大部分時(shí)間里，通過(guò)俯沖進(jìn)入深部的總碳量與通過(guò)火山噴發(fā)和其他作用釋放的總碳量基本平衡。因此，當(dāng)厚厚的海藻墊和茂密的熱帶森林在為生命找尋碳時(shí)，能夠獲得充足的碳來(lái)滋養(yǎng)生命。

盡管關(guān)于碳平衡的研究尚沒(méi)有定論，也還有很多工作有待完成，但一些科學(xué)家已得出了一個(gè)重要推論，即碳平衡可能已經(jīng)發(fā)生了變化。歸因于能夠形成碳酸鹽的浮游生物，海洋沉積物中封存的碳比以前的大多數(shù)時(shí)代都多。其中一些碳可能已經(jīng)開(kāi)始了進(jìn)入深地幔的漫長(zhǎng)旅程。由于地球在過(guò)去40 多億年里一直在冷卻，俯沖下去的碳酸鹽并不容易分解成能夠通過(guò)火山噴發(fā)返回地表的二氧化碳——下去的不一定會(huì)上來(lái)。盡管具體數(shù)字尚不確定，但大多數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，表層碳被掩埋的速度可能越來(lái)越快，生命所需的碳在短短幾億年內(nèi)就會(huì)耗盡。不過(guò)也不要為此而失眠，因?yàn)檫@只是地質(zhì)尺度上的緩慢變化。顯而易見(jiàn)的是，地球碳循環(huán)在持續(xù)不斷地變化，將繼續(xù)讓人驚訝。

這并不是說(shuō)我們可以忽略對(duì)碳的擔(dān)憂。假如你真的會(huì)因?yàn)椴粩嘧兓奶佳h(huán)而失眠，那么先不要把注意力放在地球上，多看看我們自己。

大氣的變換

很多東西在燃燒時(shí)都會(huì)不可避免地產(chǎn)生二氧化碳這種副產(chǎn)品，不管它是有名的亞歷山大圖書(shū)館、加利福尼亞州的一片灌木叢、德累斯頓的一所房子，還是一疊舊報(bào)紙或是一把斯特拉迪瓦里小提琴。從舊石器時(shí)代的古人學(xué)會(huì)控制火開(kāi)始，人類(lèi)就一直通過(guò)燃燒燃料來(lái)溫暖住所、烹飪食物并照亮夜間黑暗的道路。長(zhǎng)期以來(lái)，人類(lèi)的碳“足跡”，或者說(shuō)大氣中碳的凈增減量，是處于平衡狀態(tài)的。我們?nèi)紵静臅r(shí)會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，而新的樹(shù)木生長(zhǎng)時(shí)要消耗二氧化碳。

隨著深埋于地下的富碳燃料的發(fā)現(xiàn)，平衡開(kāi)始發(fā)生變化。在工業(yè)革命之前數(shù)千年的時(shí)間里，盡管泥炭、煙煤和石油一直在被少量開(kāi)采，但它們還不足以對(duì)大氣平衡造成顯著改變。到了工業(yè)革命時(shí)代（電氣革命和機(jī)械化運(yùn)輸革命緊隨其后），平衡才發(fā)生了真正的改變。能源需求的激增伴隨著石油和煤的大量開(kāi)采，推動(dòng)了科技社會(huì)的瘋狂發(fā)展，人類(lèi)迎來(lái)了繁榮和物質(zhì)享受的浪潮。

在過(guò)去的200 年里，我們開(kāi)采了數(shù)千億噸富含碳的煤和石油，目前每年這些燃料的燃燒會(huì)向大氣中排放約400 億噸二氧化碳，這個(gè)數(shù)量是世界上所有火山二氧化碳排放量的1 000 倍。人類(lèi)的活動(dòng)徹底打破了碳循環(huán)的平衡。

對(duì)碳及其在氣候變化中的作用，我們沒(méi)必要含糊其辭，以下4 個(gè)事實(shí)是無(wú)可爭(zhēng)辯的。

事實(shí)一：二氧化碳和甲烷是強(qiáng)溫室氣體。它們的分子捕獲太陽(yáng)輻射，減少了地球向太空輻射的能量。大氣中二氧化碳和甲烷的濃度越高，意味著大氣捕獲的太陽(yáng)能越多。

事實(shí)二：地球大氣中二氧化碳和甲烷的含量正在迅速增加。關(guān)于此事實(shí)的證據(jù)有不同的來(lái)源，其中研究人員對(duì)被困在極地冰層中的來(lái)自過(guò)去的氣泡進(jìn)行的研究（每1.6 千米冰心對(duì)應(yīng)大約100 萬(wàn)年的時(shí)間），為現(xiàn)今大氣的變化提供了直接的確鑿證據(jù)。在過(guò)去的100 萬(wàn)年中，二氧化碳的濃度幾乎一直在0.02% 和0.028% 之間波動(dòng)，最低值對(duì)應(yīng)于地球上的冰期。而在20 世紀(jì)中葉，該值突破了0.03%，這可能是數(shù)千萬(wàn)年以來(lái)首次出現(xiàn)這種情況。2015 年，二氧化碳濃度超過(guò)了0.04%。每項(xiàng)分析都表明，這個(gè)數(shù)值的上升速度比幾百萬(wàn)年來(lái)的任何時(shí)候都要快。大氣中甲烷含量的升高更加顯著，100 萬(wàn)年來(lái)，甲烷濃度幾乎都在4×10-7 和7×10-7 之間波動(dòng)，該值同樣與冰期的到來(lái)和離去有關(guān)。而在過(guò)去的200 年中，甲烷濃度增加了約2 倍，飆升至2×10-6。與二氧化碳一樣，甲烷濃度比數(shù)百萬(wàn)年來(lái)的任何時(shí)候都高，而且比以往上升的速度更快。

事實(shí)三：人類(lèi)活動(dòng)，尤其每年燃燒數(shù)以十億噸計(jì)的化石燃料，是造成幾乎所有大氣成分變化的主要原因。

事實(shí)四：1個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，地球一直在變暖。1880 年以來(lái)的記錄顯示，最熱的12 年都發(fā)生在過(guò)去20 年中。2014 年比以往任何一年都熱，2015 年全球平均地表溫度比2014 年高出不止0.1 攝氏度，2016 年再創(chuàng)歷史新高，2017 年幾乎和2016 年一樣熱。21 世紀(jì)頭20 年的平均氣溫比1個(gè)世紀(jì)前高了不止1 攝氏度。

幾乎所有研究過(guò)以上事實(shí)的科學(xué)家都達(dá)成了以下共識(shí)：人類(lèi)活動(dòng)正在導(dǎo)致地球升溫。這個(gè)結(jié)論不是意見(jiàn)或推測(cè)，也跟政治或經(jīng)濟(jì)無(wú)關(guān)，這不是研究人員為了獲得更多資金的策略，也不是某些環(huán)保主義者夸大其詞的新聞報(bào)道。

有關(guān)地球的情況有一些是真實(shí)的，氣候變暖就是其中之一。

在如此短的時(shí)間內(nèi)，大氣中碳的含量翻倍，隨之而來(lái)的全球變暖是前所未有的。人類(lèi)正在進(jìn)行一場(chǎng)沒(méi)有預(yù)案、沒(méi)有安全保障的地球工程實(shí)驗(yàn)，意想不到的后果已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)。

隨著大氣中二氧化碳含量的增加，海洋中二氧化碳的含量也已相應(yīng)升高。雖然海洋酸度的上升幅度較小，但這一變化具有明顯的破壞性，因?yàn)樗峄暮Ｋ畷?huì)侵蝕碳酸鹽殼并導(dǎo)致珊瑚死亡。一些海洋生物學(xué)家擔(dān)心，全球范圍內(nèi)的淺海生態(tài)系統(tǒng)會(huì)崩潰。

受大氣和海洋變暖的影響，無(wú)論是中緯度的高海拔山區(qū)還是極地地區(qū)都出現(xiàn)了前所未有的冰川消融。在許多沿海地區(qū)，海平面已經(jīng)明顯上升，也許是幾英尺，也許是更多，總之這無(wú)可避免。海洋深度的變化并不是什么新鮮事。在過(guò)去的數(shù)百萬(wàn)年里，地球至少經(jīng)歷了10 次冰期，那些時(shí)期地球上多達(dá)5% 的水被凍結(jié)成冰蓋和冰川，海平面因此下降了數(shù)百英尺。與之相反的時(shí)期，地球上曾僅有不到2% 的水被冰封起來(lái)，海平面也經(jīng)歷了至少10 次的抬升，逐漸接近或略高于現(xiàn)代海平面的高度。

令人擔(dān)憂的是，冰川正在以空前的速度消失，南極巨大的冰架正在碎裂。隨著更多的冰融化，海洋逐漸變深，增加100 英尺（30.5 米）的情況并非沒(méi)有先例。如果按照目前的趨勢(shì)繼續(xù)發(fā)展下去，生活在沿海地區(qū)的數(shù)億人可能會(huì)在幾個(gè)世紀(jì)內(nèi)流離失所，某些州（特別是佛羅里達(dá)州和特拉華州）和某些國(guó)家（荷蘭、孟加拉國(guó)和一些太平洋島國(guó)）也將不復(fù)存在。

大氣和海洋變暖還會(huì)影響氣候，如導(dǎo)致降雨模式發(fā)生變化、強(qiáng)風(fēng)暴的強(qiáng)度更大，原本使某些地區(qū)變暖、某些地區(qū)變冷的洋流也可能發(fā)生變化。2017 年，安大略省滑鐵盧大學(xué)的丹尼爾·斯科特（Daniel Scott）為氣候變化對(duì)21 個(gè)冬奧會(huì)場(chǎng)地舊址的影響（這些影響是可變的，有時(shí)甚至是矛盾的）建立了模型，并一直預(yù)測(cè)到了未來(lái)的2040 年。在20 世紀(jì)，所有這些場(chǎng)館都持續(xù)保持寒冷，冬季氣溫在冰點(diǎn)以下的天數(shù)在90% 以上。但斯科特的模型顯示，包括加拿大溫哥華、挪威奧斯陸和奧地利因斯布魯克在內(nèi)的9 個(gè)雪地將變得不可利用，因?yàn)槠涠緯?huì)有四分之一以上的時(shí)間溫度在冰點(diǎn)以上。2014 年冬季奧運(yùn)會(huì)的舉辦地俄羅斯索契在斯科特的模型中表現(xiàn)最差，預(yù)計(jì)到2040 年，那里的冬季一半以上時(shí)間氣溫會(huì)高于0 攝氏度。

氣候變化的破壞性影響已經(jīng)在全球的生態(tài)系統(tǒng)中顯現(xiàn)了，不過(guò)，氣候變化也并非一無(wú)是處。在格陵蘭島的北極區(qū)域，1000 年以來(lái)，人們一直在寒冷、黑暗的冬季里以冰釣為生，現(xiàn)在他們可以享受全年開(kāi)放的水域；在加拿大中部，作物的生長(zhǎng)季變得更長(zhǎng)；大西洋和太平洋之間無(wú)冰的西北航道可能會(huì)加速全球航運(yùn)過(guò)程；一些被冰層覆蓋的巖石有史以來(lái)第一次裸露出來(lái)，礦業(yè)公司開(kāi)始可以勘探到更豐富的礦石。

但其他變化實(shí)在令人不安，這些變化對(duì)任何人都沒(méi)有好處。非洲撒哈拉沙漠快速擴(kuò)張，吞并了曾經(jīng)穩(wěn)定的村莊。不知多少個(gè)世紀(jì)以來(lái)，北極地區(qū)過(guò)于寒冷，不容易發(fā)生蟲(chóng)害。但有史以來(lái)第一次，這里在七八月份遭受了成群的蚊子和黑蠅的侵襲。生態(tài)區(qū)每年向北移動(dòng)數(shù)英里，這可能超出了森林、田野及候鳥(niǎo)可以適應(yīng)的速度。

科學(xué)家可以預(yù)見(jiàn)甚至緩解由地球變暖引起的許多穩(wěn)定的增量變化。但是，帶來(lái)最大風(fēng)險(xiǎn)的“臨界點(diǎn)”（超過(guò)臨界點(diǎn)后，氣候變化將陡然加速）是我們難以預(yù)料的。甲烷是一種比二氧化碳溫室效應(yīng)更強(qiáng)的氣體，危害性可能也更大。地球上幾乎所有的甲烷都被封存在地殼中，如凍土帶和大陸架下巨大的富含甲烷的冰層。雖然很難定量估算，但專(zhuān)家們一致認(rèn)為，全球范圍的冰中甲烷的含量是所有其他來(lái)源的數(shù)百倍，其中所含的碳可能超過(guò)了所有其他化石燃料的總含碳量。幾千年來(lái)，甲烷一直是地球碳循環(huán)的被動(dòng)部分，處于休眠狀態(tài)，被埋在地下。

最終的災(zāi)難場(chǎng)景恐怕就是全球范圍內(nèi)甲烷的正反饋，那時(shí)，地球氣候越過(guò)了讓一些人在夜間冒著冷汗驚醒的臨界點(diǎn)。氣候變暖會(huì)導(dǎo)致冰層融化和甲烷釋放，從而引起更嚴(yán)重的氣候變暖和更大規(guī)模的冰層融化，大氣中的甲烷含量可能會(huì)飆升，溫度也會(huì)隨之繼續(xù)升高。我們不知道這是否會(huì)發(fā)生，但這種正反饋一旦開(kāi)始，一切可能就太晚了。

我們要明白，無(wú)論我們對(duì)地球做了什么，無(wú)論未來(lái)會(huì)發(fā)生什么變化，生命都將繼續(xù)存在，碳也會(huì)繼續(xù)循環(huán)。但是，我們?nèi)祟?lèi)為即將到來(lái)的變化做好準(zhǔn)備了嗎？

解決方案

人類(lèi)繼續(xù)向大氣中排放大量二氧化碳，這猶如一場(chǎng)無(wú)形的、不受控制的洪流，將產(chǎn)生此前數(shù)百萬(wàn)年都不曾出現(xiàn)的影響。這并不是危言聳聽(tīng)，飆升的二氧化碳含量不會(huì)騙人，后果也在產(chǎn)生。否認(rèn)這個(gè)事實(shí)的人若不是無(wú)知，就是貪婪，或者兼而有之。

對(duì)于個(gè)人來(lái)說(shuō)，我們應(yīng)該做些什么呢？在這個(gè)時(shí)代，帶領(lǐng)人們過(guò)上碳中和的生活是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，因?yàn)樘寂欧疟榧罢麄€(gè)社會(huì)，阻礙了我們?cè)S多美好愿望的實(shí)現(xiàn)。你會(huì)為“清潔”能源建造一個(gè)巨大的風(fēng)力渦輪機(jī)嗎？在此過(guò)程中，你可能需要砍伐大量植被，并為地基澆筑在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)排放大量二氧化碳的混凝土。你會(huì)開(kāi)電動(dòng)車(chē)嗎？電力可能來(lái)自使用化石燃料的發(fā)電廠。利用好公共交通和有機(jī)農(nóng)業(yè)，使用再生鋁和布制尿布，所有這些行動(dòng)都可以有效減少能源消耗，但在某種程度上仍然依賴(lài)于碳基燃料。不管你住在城市還是農(nóng)場(chǎng)，或是介于兩者之間的任何地方，你都很可能是溫室氣體的凈生產(chǎn)者。

科學(xué)家往往是樂(lè)觀主義者。盡管上述全球性變化可能會(huì)帶來(lái)意想不到的災(zāi)難，但我們?nèi)栽趯ふ医鉀Q方案，并且看到了一些機(jī)遇。彼得·凱萊門(mén)就是這樣一個(gè)樂(lè)觀主義者。凱萊門(mén)在哥倫比亞大學(xué)著名的拉蒙特-多爾蒂地球觀測(cè)站工作。該觀測(cè)站坐落在哈德遜河附近帕利塞茲地區(qū)著名的玄武巖懸崖上，就在哥倫比亞大學(xué)曼哈頓主校區(qū)的對(duì)岸，是研究地球巖石、海洋和大氣的好地方。

盡管凱萊門(mén)的眼前是壯觀的巖層，他卻將目光投向了遙遠(yuǎn)的阿拉伯半島阿曼的雄偉山地。在那里，受陽(yáng)光炙烤的土地一年中大部分時(shí)間的溫度都高達(dá)60 攝氏度。凱萊門(mén)在此處研究過(guò)地球上最奇特的巖石之一——蛇綠巖，這種巨大的地幔巖塊本應(yīng)被埋在數(shù)十英里以下，但不知何故卻出現(xiàn)在了1 萬(wàn)英尺（約3000米）高的山頂。

乍一看，凱萊門(mén)是一個(gè)隨和的人。他蓄著柔軟的、略帶灰白的胡須，無(wú)論是遇見(jiàn)老朋友還是新朋友，他都會(huì)不由自主地微笑，與你握手，用一種舒緩、輕松的語(yǔ)氣說(shuō)話。他給人一種閑散的感覺(jué)，你會(huì)想和他一起走一段長(zhǎng)長(zhǎng)的路。不過(guò)，第一印象可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。

在阿曼從事地質(zhì)工作可不適合閑散的地質(zhì)學(xué)家。阿曼文化在一定程度上是熱誠(chéng)待人的，但在那里開(kāi)展野外地質(zhì)工作卻不那么容易，因?yàn)檫@項(xiàng)工作似乎帶有一定的侵略性。外國(guó)人對(duì)他們的土地動(dòng)手動(dòng)腳，這難免令他們產(chǎn)生敵意。而凱萊門(mén)想要的還不僅僅是從路邊的露頭上敲下幾塊石頭，他想在這里打鉆以取出數(shù)千英尺下的巖心。因此，在這里工作會(huì)遇到一些可以理解的延遲和障礙。研究者必須獲得由土地、水利、礦產(chǎn)等部門(mén)批準(zhǔn)的許可證，必須雇用阿曼當(dāng)?shù)氐你@井公司并支付相應(yīng)的費(fèi)用。此外，由于沒(méi)有人在這些蛇綠巖山脈上開(kāi)展過(guò)鉆探，新研究可能需要采用新規(guī)定，但似乎還沒(méi)有一個(gè)權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)此有確切的把握。

延誤意味著工作處于不確定狀態(tài)，實(shí)地考察被擱置，旅行計(jì)劃被取消?？紤]到這些行政障礙，許多科學(xué)家會(huì)放棄去這里開(kāi)展研究。但凱萊門(mén)有決心、有動(dòng)力，還有在外人看來(lái)仿佛無(wú)限的耐心和冷靜。等了很多年以后，阿曼鉆探項(xiàng)目終于啟動(dòng)，并取得了歷史性成果。

凱萊門(mén)的研究再次證實(shí)了一些我們已有的認(rèn)知，阿曼的蛇綠巖山脈是地幔巖石在板塊構(gòu)造的作用下仰沖到較淺的玄武巖洋殼之上所形成的。這些地幔巖石富含鎂和鈣，但硅含量很少，當(dāng)暴露在地球大氣中時(shí)，它們會(huì)與二氧化碳迅速反應(yīng)，形成由碳酸鎂和碳酸鈣構(gòu)成的縱橫交錯(cuò)的白色脈體。

凱萊門(mén)和他的同事發(fā)現(xiàn)，這種碳酸鹽礦物的形成速度非常驚人。蛇綠巖從空氣中吸收二氧化碳，以極快的速度形成新的碳酸鹽礦物。當(dāng)富含礦物質(zhì)的地下水從露頭滲出時(shí)，你甚至可以看到晶體在池塘或水池中形成、生長(zhǎng)。很多礦物只有在地球深部的高溫環(huán)境下才能快速形成，而蛇綠巖不同，其形成過(guò)程在室溫下也能發(fā)生，當(dāng)然不可否認(rèn)的是，阿曼的平均溫度比你家客廳的溫度要高得多。這些新生礦物比原來(lái)的礦物占據(jù)了更大的體積，使地層得到擴(kuò)展。這或許可以解釋為什么盡管當(dāng)?shù)貛缀鯖](méi)有地震活動(dòng)，但阿曼的山脈仍然在以每年幾毫米的速度升高。

凱萊門(mén)的腦海中浮現(xiàn)出以下結(jié)論：蛇綠巖在不停地消耗二氧化碳。阿曼擁有大量蛇綠巖，足以將人類(lèi)產(chǎn)生的所有二氧化碳封存數(shù)百年。目前，阿曼政府并不想?yún)⑴c這項(xiàng)封存計(jì)劃——該國(guó)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)是石油，而不是碳封存。但這些巖石不會(huì)消失，它們?yōu)榻鉀Q地球碳危機(jī)做出貢獻(xiàn)的前景仍然存在。彼得·凱萊門(mén)是一位耐心的樂(lè)觀主義者。

譯者介紹：《碳如何玩轉(zhuǎn)地球》是本什么樣的書(shū)？

撰文 | 董漢文

2021年夏天，我突然接到江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社的邀請(qǐng)，翻譯一本與碳相關(guān)的科普讀物《Symphony in C：Carbon and the Evolution of (Almost) Everything》，誠(chéng)惶誠(chéng)恐。當(dāng)?shù)弥摃?shū)作者是地質(zhì)學(xué)家羅伯特·哈森（Robert·Hazen）時(shí)，我又欣喜若狂。

羅伯特·哈森（Robert·Hazen）是一位了不起的地質(zhì)學(xué)家，我仰慕他很久了。哈森是美國(guó)卡內(nèi)基研究所高級(jí)研究員、喬治梅森大學(xué)地球科學(xué)教授，曾任美國(guó)礦物學(xué)學(xué)會(huì)主席曾，并作為首席研究員主持深碳觀測(cè)計(jì)劃（Deep Carbon Observatory，簡(jiǎn)稱(chēng)DCO）。哈森先后獲得麻省理工學(xué)院地質(zhì)學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位、哈佛大學(xué)地球科學(xué)博士學(xué)位。哈森是一位非常高產(chǎn)的地質(zhì)學(xué)家，截至目前已公開(kāi)發(fā)表400多篇文章、出版25部書(shū)，其中包括多部暢銷(xiāo)科普書(shū)，尤其是那本《地球的故事》（或《千面地球》）深深地吸引著我，一度作為我的床頭讀物，翻閱過(guò)很多遍，也向很多朋友推薦過(guò)。哈森非常熱衷向公眾傳播科學(xué)，而且形式多樣，如廣播、電視、公共講座和視頻課程等，為此還獲得了美國(guó)礦物學(xué)學(xué)會(huì)獎(jiǎng)及其杰出公眾傳播獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。

“能翻譯哈森的書(shū)，是何等榮幸的事兒呀！”，我心里想。想到這里，我沒(méi)有過(guò)多猶豫便欣然接受了邀請(qǐng)。

譯者董漢文與作者羅伯特·哈森的連線（作者供圖）

這本書(shū)是由斯隆基金會(huì)（the Sloan Foundation）資助的深碳觀測(cè)計(jì)劃（Deep Carbon Observatory，簡(jiǎn)稱(chēng)DCO）項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目由哈森擔(dān)任首席科學(xué)家，旨在召集世界各地不同領(lǐng)域的科學(xué)家，共同解決地球上碳的奧秘。

在這本書(shū)中，哈森巧妙地將自己對(duì)碳科學(xué)的理解與管弦樂(lè)背景相結(jié)合，對(duì)整本書(shū)進(jìn)行了巧妙的編排。為了構(gòu)建一個(gè)連貫的框架，他想到古希臘關(guān)于世界物質(zhì)組成的“四大元素說(shuō)”，即土、氣、火和水。每一種元素都有其特性，每一種都是宇宙不可或缺的組成部分，但都是所有物質(zhì)創(chuàng)造的源泉。在元素周期表的原子中，僅有碳元素表現(xiàn)出“土、氣、火和水”這四種經(jīng)典元素不同的特征，為整本書(shū)提供了一個(gè)“四樂(lè)章”框架。正如一支交響樂(lè)，這本書(shū)的四個(gè)樂(lè)章在主題、情感和節(jié)奏方面各不相同。

第一樂(lè)章“土之運(yùn)動(dòng)：晶體中的碳”明確了礦物和巖石是地球牢固的晶體基礎(chǔ)。這一運(yùn)動(dòng)始于創(chuàng)世之初，早在地球形成之前，那時(shí)碳原子是由較小的“碎片”合成的。接著地球上的礦藏開(kāi)始出現(xiàn)并進(jìn)行演化，這也代表著晶體形式的含碳化合物的多樣性和豐富性的日益增長(zhǎng)。

第二樂(lè)章“氣之運(yùn)動(dòng)：循環(huán)中的碳”主要講述地球上宏偉的碳循環(huán)。碳原子在儲(chǔ)庫(kù)之間不斷移動(dòng)——在海洋和大氣之間交換位置，通過(guò)板塊構(gòu)造進(jìn)入地球內(nèi)部，并通過(guò)數(shù)百座活火山釋放的高溫氣體回到地表。數(shù)百萬(wàn)年來(lái)，這種深部碳循環(huán)一直保持著一種穩(wěn)定的平衡，但人類(lèi)活動(dòng)可能正在改變這種平衡，從而造成意想不到的后果。

第三樂(lè)章“火之運(yùn)動(dòng)：材料中的碳”講述碳在能源、工業(yè)和新興高科技領(lǐng)域發(fā)揮著活躍的作用。碳是眾多材料的組成元素，這些材料具有無(wú)數(shù)不同的特性，碳貫穿了我們的日常生活。

最后，第四樂(lè)章“水之運(yùn)動(dòng)：生命中的碳”探索了生命的起源和演化，將碳科學(xué)的諸多主題匯集到一起。

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