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煤炭形成时,地球险些变成雪球

时间:2018-09-03 07:26:56  来源:  作者:

     提起煤炭,人们往往会想起轰鸣的巨大机器与烟囱里冒出的黑烟。它曾经充当过为人类提供能源的主角,又因为日益严重的气候变化与环境污染,逐渐退居二线。但无论在人类社会,还是在自然界,事物往往不止扮演一种角色,珠穆朗玛峰都曾经深藏海底,更何况经历了数亿年演变的煤炭呢?
  波茨坦气候影响研究所在《美国国家科学院院刊》刊发的研究指出,与现在成为全球变暖的罪魁祸首正相对应的是,3亿年前,煤炭在形成之时,地球险些变成一个“雪球”。

煤炭形成示意图。

  3亿年前,大气二氧化碳浓度曾不足今天的四分之一
  煤炭如何形成,至今仍是假说。最常见的解释认为,煤炭的前身是植物,准确地说,是未及腐烂分解便埋藏于地下的植物。此后,在地下经历漫长演化后最终形成煤炭。在整个地质年代中,有三个大的成煤期,发生在距今3亿年左右的石炭纪晚期到二叠纪早期之间这次非常重要,是烟煤和无烟煤的主要来源。
  在石炭纪,地球的陆地开始被大片森林覆盖,许多植物生长在海陆交汇的沼泽里,死去的植物沉入水下与空气隔绝阻止被氧化分解,新的植物在上面生长死亡然后继续堆积,整个过程周而复始。植物在生长过程中从大气中吸收的二氧化碳由此被埋藏。
  尽管有人对这一假说提出这样那样的异议,例如澳大利亚有700多米厚的煤层,难以理解这样规模植物是如何被埋藏的。但研究人员证实了从石炭纪晚期到二叠纪早期,大气中的二氧化碳大量减少。
  最近对高分辨率记录的分析显示,石炭纪的大气二氧化碳浓度发生过巨大变化,最高可达700ppm,最低只有150ppm(1ppm为百万分之一)。而到了二叠纪早期,大气二氧化碳浓度进一步降低到了100±80ppm。作为参考,今年4月,地球大气二氧化碳浓度为410.31ppm,是80万年来的最高值
  二氧化碳浓度的变化会引发气候的剧烈改变。当浓度在40ppm左右时,全球就会被冰川笼罩。造成大气二氧化碳浓度降低的原因很多,如地球轨道的变化、火山爆发造成的平流层气溶胶成分变化等,但碳被大量埋藏仍是不可忽视的。
  煤不仅是二氧化碳的收藏家,还是垄断者
  在应对气候变化的诸多手段中,碳的捕获与封存是一项很有想象力的技术。人们试图把二氧化碳收集并储存至安全地点,使其与空气隔绝,如保存在水泥中,或埋藏在地下岩层里。
  其实,这个想法并不新奇,甚至可以说是对大自然的致敬。因为最为人们所熟知的煤炭,在其诞生时就曾高效地捕捉并封存了大量的二氧化碳。
  人类今天开采的煤,碳含量非常高。褐煤碳含量可达60%至76.5%,烟煤碳含量为77%至92.7%,无烟煤碳含量多在90%以上,有些可达98%,而煤的整个形成过程,伴随着一系列的化学反应,不断增加自身的碳含量。
  最初的阶段是泥炭化,植物残骸经过分解和化合,形成泥炭或腐泥,其中除了大量的碳,还包含水、氧、腐殖酸等。在地热和压力的作用下,泥炭层压实、失水、老化、硬结,最终变成褐煤,植物中的碳被保存下来,而腐殖酸和氧则被排除出去。此后,地壳继续下沉,褐煤在地热和压力的作用下,继续压实、失水,碳含量进一步上升,氧含量减少,腐殖酸则荡然无存。最后,随着地层进一步加深,地温越来越高,煤的变质程度也随之越来越深,碳被紧紧固定在煤炭中。
  就这样,由于碳被封存在地底,大气中的二氧化碳极端减少,气候随之失衡,石炭纪-二叠纪大冰期随之形成。  
  大冰期持续8000万年,“南半球”冰天雪地
  这次冰期,是自地球上大量生物出现以来至今,最大的一次冰期。全球气温普遍下降。最寒冷时期约为距今2.8亿年至2.7亿年前,全球温度下降至少在10℃以上,南半球各陆地上普遍存在冰碛层。
  当然,那时的南半球并不等同于现在的南半球,根据大陆漂移说,当时南半球存在一个巨大的冈瓦纳古陆,包括今天的南美洲、非洲、澳大利亚、南极洲、印度半岛和阿拉伯半岛,以及中南欧和我国西藏的部分地区。
  如今,人们在大洋洲的大部分地区、南美洲南部、非洲中部和南部、南极大陆边缘和印度、我国西藏等地,广泛发现当年冰川活动留下的痕迹。巴西圣保罗的冰川沉积的厚度超过了1000米。印度有1/3的面积被冰川覆盖。如今遍布炎热沙漠的澳大利亚,在二叠纪初期可能有一半的面积是冰盖。
  今天,人们回过头来,可以看到因煤的形成导致的二氧化碳浓度变化,曾在地球上留下了多么深刻的印记。当然,人们也不难联想到,自工业革命以来,这些煤的燃烧又将引发多么巨大的改变。

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