碳循環（Carbon Cycle）與水合甲烷（Methane Hydrate）

碳循環（Carbon Cycle）與水合甲烷（Methane Hydrate）

國立臺灣大學化學系李俊毅/國立臺灣大學化學系林雅凡博士責任編輯

在碳循環中，我們直覺上會想到大氣層中的二氧化碳，以及生物圈的光合作用與呼吸作用，而最被人忽略的就是海洋中所含的碳。但可別小看平靜的大海，海水的碳總含量是大氣層的50倍，高達36兆公頓。是怎樣的因素讓海水可以儲藏這麼多的二氧化碳？其分野在於溶解於海水中的二氧化碳會轉成碳酸根（約10%）、碳酸氫根（約90%）的方式存在，形成碳酸的緩衝系統。

溶解：CO₂（大氣層) ⇌ CO_2(aq)

轉化成碳酸：CO_2(aq) + H₂O ⇌ H₂CO₃

第一個氫離子解離：H₂CO₃ ⇌H⁺ + HCO₃⁻ (碳酸氫根離子)

第二個氫離子解離：HCO₃⁻⇌H⁺ + CO₃ ²⁻ (碳酸根離子)

空氣中的二氧化碳可直接溶入海洋，或藉由雨水帶入；陸地上的碳沉積物也會伴隨河水流入海洋，颱風帶來的暴雨更會加快速度。中央研究院環境變遷研究中心與美國俄亥俄州立大學（Ohio State University）合作的研究顯示，濁水溪在颱風侵襲的四天內會將50萬公頓有機碳化合物沖入台灣海峽，幾乎等於平常一年的排放量。（參考文獻三）

人類活動生產的二氧化碳僅有三分之一停留在大氣層中，剩下的量多半進入了海洋，不過海洋中因為有上述的緩衝系統，所以大氣的二氧化碳濃度上升10%，海洋的二氧化碳濃度只會增加1%。但這並不表示海洋可以為我們無節制燃燒石化燃料的行為擦屁股。

我們知道海洋表層的浮游生物多半具有碳酸鈣的外骨骼，國小自然實驗「吹氣進石灰水會產生（碳酸鈣)沉澱，但如果吹更多氣，沉澱會消失（變成碳酸氫鈣）」。二氧化碳影響碳酸鈣的溶解度，這樣的問題同樣在大自然存在。2005年由跨國研究團隊針對海水酸化進行模型預測，並將研究成果發表在頂尖期刊「自然（Nature）」上，論文指出目前海水表面的碳酸鈣濃度呈飽和狀態，不過二氧化碳不斷進入海洋會造成酸化現象，降低碳酸根的濃度。預計在2050年開始，南半球的海洋的碳酸根離子濃度便會開始進入不飽和的階段，形成較不穩定的霰石（aragonite）；2100年起碳酸根離子不飽和的區域會擴大到北半球海域。研究人員將帶殼浮游生物放在依照預測的2100年的海水調配水溶液中兩天，發現外殼有明顯的溶解，說明了這種具腐蝕性的海水環境會嚴重影響珊瑚與浮游生物的生存。（參考文獻四）

海底除了碳酸鹽沉積以外，還有一種十分有趣的碳化合物，水合甲烷（methane hydrate，見圖一）。水合甲烷是一種籠狀化合物，在晶格內平均每5.75個水分子包住1個甲烷分子。水合甲烷外觀像冰塊，在攝氏零度以下穩定，加熱會釋放出甲烷。天然氣的主成分正是甲烷，所以水合甲烷在1990年代曾被看好將取代石油，成為下一世代的主力能源；但是近來研究證據顯示，水合甲烷只在某些海域才會豐富存在，再加上探測、開採困難，所以存在密度不值得商業化開採，目前唯有蘇俄一座天然氣田的天然氣來源據信是水合甲烷。

(圖一) 水合甲烷的晶格排列(左上)與水合甲烷燃燒

僅管水合甲烷存量比不上海水中的碳酸鹽，但甲烷造成的溫室效應是等量二氧化碳的二十倍，從水合甲烷釋放甲烷可能會使溫室效應加劇，2008年發表的研究顯示西伯利亞海域釋放出數以百萬噸的甲烷，在某些區域的甲烷濃度甚至是正常值的百倍之多，所以水合甲烷對溫室效應的影響同樣受到科學家的關注。（參考文獻五）

參考文獻：
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_cycle
2. http://campus2.chgsh.chc.edu.tw/science … 3/0013.htm 徐慧倩譯, “海洋和二氧化碳”, 科學月刊, 1988年7月份
3. Steven T. Goldsmith etc. “Extreme storm events, landscape denudation, and carbon sequestration: Typhoon Mindulle, Choshui River, Taiwan” Geology, 2008, 483-486
4. James C. Orr etc. “Anthropogenic ocean acidification over the twenty-first century and its impact on calcifying organisms” Nature, 2005, 681-685
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Methane_clathrate