在海洋生物地球化學中，溶解度泵指將碳以溶解無機碳(Dissolved Inorganic Carbon)的形式從海洋表面輸送到海洋內部的物理化學過程。從廣義上來講，溶解度泵是海洋生物泵中反映物理化學的部分，它只涉及物理和化學過程，不涉及生物過程。海洋中的溶解度泵和有機碳泵都是海洋儲碳的重要機制，這兩種機制共同調控了海洋乃至全球的碳循環過程。
基本介紹
- 中文名：溶解度泵
- 外文名：Solubility Pump
溶解無機碳分布,驅動機制,CO2溶解度,全球溫鹽環流,海氣碳交換,工業革命以前,工業革命以來,未來情境,
溶解無機碳分布
海洋溶解度泵和有機碳泵共同造成了海水中總溶解無機碳(Total Dissolved InorganicCarbon, TIC)含量的垂直梯度，即深層海水的總溶解無機碳含量要明顯高于海洋表層。溶解度泵將CO2從表層海洋輸送到海洋內部，造成了深海中CO2的積累。在溶解度泵的基礎上，海洋中的生物泵過程通過將生物固定的有機碳和無機碳輸送到海洋內部，使得部分碳因為微生物的分解作用而再次以CO2的形式回到海水當中，進一步促進了深海中CO2的富集。
驅動機制
驅動海洋中溶解度泵運轉的兩個過程：CO2在海水中的溶解和全球的溫鹽環流。
CO2溶解度
CO2在海水中的溶解程度可以直接影響溶解度泵的運轉效率。
與許多其他氣體一樣，CO2可以溶于海水，但不同的是，CO2還可以與海水發生反應，形成一系列溶解無機碳，主要包括游離二氧化碳(CO2,aq)，碳酸(H2CO3)，碳酸氫鹽(HCO3-)和碳酸鹽(CO32-)，它們之間的相互轉化可以用如下化學式來表示：
CO2(aq) +H2O ⇌ H2CO3 ⇌ HCO3- + H+ ⇌ CO32- + 2H+
這些溶解無機碳組成的系統的平衡最終會影響二氧化碳的溶解度，而這種平衡則取決於pH等因素。在海水中，溶解無機碳系統的平衡主要是由正離子(如Na+、K+、Mg2+、Ca2+)和負離子(如CO32 -、Cl -、SO42 -、Br -)的電荷平衡調節的。通常正負離子的中和會留下一個淨正電荷。相對於溶解無機碳系統而言，這個多餘的正電荷使該系統的平衡向生成負離子的方向移動以進行中和。其結果是游離二氧化碳和碳酸的濃度降低，這反過來又會導致海洋從大氣中吸收二氧化碳以恢復平衡。因此，海水中正電荷越不平衡，二氧化碳的溶解度就越大。在碳酸鹽化學術語中，這種不平衡被稱為鹼度。
除了鹼度以外，表層海洋的溫度和鹽度也會影響CO2在海水中的溶解度，較高的溫度和鹽度通常意味著較低的CO2的溶解度。平均海洋鹽度和鹼度一般保持不變，只會在千年的時間尺度上隨著冰蓋中淡水的封存而發生微小的變化，而表層海洋的平均溫度則會在較短的時間內發生波動。
全球溫鹽環流
如果說CO2在表層海水中的溶解只是實現了局域海區中CO2的富集，那么全球溫鹽環流的形成則是在真正意義上實現了不同緯度海區之間、大氣和海洋之間甚至是地球表層不同系統之間的碳交換。
在低緯度海區，太陽輻射會通過影響水循環和變暖進程來調控表層海洋的溫度，鹽度和鹼度。在高緯度海區，由於氣候寒冷且缺乏生物活動，海水冷卻並攜帶著豐富的CO2下沉，形成具有低溫和高密度特徵的深水。這種情況只出現在北大西洋，格陵蘭島和拉布拉多半島沿岸海區，還有南大洋，但不包括北太平洋。在溫暖的低緯度海區，富集CO2的冷水上升並迅速增溫，使得海水中的CO2因過飽和而大量釋放。
從全球溫鹽環流的角度來說，溶解度泵其實就是高緯度地區海水吸收CO2並下沉的過程，這種過程主要由海水內部的低溫所維持。
海氣碳交換
工業革命以前
在工業革命以前，海洋主要是作為大氣的碳源。每年從海洋到大氣中的淨二氧化碳通量約為0.5Pg C。在全球溫鹽環流的影響下，大氣和海洋之間的碳交換處於平衡狀態，每年大約有1 Pg C會通過低緯度海區的上升流系統被排放到大氣當中，與此同時，同等通量的碳又會在高緯度深水形成的過程中返回到海洋內部。
工業革命以來
在現代海洋中，人類活動導致了海洋-大氣系統中碳循環的失衡。工業革命以來，每年約有7 Pg的CO2被排放到大氣當中。工業革命以前每年從海洋到大氣中的0.5 Pg的淨二氧化碳通量已經被每年從大氣到海洋中的2 Pg的淨二氧化碳通量所取代，海洋從大氣的碳源轉變為大氣的碳匯。在1850到1996年期間，約30%的人為排放的CO2總量被海洋吸收，其中，溶解度泵是驅動這種通量的主要機制。
CO2從大氣到海洋中的淨輸入導致海水中每年約有1 Pg C從低緯輸送到高緯，這種運輸模式與工業革命以前完全相反。海洋對大氣中CO2的淨吸收是CO2的溶解效應造成的，即低緯海洋的淨二氧化碳排放量減少，而高緯海洋的淨二氧化碳吸收量增加。
海洋吸收CO2的物理化學速率會隨著海洋溫度的升高而降低。由於人為氣候變化對海洋環流以及大氣CO2運輸的影響，溶解效應變得更加複雜。雖然自工業革命以來，全球海洋環流似乎還沒有變化的跡象，但這種變化很有可能會在未來的幾個世紀內發生。
未來情境
在未來海洋溫鹽循環沒有發生變化的假定下，IPCC預測大氣中的CO2含量在21世紀中葉將會變成工業革命前的兩倍，而且溶解度泵介導的CO2在表層海水中的溶解效應將部分被預測的升溫過程抵消。Cox等的預測結果也表明，到2100年，海洋對CO2的吸收速率將開始以每年5 Pg C的最高速率飽和。
氣候變暖除了可以直接影響CO2在海水中的溶解量以外，還能通過加劇海水分層來間接作用於溶解無機碳在海水內部的封存量。此外，海洋溫鹽環流的變化(特別是減緩)也可能會減少向深海輸送的溶解二氧化碳量。然而目前仍不清楚這些過程的影響規模，因此難以對溶解度泵進行良好的長期評估。
值得注意的是，人類通過採取向缺鐵海域施加鐵肥和直接將CO2埋藏到深海的措施，直接干預海洋的碳循環過程，可以提高海洋的固碳能力，從而在一定程度上減緩氣候變化，但這樣做也可能會造成無法預測的更大的環境風險。
