大气层CO2均衡评估

地学演绎 莫如波 2023.2.11

    <一>.关于世纪性全球气温与大气C02浓度观测：与大气CO2最亲密的是雨水，CO2可以以HCO3-形式溶于雨水中，气候温度升高时往往会导致降雨量增加，例如我国内陆沙漠地区近一二十年降雨量就有所增加，降雨量增加降水对岩土的淋滤作用就会增强，会消耗更多的CO2。说不定来个雨季就把多留在大气中的CO2冲洗得干干净净。对于世界各地的观测数据，像半个世纪、一个世纪气温上升零点几个摄氏度，大气CO2浓度增加多少个ppm等，时间那么长地球那么大还有空间高度，就一天中都还有24小时，那些数据是如何得出的？就算现在能测到但半个世纪一个世纪前的仪器设备的精度能满足要求吗？难以置信，会不会是刻意凑数？再有极地冰芯所封闭气泡中的CO2浓度的测定，如何能代表古时大气中的浓度？埋于冰层受压力作用，不同分子量的气体都会跑会泄漏，哪种跑多点哪种跑少点有没算过？细想一下问题就会有，数据都来自西方，国内往往不加思索就引用利用。没什么印象有国内学者出过自己的观测数据或去验证过国外的数据，像上世纪六七十年代出的四五亿年前的每年天数，都写入高校教科书里了，想起来都是很无语。

    <二>.大气二氧化碳浓度主要影响因素：导致浓度降低的主要因素有降水淋滤岩土、植被吸收；导致浓度增加的主要有幔源释放及火山喷发、海水升温释出、人类碳排放。降水淋滤岩土与植被吸收为较稳定因素，人类出现前就有，考虑到海水温度不变及降温时，不会为大气层释放更多的CO2，因此，大气CO2必须有一种强大的供给源，不然的话很快就被消耗掉地球会变成“雪球”,这种供给源只有是幔源释放。从CO2静态量与植被吸收量对比来看，大气层CO2的循环更替是很频繁的，估计在二十年左右质量就被替换一遍，最多不超过50年。人类的碳排放也很快被淹没在循环更替的漩涡之中。估计气温变化比CO2浓度变化滞后20～50年。几百万年至上亿年周期的气候变化取决于CO2的幔源释放与降水淋滤消耗。海洋是CO2的储调库，是大气CO2浓度变化的倍增器，海水表面温度上升时CO2往大气层跑，加快气候变暖；表面温度下降时海水会溶解更多的大气CO2，加速气候变冷。这些是地球气候稳定与变化的基本因素，是大舵。

    <三>.CO2幔源释放量、海水释放量、降水淋滤消耗量、植被吸收量大小评估：石炭二叠纪有大冰期但没有冰封全球，表现为海水吸收CO2，当时幔源释放量在一定程度上小于淋滤消耗量与植被吸收量之和，侏罗白垩纪高温期，表现为幔源释放量、海水释放量大于淋滤消耗量、植被吸收量。由于地球植被规模变化很大，例如泥盆纪之前连植被都还没有或者非常稀少，早中三叠世植被少温热干燥，晚白垩世植被发育但并不是冷气候而是温热期；而相对来说幔源释放量、海水均衡释放即较为稳定，所以要维持相对平衡，淋滤消耗量必须很大，即淋滤消耗量及幔源释放量必须远大于植被吸收量。地球植被上规模之前主要是靠淋滤消耗、幔源释放这两项来维持气候平衡的。海洋起着储调与放大作用。海水CO2含量与大气CO2浓度呈反相，即高温期海水CO2含量低，大气CO2浓度高，而低温期海水CO2含量高，大气CO2浓度低。《自然》杂志上有实证：中新世晚期北太平洋微浮游生物微体化石分析，广大海域海水温度比现在高出5～7.8℃，但CO2浓度却相当低，与工业革命前水平相当。显生宙气温变化曲线、显生宙气候与植被系列图

    早期表达CO2排放量是换算成以原子碳C计的，比如2010年《科学》论文上人类燃烧化石燃料释放的70亿吨就应该是以碳计的，后来每年释放的300多亿吨应该是按分子CO2计。同篇论文植物光合作用吸收的1230亿吨应该也是以碳计，是当时人类碳排放量的1230/70＝17.6倍，大得厉害，换算成分子CO2计达到每年4510亿吨。大气层必须有足够强大的CO2供给源，不然的话早就被清空，地球变成个“雪球”。

    综述：CO2植被吸收远小于淋滤消耗，而植被吸收是人类碳排放的十几倍，可见人类碳排放在大气CO2更替循环中所占份额足够小；幔源释放是大气CO2均衡中最有力的供给源，板块俯冲带释放幔源CO2在大气CO2均衡中得到验证；甲烷对大气层温室效应所起的作用可以忽略了。本文派生于对板块俯冲带流体挥发份的探讨。

    相关内容：18年全球山地森林面积损失“1个青海” (评：全球林地损失或成全球变暖的元凶。2001年至2018年山地森林损失7.1%，大气CO2浓度增加了10%）

  
1990～2018年中国青海瓦里关和美国夏威夷冒纳罗亚（来源同右图：>>>)

    氢渗漏可能解释了通常被称为仙女圈的神秘洼地。在这张北卡罗来纳州沿海的激光雷达图
像中，直径数十或数百米，有些宽度超过 1 公里。在卡罗来纳州海湾，发现它们正在泄漏氢
气，其浓度随着深度的增加而增加。研究者认为是氢溶解了下伏岩层的矿物，导致地面塌陷。		巴西一个泄漏氢气的大型仙女圈奇怪地没有植被。
研究者推测可能与嗜氢微生物消耗了其他营养物质有关。

    2023年2月16日 科学新闻（埃里克·汉德）,隐藏的氢气，地球是否拥有大量可再生、无碳的燃料？天然氢气现在被认为是水和富含铁的矿物质（如橄榄石）之间的一系列高温反应产物。当地下水在高温和高压下与铁矿物发生反应时，天然氢气总是被快速重新制造。橄榄石主导着地球的地幔，一种常见的反应称为蛇纹石化，因为它将橄榄石转化为另一种称为蛇纹石的矿物。在这个过程中，铁氧化，从水分子中抓住氧原子并释放氢气。富含铁的绿岩带，是古代大陆碰撞过程被挤压在克拉通之间的洋壳残余，如果橄榄石和其他矿物质埋藏得足够深，温度超过200℃，但仍暴露在从地表渗透的水中，它们可以产生氢气。Sherwood Lollar及其同事研究了地球克拉通的构成，发现蛇纹石化应该产量高达80%地球的氢。第二种机制是放射裂解，岩石中的微量放射性元素辐射可以在地下分裂水分子并产生额外的氢气。地球深处水岩反应不断产生氢气，氢气通过地壳向上渗透，有时积聚在地下陷阱中。地球内部可能储存有可满足人类数千年迅速增长的全球能量需求。石油天然气能源行业怎么会忽视氢这么久？其中一个原因是氢在产生石油和天然气的沉积岩中稀缺，例如富含有机物的页岩或泥岩，当压实和加热时，这些岩石中的碳分子消耗任何可用的氢并形成更长链的碳氢化合物；石油在迁移到多孔“储层”岩石（如砂岩）时遇到的任何氢都倾向于反应形成更多的碳氢化合物；氢还可以与岩石中的氧气反应形成水，或与二氧化碳结合形成“非生物”甲烷；微生物吞噬它以制造更多的甲烷。（英文付费阅读网页浏览器翻译摘编，参考博文>>>、>>>）

已发表的地史时期大气CO2浓度（利用豆包搜集.2026.6.18）

（第四纪为冰芯直接记录，置信度最高；古近纪、新近纪为2023年权威数据整合；中生代、古生代利用全球显生宙多代综合模型、综述数据库）

地质年代、时期 大气 CO2 浓度范围 方法 文献作者 年份 期刊 DOI
全新世 + 工业革命直接观测工业前基准：275～280 ppm（1700～1800 CE）；2026 实测 422 ppm。数据集：NOAA Mauna Loa，长期记录 Keeling, C. D. et al.，1958 至今；冰芯全新世重建：MacFarling Meure et al., 2006, Geophys. Res. Lett.
Vostok 经典 42 万年冰芯冰期～190 ppm，全新世 280 ppm。　Petit, J. R., et al.1999Nature10.1038/20859
EPICA Dome C 80 万年来完整冰芯冰期-间冰期旋回冰期 180～200 ppm；间冰期 270～300 ppm；末次间冰期 Eemian 最高 298 ppm。南极冰芯包裹气泡直接气体分析。Bereiter, B., et al.2015Geophysical Research Letters10.1002/2014GL062894
南极蓝冰延伸至 200 万年古大气气泡早更新世间冰期稳定 ≤300 ppm，无超过 320 ppm 记录。Allan Hills 蓝冰古气体。Yan, Y., et al.2019Nature10.1038/s41586-019-1609-1
中新世 15 Ma 以来甾烷碳同位素连续记录区间 15～0.3 Ma，CO2由 650 ppm 稳步降至 280 ppm。海洋生物标志物连续高分辨率序列。　　　　
新生代（66～0 Ma）权威整合数据集 PETM 古新世 - 始新世极热事件（56 Ma）基线 900 ppm，峰值 1800～2000 ppm；早始新世极热期 EECO（51 Ma）峰值 1600 ppm；始新世末 / 南极冰盖启动 33.9 Ma，720 ppm，之后持续下跌；中新世气候适宜期 MCO（16.9～14.7 Ma）450～550 ppm；上新世中期暖期 MPT（3.3～3.0 Ma）330～420 ppm。代用指标整合：有孔虫硼同位素 δ¹¹B、烯酮碳同位素、古土壤、植物气孔指数。CenCO2 PIP Consortium2023Science10.1126/science.adi5177
白垩纪（超级温室）GEOCARBSULF 模型：早白垩 1400～1800 ppm，晚白垩逐步降至 700 ppm（Berner, 2006）；浮游有孔虫硼同位素：森诺曼期大洋缺氧事件 OAE2，1100～1500 ppm（Foster, 2017）。GEOCARBSULF 模型；浮游有孔虫硼同位素。　　　　
侏罗纪（恐龙鼎盛温室期）晚侏罗世均值 1200±150 ppm；晚白垩世 750±200 ppm。恐龙牙釉三重氧同位素重建（全新中生代独立代用，2025 新方法）。Feng, D. S., et al.2025PNAS10.1073/pnas.2504324122
晚二叠 - 早三叠世 P\T 界线大灭绝序列长兴期末 410～920 ppm；早三叠世峰值 2180～2610 ppm；中三叠世回落 340～630 ppm，持续 5 百万年超 2000 ppm 温室状态。古土壤气压计。Joachimski, M. M., et al.2022Geology10.1130/G49746.1
石炭 - 二叠纪（晚古生代大冰期）晚石炭冰期 250～350 ppm，接近现代间冰期；二叠纪中期回暖，回升至 600～900 ppm，末期火山喷发抬升 CO2触发大灭绝。古土壤 + 植物气孔综合。Royer, D. L.  2006 PNAS　
泥盆纪（森林大规模起源，CO2快速下跌）泥盆纪之前普遍 ＞1500 ppm；森林扩张后长期稳定 ＜1000 ppm。　Franks, P. J., et al.　2014Geophys. Res. Lett.10.1002/2014GL060457　
奥陶纪 - 志留纪（早期陆生植物未大规模出现）奥陶纪均值 2200～2800 ppm；赫南特冰期（445 Ma）骤降至 600～900 ppm。　Pancost, R. D., et al.2013Earth-Science Reviews　

寒武纪及元古界大气CO2浓度采用叠层石钙化、硼/三重氧同位素、盐岩包裹体、新一代碳循环模型低值端（更贴近常规认知的低 CO₂ 浓度，按 1 PAL＝420 ppm 换算）：
寒武纪长期均值 2520～5040 ppm：新一代碳循环模型（Mills 2024，修正 Berner 2006 高估），寒武纪长期均值 6–12 PAL，峰值不超 15 PAL；
中寒武世 505 Ma，2940～5040 ppm：修正蓝藻碳浓缩机制后 pCO 7–12 PAL，原始未校正文献为 12–18 PAL；
早寒武世 540–520 Ma，2000～3500 ppm：约 5–8 PAL，大幅低于 GEOCARBSULF 15–20 PAL；
新元古代埃迪卡拉纪晚期 560–541 Ma（寒武纪前夜)，2100～4200 ppm：硼同位素重建海水 pH 反演 5–10 PAL，而非 Berner 2006 模型的 30 PAL 高值；
新元古代雪球地球冰期（717–635 Ma)，420～1260 ppm：约 1–3 PAL，和新生代冰室接近；
中元古代 1.1 Ga，840～1260 ppm：用北美裂谷古土壤校正后低值，原始未校正 4–6 PAL；修正土壤呼吸参数后仅 2–3 PAL；
中元古代 1.0–1.2 Ga，1680～2520 ppm：叠层石钙化屏障 pCO₂ ＜10 PAL（＜4200 ppm），最优约束 4–6 PAL；
中元古代 1.0–1.6 Ga，630～1470 ppm：新一代板块脱碳模型 PreCOSCIOUS 平均 1.5–3.5 PAL，否定 100 PAL 级别极端高值；
中元古代 1.4 Ga，1260～2100 ppm 或 ≥5040 ppm：三重氧同位素下限（硬约束） pCO₂ ≥12 PAL（下限，仅排除极低 CO₂，不支持上百 PAL）,若搭配高甲烷，pCO₂ 可降至 3–5 PAL。