气泡介导的非对称气体传输增强全球海洋CO2吸收

《Nature Communications》：Asymmetric bubble-mediated gas transfer enhances global ocean CO2 uptake

本研究针对传统对称方程估算海气CO2通量的偏差问题，通过分析4082小时涡动相关观测数据，首次提供气泡介导非对称传输的直接证据。研究发现非对称方程使全球海洋CO2吸收量增加0.3-0.4 Pg C yr-1（约15%），对全球碳循环评估具有重要革新意义。

　　

在全球气候变化背景下，海洋作为地球上最大的碳汇，其吸收二氧化碳的能力直接影响着大气中温室气体的浓度。准确量化海气界面二氧化碳交换通量，因此成为气候预测和减排政策制定的关键科学依据。传统上，海气CO₂通量的估算依赖于一个“对称”的体公式（公式1），即通量等于气体传输速率（K）与海气间CO₂浓度差（ΔC）的乘积。这个公式隐含了一个假设：无论是海洋吸收二氧化碳（入侵）还是释放二氧化碳（逃逸），气体交换的效率是对称的。然而，理论研究表明，由波浪破碎产生的气泡所介导的气体传输路径可能打破这种对称性。由于静水压力的作用，淹没在水中的气泡内部气体处于超压状态，这会导致气泡向海水中传输气体（入侵）的效率高于从海水中向气泡内传输气体（逃逸）的效率，即存在“非对称”传输。尽管这一理论已被用于解释难溶性惰性气体的过饱和现象，但对于CO₂这种溶解度适中且受生物活动影响的温室气体，其非对称传输一直缺乏直接的现场观测证据。这种证据的缺失，给全球海洋碳汇的估算带来了不确定性。

为了解决这一关键问题，由GEOMAR亥姆霍兹海洋研究中心的Yuanxu Dong博士领衔的国际研究团队，在《Nature Communications》上发表了一项题为“不对称气泡介导的气体传输增强全球海洋CO₂吸收”的研究。该研究通过重新分析一个包含4082小时观测数据、覆盖17个航次的大型涡动相关（EC）通量数据集，首次为CO₂的非对称气泡传输提供了直接的现场证据。研究人员创新性地采用了一种二维拟合方法，将CO₂通量同时作为风速（U₁₀）和浓度差（ΔC）的函数进行拟合，从而避免了在低ΔC条件下推导气体传输速率（K）的不稳定性，使得弱入侵和弱逃逸条件下的宝贵数据得以被利用。

研究的关键技术方法主要包括：利用覆盖全球多个海域的涡动相关技术直接测量海气CO₂通量；采用二维拟合方法分析通量与风速及浓度差的关系；结合气泡动力学模型估计不对称因子（Δ_s）；并基于¹⁴C库存的气体传输速率参数化和再分析数据（ERA5风场、SOCAT海表fCO₂等）重新评估了全球海洋CO₂通量。

证据表明存在不对称的CO₂传输

研究人员将数据根据海气CO₂逸度差（ΔfCO₂）分为四组：强入侵、弱入侵、弱逃逸和强逃逸。当使用对称体公式进行二维拟合时，推导出的气体传输速率（K^2D_Sy）在这四组之间出现了显著的系统性差异，其规律与理论预测的非对称效应完全一致：弱入侵组的K值最高，其次是强入侵组，再次是强逃逸组，而弱逃逸组的K值最低。这种差异在风速高于10 m s^-1时尤为明显且具有统计学意义。这强烈暗示对称方程在描述包含气泡过程的CO₂交换时存在偏差。

非对称方程统一了传输速率

随后，研究引入了非对称体公式（公式2），该公式包含一个由气泡超压效应导致的不对称因子Δ_s。研究人员通过两种方法（重新分析EC数据以及基于现有K参数化推导）确定了Δ_s随风速变化的参数化关系。当使用非对称方程重新进行二维拟合后，之前四组数据间气体传输速率（K^2D_Asy）的巨大差异基本消失，不同通量机制下的K值收敛到一条共同的曲线上，不再有显著差异。这表明非对称模型能更一致地反映不同通量条件下的物理过程，验证了气泡介导的非对称传输对CO₂交换的重要性。

不对称性对大规模CO₂通量估算的影响

基于这一新认识，研究重新评估了1991年至2020年间的全球海气CO₂通量。结果表明，使用非对称体公式计算出的全球海洋CO₂吸收量，比使用传统对称公式的计算结果平均每年高出0.33至0.41 Pg C，增幅约15%。这种由不对称性引起的通量增强（ΔFlux）无处不在，但在南大洋（35°S以南）最为显著，约占全球总量的一半。ΔFlux在空间上主要受风速驱动，在时间上呈现出增强趋势（约3 Tg C yr^-1/十年），并具有明显的季节变化（冬季强，夏季弱）。值得注意的是，ΔFlux始终为负值，意味着气泡超压效应总是增强海洋对CO₂的吸收。

此外，研究还重新评估了“冷皮肤”效应（海表冷却层对CO₂溶解度的影响）的校正。传统上冷皮肤校正应用于总气体传输速率，但理论上它只影响界面传输，而气泡传输会绕过冷皮肤层。研究通过仅对界面传输部分应用冷皮肤校正，得出其对全球海洋CO₂吸收的增强效应约为0.25 Pg C yr^-1，低于先前约0.4 Pg C yr^-1的估计。综合非对称传输和更新后的温度效应校正，全球表层海洋呈现净CO₂入侵的区域比例从约65%增加至约75%。

研究结论与讨论

这项研究通过对大规模现场通量观测数据的创新性分析，为海气CO₂交换中存在气泡介导的非对称传输提供了直接证据。研究结果表明，传统的对称通量方程系统性地低估了全球海洋对CO₂的吸收能力，平均低估幅度约为15%。这意味着海洋可能比我们之前认为的吸收了更多的 anthropogenic CO₂。研究发展出的非对称通量方程和不对称因子参数化方案，为未来更准确地评估海气CO₂通量和全球碳循环提供了关键工具。

然而，研究也指出当前估算仍存在不确定性。现有的通量数据集主要由入侵条件下的观测主导（占86%），而逃逸条件下的观测数据相对匮乏，这限制了对全球不对称性效应估算的置信度。未来迫切需要优先在高风速和不同海况下针对CO₂逃逸过程进行更多直接观测，并结合不同溶解度的气体测量，以进一步约束不对称因子，减少不确定性。将自主观测平台（如浮标、Saildrone、Wave Gliders等）更广泛地应用于海气通量监测，将为精确的体通量估算提供至关重要的参考。总之，这项研究革新了我们对海气界面气体交换过程的理解，强调在未来所有的CO₂通量评估中，都应采用非对称方程以获得更真实的气候预测。