迷你世界Laplace 图版 20 — 光合作用

图版 20 · 生命

会呼吸的地球

一棵大树的木头,大部分不是从土里来的,而是从空气里来的。每到夏天,北半球无数的叶子一起“吸气”,连夏威夷的高山上测到的空气都会变化。

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叶子是一座工厂

叶子从空气里吸进二氧化碳,从根部得到水,再借着阳光的能量,把它们变成糖,同时放出氧气。这就是光合作用。

糖是植物的食物,也是它造身体的材料:叶子、树干、根,都是用糖一点点搭起来的。

灰色:二氧化碳 · 白色:氧气

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树是用空气做的

近四百年前,佛兰德科学家扬·巴普蒂斯塔·范·海尔蒙特在一盆称过的土里种了一棵柳树。五年后,柳树重了七十多公斤,土却只少了不到六十克。

多出来的重量从哪里来?他以为来自浇的水。其实,干木头里大约一半是碳,而这些碳全都来自空气里的二氧化碳。

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一年一次深呼吸

1958 年起,科学家在夏威夷的冒纳罗亚火山上,几乎不间断地测量空气里的二氧化碳。曲线每年都上下起伏一次:五月最多,九、十月最少。

春夏,北半球的森林和草原长满叶子,光合作用吸进的二氧化碳比植物和土壤呼出的多,空气里的二氧化碳就变少;秋冬叶子落下、腐烂,二氧化碳又回到空气中。

冒纳罗亚山的二氧化碳 · 近五年 · NOAA

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北边呼吸得更用力

地球的陆地大多在北半球,所以北边的“呼吸”更明显。在阿拉斯加最北端的乌特恰维克,一年的起伏大约是夏威夷的三倍;到了南极点,几乎感觉不到。

南半球陆地少得多,所以那里的季节对空气的影响小得多。

三个观测站的季节起伏 · 2015 至 2024 年平均

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一呼一吸之外

起伏之外,曲线每年都在升高:从 1958 年的约 316 ppm,到现在的 420 多 ppm。ppm 是百万分之一,指每一百万个空气分子里有几个二氧化碳分子。

升高的主要原因,是人们燃烧煤、石油和天然气。人们每年排放的二氧化碳,大约一半被植物和海洋吸走,剩下的留在了空气里。上世纪六十年代,每年升高不到 1 ppm;现在每年升高约 2.5 ppm。

冒纳罗亚山的二氧化碳 · 1958 年至今 · NOAA

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你来试试

拖动日子,让大树走过一年四季:看叶子什么时候吸进二氧化碳,什么时候又还回空气里;右上角是这个月冒纳罗亚山的平均起伏。

试一试拖动日子:冒纳罗亚山的二氧化碳哪个月最多?

模型省略了什么

画面里的二氧化碳和氧气是示意的,真实的分子小到看不见。植物白天和夜里也都在呼吸,放出一点二氧化碳;季节里的变化是吸进和呼出相抵后的结果。季节起伏的曲线是 2015 到 2024 年的平均,单独某一年会有些不同。

一个常见的误解

植物长大,并不是“吃”土。土为植物提供水和少量的矿物质,但植物身体里的大部分物质,是用空气中的二氧化碳和水造出来的。另外,曲线每年夏天回落,并不说明二氧化碳的问题自己好了:每年的最低点,都比前一年的更高。

资料来源

  1. NOAA 全球监测实验室:二氧化碳趋势
  2. 斯克里普斯海洋研究所:基林曲线
  3. NOAA:全球二氧化碳的季节变化
  4. NASA 地球观测站:碳循环
  5. 全球碳预算

数据

Carbon dioxide: NOAA Global Monitoring Laboratory (Mauna Loa, Utqiaġvik, South Pole); Mauna Loa record begun by C. D. Keeling, Scripps Institution of Oceanography. Elevation and seafloor (globe colors): Terrain Tiles on AWS Open Data; ETOPO1, NOAA; GMTED2010 and SRTM, USGS.

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