[转载]海洋酸化

2019-1-19 16:35

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欧洲科学家呼吁努力遏制海洋酸化

(2010-08-29 19:24:55)

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杂谈

欧洲科学基金会在2010年欧洲海事日(5月20日)当天发布的《海洋酸化影响的科学政策简报》对目前的研究作了全面的介绍。该报告强调需在全球范围内协调合作开展海洋酸化对海洋环境和人类社会影响的研究与监测。海洋几乎吸收了大气中温室气体排放量的三分之一，由于化石燃料燃烧致使大气中二氧化碳含量升高，海洋酸化问题日益严重。今天海洋的酸度比过去至少2千万年以来的任何时候都要高，这一化学变化将对海洋生态系统和海洋产出物产生显著影响。有关海洋酸化影响的综合研究仍是一个新领域，海水酸化对海洋生态系统和渔业资源(包括鱼类、贝类和珊瑚礁)的全部影响还尚不清楚。对海洋资源管理进行系统的经济学研究是认识海洋酸化对鱼类及依靠渔业生活的人类群体所产生影响的关键。当前欧洲以及各个国家所开展的研究项目相比较于海洋酸化和全球变暖所带来的双重挑战显得微不足道。现有的研究主要由研究者个人或团队发起，缺少整体协调。两年前欧盟资助实施了欧洲海洋酸化计划(European Project on Ocean Acidification)，去年德国和英国各自实施了国家级海洋酸化研究计划———海洋酸化的生物学影响(BIOACID)和英国海洋酸化研究计划(UK Ocean Acidification Research Programme)。和其他海洋酸化研究项目一样，需要一个能够将分布在欧洲乃至全世界的研究资源充分整合起来的大规模研究计划将它们联系起来。而整合的第一步就是建设一个基于全球国家级海洋酸化研究活动的特定数据库。

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海洋酸化：CO2问题的另一面

卡罗尔• 特里

2008年9月2日

二氧化碳排放正改变着海洋的化学平衡，卡罗尔•特里解释说，酸化将威胁海洋生态系统，而全世界有千百万人依靠它生活。

海洋生态系统占了地球表面积的约三分之二，占了全球初级生产的大约一半，而且具有丰富的生物多样性。海洋还在地球的热传送以及海陆天气系统和气候的决定中起着重要作用。此外，海洋也是地球元素循环和蕴藏的关键。比如，海洋是地球上最大的碳元素仓库（比岩石中的还要多），其碳储存量分别是陆地生物圈和大气的19倍和54倍。海洋生态系统还通过渔业、水产养殖、运输、旅游休闲等产业，维持着千百万人的生计。海洋生态系统地区在地球的生命维持系统中扮演者重要的角色。

人为二氧化碳是引起气候变化的主要温室气体，它同样也改变了海洋的化学平衡。CO2问题的这一半最近才引起注意，但它可能和我们更熟悉的那一半同样严重。

1800年以来，表层海水已经吸收了超过5，000亿吨的二氧化碳，占化石燃料燃烧和水泥产业排放总量的约一半。通过吸收这些多余的二氧化碳，海洋延缓了大气中气候变化的效应。但是海洋所付出的代价直到最近才显现出来。二氧化碳和海水发生反应，形成了弱酸（碳酸），提高了海水的酸性（表现为pH值的降低）。和前工业化时代相比，表层海水的pH指已经降低了约0.1。这可能看起来没有多少，但是pH值是在对数层面上进行测算的，衡量的是水中氢离子的数量。因此，0.1的降低实际上意味着氢离子增加了30%。如果这个趋势继续下去、我们用光所有化石燃料储量的话，海洋的pH值将直降，酸性将增加。到2100年，海水pH值将在现在的水平上（大约pH8.1）降低0.4之多，到2300年降低0.67。如果要让海水化学情况恢复到前工业化时期的水平，必须花上数千年时间，在此期间，表层海水逐渐和深层海水混合，与碳酸钙沉积物发生反应，通过它们的分解慢慢重新提高pH值。

横向：时间（百万年为单位），纵向：海水pH值

图表一：过去（白色菱形，数据来自皮尔森和帕尔默，2000年）和目前的表层海水pH值。未来预测为以IPCC方案为基础的模型衍生价值（特里等，2006年）。

这样的pH值降低远远超过了生物近来所经历的年度正常变化，而且在最近的42万年从未发生过，甚至在过去的数千万年中都是首次。海洋生物的进化因此获得了一个稳定的pH环境。大约5，500万年前，海水 pH值的确曾经降到了2300年将会达到的水平，因此造成了许多海洋底栖钙质生物（贝壳类）的灭绝。但是，那次海水pH值降低用了数千年时间，而目前的这次的速度要快得多，将在几百年甚至几十年的时间里发生。因此，科学家们不但关注海水 pH值降低的水平，也关注其发生的速度就毫不奇怪了。

海水二氧化碳浓度的增加会造成pH值和碳酸离子数量的双重减少，从而降低碳酸钙矿物的饱和值，使得钙质生物更难形成碳酸钙外壳、骨骼和小片。近来，世界大部分表层海水中的碳酸钙矿物都达到了饱和。但是，最近预测未来碳酸钙饱和值的研究利用了IPCC“一切照旧”的化石燃料使用构想，研究表明，由于热带海洋中二氧化碳的浓度翻番，霰石数量——一种珊瑚用来形成硬质礁盘的碳酸钙矿物——将变得过少，珊瑚的钙化降低20-60%，这意味着珊瑚礁的框架可能弱化，变得更易侵蚀。温水珊瑚也遭受到全球变暖的另一项影响：表层海水温度上升引起的珊瑚漂白。按照我们目前的认识，到2050年前后，热带和亚热带海域的珊瑚将变得稀少，原因就是海水温度的上升和霰石饱和值的下降。珊瑚礁生态系统庇护了无数的物种，是最具多样性的海洋栖息地。对于旅游业和渔业来说，它们还具有重要的社会经济价值，而且还起着重要的海岸防波堤作用。

据预测，到2100年，极地和副极地海域的霰石将达到临界或者欠饱和（含量太低了，以至于会对贝壳造成腐蚀，贝壳将溶解）。南大洋（围绕南极的海洋）和北极的大部分海域将出现霰石的过饱和与方解石饱和值的降低，那些依靠霰石和方解石来构建贝壳的生物，如翼足类（海蝶）和贝类在这里就难以生存了。它们是食物网的重要组成部分，鲸鱼和鲑鱼都以翼足类为食，而海象等哺乳动物也主要靠贝类生活。

深海冷水珊瑚作为栖息地的重要性，以及它的广泛地理分布才刚刚开始展现。因此，人们对于珊瑚在不断变浅的霰石饱和界面面前的脆弱性非常关注。在这个界面以下，霰石是欠饱和的，高于这个界面就变成饱和的了。目前这个界面深达数百米甚至数千米，但随着表层海水中的二氧化碳越来越多，它将朝着海面不断上移。在极地高纬度地区，在本世纪内这个界面就会更加靠近海面，这意味着对于深海冷水珊瑚等生物来说高纬度海域将变成欠饱和和腐蚀性的。

图表二，英格兰西南沿岸一幅颗石藻勃发的卫星照片。水中的牛奶状现象是由极其微小的钙化颗石藻类——贺胥黎艾氏颗石藻将碳酸钙从海水中析出而形成的。几百万年前，这类颗石藻勃发掉下的小片落在海床上，很快形成巨大的垩白沉积，比如多佛的白色悬崖。图片提供者：彼得·米勒，普利茅斯海洋实验室。

图表三，电子显微镜下的贺胥黎艾氏颗石藻（直径5微米），可以看到碳酸钙形成的小片。图片提供者：帕特里西娅·齐佛瑞，皇家学会会员哈里·艾德菲尔德教授，剑桥大学地球科学系。

名为颗石藻的微生植物勃发面积十分广大，从太空中都可以看得见。（参见图表二）它们现在是地球上最大的方解石生产者。它们死亡时，碳酸钙小片（参见图表三）就下雨般地落到海底，经过漫长的地质时代，这些小片被埋藏起来，能够形成像英格兰东南海岸的多佛白色悬崖那样宏伟的构造。这些小片还能起到“压舱石”的作用，让残骸中的有机部分更快的沉到深海海床，这样就能赶在有机碳在海面再循环并呼吸变成二氧化碳之前帮助其转化。与此正相反，钙化过程自身会产生二氧化碳。因此，一方面颗石藻有机部分的结晶和下沉会吸引二氧化碳，另一方面通过钙化形成的碳酸钙盘也会降低对二氧化碳的吸引。要弄清这个“微生物泵”不同部分之间在未来高二氧化碳海洋中的平衡，将会是一个挑战，但也很重要，这能帮助我们理解海洋、大气和陆地之间的碳交换。这一点特别重要，因为科学家们发现，当一种重要的颗石藻生活环境中二氧化碳浓度达到本世纪末的预期值时，它们形成方解石小片的能力就会大大降低，以至于钙化减少，小片变得畸形。由于这对地球碳循环具有反馈作用，因此它对微生物泵程度和方向的影响十分重要。

对于变化后的海洋化学环境对海洋生物的影响的研究还刚刚起步，科学家们现在正利用实验室控制实验或者说按照未来二氧化碳浓度配出的海水和海底生物群落（大量的自然封闭空间），再加上复杂的生态系统模型来预测未来的影响。迄今作为研究对象的大多数钙质生物，涵盖了主要的海洋钙质生物群（包括颗石藻、翼足类动物、有孔虫类、珊瑚类、钙化藻、贻贝、牡蛎、棘皮动物和甲壳纲动物），作为对二氧化碳提高的反应，它们的净钙化率都有所降低。在普利茅斯海洋实验室，人们用生物群落的方法来观察高二氧化碳海洋对生活在海床和沉积物内的动物及其生物多样性和生物地球化学的影响。这些动物中有一些在沉积物中打洞或挖沟（如海星、海胆和贝类），它们在维持生物多样性扮演着突出的角色，对于令人窒息的海水也具有重要的化学反馈作用，而且还有助于保持初级生产。其中一些还具有重要的经济价值，可以食用或者作为商业鱼类的饲料。

另外一些实验揭示了海洋酸化和一系列变化间的联系，包括卵受精、胚胎发育、幼体发育和定殖，以及导致生物相互之间以及与其生活环境无法互动的化学诱因变化。生物数量以及群落内互动的变化将显著影响主要功能基的相对构成、活性、时间选择、位置和优势，并由此影响到食物网的其它部分。

现在，海洋酸化已经成为大多数国际海洋研究组织的科研主流。随着对海洋酸化影响的研究出现，将来无疑还会有很多这里没有提到的影响和适应问题。弄清楚这些问题、预测未来海洋生态系统的情况、确定对地球生命维持系统地反馈作用，毫无疑问将是未来几十年中海洋科学家们面临的最大挑战。

表层海水的酸化正在发生，并且随着大气中的二氧化碳增多，酸化还将继续。海洋酸化是伴随世界变暖同时发生的。除非我们马上采取有效措施减少二氧化碳排放，否则生物和生态系统将不得不即刻同时应对多种迅速的全球剧变。从人类的时间轴来说，这些变化将在我们、我们的孩子和孙子的世代里一直持续。我们要求立即减少全球二氧化碳排放，除了未来危险的气候变化外，避免更加严重的海洋酸化是另一个有力的理由。正因为如此，普利茅斯海洋实验室已经在国内和国际层面努力唤起利益相关者和决策者的注意，并且鼓励国内外关于海洋酸化的研究计划。比如，2007年IPCC第四次报告中首次包括了海洋酸化，指出“有大气二氧化碳增加造成的海洋逐步酸化可能对海洋贝质生物（如珊瑚）及其相关物种造成消极影响（相当确定）。”欧盟的反应也很快，开始资助“欧洲海洋酸化研究项目” (EPOCA)，英国自然环境研究委员会已经宣布资助一项大规模的海洋酸化研究计划，德国也在准备进行同样的研究，美国已经在国会通过一项议案，制定一个海洋酸化研究和监测计划。

随着对气候变化关注的增长，人们提出了越来越多的地球工程解决方法。但是，这些方法常常没有把海洋酸化的问题考虑在内。比如，增加平流层的二氧化硫来转移一些太阳能量、用海水泵抽出富含养分的深层海水来增加生产力并吸引二氧化碳，这些方法都没有考虑到海洋酸化，也没有看到对海洋环境潜在的有害影响，比如过多的生石灰进入海洋将吸收二氧化碳、铁和尿素肥料，导致海洋生产力增加，吸引二氧化碳。

图表四，根据不同大气二氧化碳浓度（稳定在从450-1，000ppm的范围内）算出的表层海水pH值降低轨迹，此图被IPCC气候变化评估报告（2007）所采用，并以德国全球变化咨询委员会（WBGU）推荐的数据（2006）作为pH“防护轨”（红线）。

目前，专家意见就是：在全球层面降低海洋酸化影响的唯一办法就是立刻采取切实行动减少大气二氧化碳排放。德国全球变化咨询委员会提出了一个“防护轨”，即世界任何主要海域的pH值都不能低于前工业化时代平均值0.2。否则，我们就无法避免众多迫在眉睫的危险，包括：表层海水的霰石欠饱和、海洋生物钙化的崩溃，以及随之而来的海洋食物网的根本改变。从大气二氧化碳浓度来说，这个防护轨恰恰在450ppm的稳定水平上面一点（参见图表四）。因此，要降低未来海洋酸化的影响，对由化石燃料燃烧引起的全球二氧化碳排放进行即刻而切实的控制十分重要，这也是除避免危险气候变化之外的又一个有说服力的理由。

卡罗尔·特里，普利茅斯海洋实验室科研负责人。

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BIOACID -研究海洋酸化的重大项目

(2010-08-29 19:52:44)

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杂谈

2009年9月1日

今天重大研究项目BIOACID（海洋酸化的的生物学影响）正式启动，这是一个研究海洋酸化对于海洋生物群落影响的协作科研项目。在BIOACID项目下，将通过跨学科的合作研究肖像澄清海洋酸化对于钙沉积以及海洋生物的生长和发育的影响。联邦教育和研究部（BMBF）将在未来三年里向德国各地参与本项目的14个研究机构和大学提供850万欧元的资助。该项目的总负责是变化座落在基尔的莱布尼茨海洋科学研究所（IFM－GOEMAR）。亥姆霍兹联合会所属的阿尔弗雷德．魏格纳极地与海洋研究所担任副协调并获得其中290万欧元的经费。

每年，因燃烧化石能源而排放的二氧化碳的三分之一都会被逐渐变暖的海洋吸收。二氧化碳溶解在海水中之后便形成碳酸，而碳酸盐浓度则下降。这种现象被称作海洋酸化。由缺乏足够的碳酸盐，许多海洋生物借助钙形成壳或者骨骼的能力受抑制。有时甚至象珊瑚礁这样的整个生态系统都会受到影响。实地考查发现，海洋酸化当下已经在一些重要的钙形成生物体上产生了可以观察的到的影响。此外在一些由于火山二氧化碳而天然酸化的栖息地，物种的构成也出现了变化。额外的CO2使得只有少数的钙形成生物可以继续存活，其他生物则因为找不到足够多的碳酸盐去合成自己的壳。只是现在尚不清楚海洋酸化的严重程度对于个别物种和整个生态系统的影响，以及最后对于渔业的影响。

极地区域可能对于海洋酸化反应更敏感。“二氧化碳在寒冷的水中溶解度更大，” 阿尔弗雷德．魏格纳研究所动物生理学家在和本项目的副协调员汉斯－奥托．波特纳（Hans-Otto Pörtner）教授解释说。“因此不论是从起点或者从未来预期的水化学变化来看都将比在温暖的海洋更苛刻。此外，由于气温低，在极地海洋中的许多生物过程更缓慢，这使生物体适应CO2浓度升高的能力可能更低。”已经适应了极端环境条件的物种对环境的改变反应更敏感。因此，极地地区是一个研究海洋酸化对于食物链以及生态系统的影响的模型地区。“凭着在在极地海洋研究领域的积累和专长，阿尔弗雷德．魏格纳研究所将为这个BIOACID项目做出重要贡献”，波特纳说。

更多信息以及协作项目BIOACID中的所有伙伴名单可以从通过以下链接下载Pressemitteilung des IFM-GEOMAR.。

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2010年08月29日

(2010-08-29 19:55:38)

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杂谈

【海洋酸化】探究解决海洋酸化途径

　　2009年8月中旬，世界各国科研人员聚会，拟议出一个被严重忽视的环境问题研究计划——海洋逐渐酸化的解决途径。工业革命以来，由于海洋吸收大气中二氧化碳的缘故，导致海面酸碱值下降了约0．1个单位。这种现象足以构成对海洋生物的危害。研究人员告诫，海面酸碱值很可能到2100年再下降0．5个单位。如果现在不采取措施削减二氧化碳排放量，海洋酸碱值还会逐步下降，有可能会达到科学界公认的，引发地球史上灾难性生物灭绝的程度。

　　德国生物学家乌尔夫·里布泽尔指出：“我们正承载着极大风险，从过去100年地质学看，海洋化学成份将会发生根本变化，而且至关重要的是生物体可能无法适应这种变化。”

　　海洋科学家聚首英国普利茅斯海洋实验室，在对诸多危害深入研究后，开始着手拟定一个涉及广泛领域的研究计划。该计划估计今年晚期定案，将囊括多项关键科学课题，并且为资助相关机构和研究人员作出蓝图。

　　酸化对海洋生物体影响的研究始终占有一席之地。研究人员在7月公布的研究结果显示，浮游生物的外壳和珊瑚的坚硬骨架将随着海洋酸性加剧开始溶解。丧失这些海洋生物，会对整个海洋食物链带来无法估量的后果。

　　普利茅斯海洋实验室资深科学家卡罗尔·特利宣布，研究人员将调查从细菌到脊椎动物等多种海洋生物的生长、生殖和适应酸化海洋的能力。上述实验结果将有助于形成公海多项研究的议定书。借助附着海洋浮标上酸碱值传感器之类测量工具，研究人员将致力于追踪海面和海底之间以及沿海和公海地区之间敏感生态系统各种相互作用。

　　特利还指出，利用计算机模拟海洋化学成份可能发生的变化并且确定它们会如何影响气温、含盐量以及可获取的营养成份是另一大优先科研项目。研究人员还计划向海中释放二氧化碳，旨在模拟长期变化效应。综合这些研究成果，将揭示生物地球化学、物种多样性和进化在一个酸化海洋中会发生的变化。

　　生物学家里布泽尔希望这些始创计划将对资助相关研究机构有所影响，这些倡议规划将受一体化海洋生物地球化学和生态系统研究工程的监督。他直言不讳地说：“我们对海洋的过去十分了解，但是我们要依靠研究人员告知我们更多有关海洋未来的信息。”

监测海洋生态系统

　　监测海洋生态系统变化尽管目前海水中的碳只有很少一点以溶解二氧化碳的形式存在，这种稀有性限制了某些类型的浮游植物生长，其中许多种植物将宝贵的能源用于把二氧化碳集中到它们的细胞内部。这样，人们就可以推测溶解二氧化碳的增加对它们是否有利。然而，对于这种“施肥”效应的认识还不足以肯定对浮游植物未来的预测，或者说还不足以预测二氧化碳浓度升高，是否有利于生活在珊瑚内部进行光合作用的藻类。许多海洋浮游植物使用H二氧化碳3—1来进行光合作用。此外，因为H二氧化碳3—1的浓度基本保持不变，生物学家预测这些生物不会大量增加。某些高等植物例如海草，直接利用溶解二氧化碳，可能得益于二氧化碳水平提高，正如陆地植物有望得益于大气二氧化碳气体浓度升高。

　　科学家如何更好地监测海洋生态系统对酸化的反应呢?目前，该领域最新工作大多数只涉及单一物种的短期实验室研究。此外，科学家们还开展了一些小规模实地研究，以考察在深海谨慎处置大气二氧化碳可能伴随的急性效应。例如正在考虑的一种策略是捕获二氧化碳，并将它们与大气隔离。虽然这项工作提供了有益的信息，但是其结果不能轻易地用来理解长期暴嚣在适度低pH值条件下的后果，也不能直接从实验室研究外推到整个生态系统，而整个生态系统中，许多生物都发生相互作用。

　　要更现实地评价这个问题，一种可能的方法就是人为提高一片海域中或一片珊瑚礁上的二氧化碳水平，时间持续数月到数年。在陆地上，这样的实验已经普遍进行，这些实验涉及大规模调控二氧化碳水平，而目前，海洋科学家和工程师才刚刚开始探索将这种方法扩展到海洋的合理性。另一种策略是研究海洋生物如何在pH值长期低下的区域里生活，例如太平洋上的加拉帕戈斯群岛，那些岛屿就浸泡在天然含有丰富的二氧化碳的海水里。第三个策略可能是考察各时代的地质记录，那些时代的二氧化碳浓度要比现在要高得多，而推测起来，那时的海洋pH值也比现在要低得多，例如，发生在大约5500万年(古新纪一始新世极热时期)前的气候异常温暖间期，当时很多海洋生物都灭绝了。今天许多科学家关注的问题是，现在的酸化过程比过去发生的任何事情都要快，因此海洋生物没有时间去适应。虽然人们可能看不到海洋酸化的影响，但是海洋环境的巨大变化似乎不可避免。

未来研究需求和研究向政策的转化

越来越多的证据表明．海洋环境及生态遭受严重破坏的原因或许是因为人类活动释放的过量二氧化碳，所引起海洋酸化所引起。但相关的研究工作还极其不够，这主要表现在缺乏提供长期试验的资金、缺乏为相关试验框架进行监测及现场模拟的资金。正如Kurihara等所言：“海洋酸化对生物和生态系统影响的研究仍处于起步阶段”。研究海洋酸化对生态系统的影响，关键的一点是扩大评估物种的范围。例如，尽管石灰化型浮游生物物种是海洋生态系统的基本组成部分，但迄今为止只有不到2％的物种被评估。现在需要优先考虑的是有壳翼足目生物和深海石珊瑚两类分泌文石的生物，进行相关试验评价海水在现有吸收二氧化碳速率条件下对过饱和碳酸钙的消溶影响。更宽的评价将有助于促进适时预防措施和潜在应对方法的开发和应用。

　　现阶段有关酸化研究中一个很大的限制条件是所有试验都是在实验室中进行的，这就涉及几个问题：第一，试验不能持续足够长时间评估物种遭受酸化条件威胁时是否能适应这种酸化环境，它们也不能采取物理调节或迁移等措施：第二，实验室的研究通常都只是集中于某个物种而非一个生物群落，所得结果不能用来评估酸敏感物种被更耐酸或对酸更迟钝的物种替代的可能性．而这种替代能够维持生态系统的完整性：第二三，生态系统的缺失使评价酸化对营养的影响成为不可能，而营养功能是海洋生态系统中许多石灰化生物作为关键角色的构成条件。相关试验必须评估气候变化导致的开放性水体温度升高与二氧化碳：浓度升高之间对海洋生物的协同影响，其他潜在的协同因子(污染和捕捞等)也必须在研究中加以考虑。最后．酸化试验必须包括酸化对海洋石灰化型生物早期发育的潜在影响评估，这是因为，第一，生命的早期阶段通常对环境变化非常敏感：第二，大多数深海生物都有浮游的幼体阶段及此阶段的波动变化，以致对群落大小产生复杂影响。例如。桡足类动物的繁殖速率和幼体发育都对海水中二氧化碳浓度的增加非常敏感，而成体雌性个体在相应浓度条件下却不受影响。

　　证明海洋酸化对海洋生态系统其他方面造成的危害也有必要进行相关研究，这能为政策制定提供更详细且科学的资料。国际上已经有两个控制二氧化碳排放的基本框架：《联合国气候变化框架公约》和在其基础上签署的《京都议定书》。协议各方应为减排一揽子温室气体而承担相应义务。如果二氧化碳，引起的海洋酸化还会导致海洋生态系统产生额外更大风险的话，《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》的各协约方可以修正他们的目标，以集中精力减排二氧化碳，另一方面．各协约方应该制定自己的目标，也就是必须与气候变化做斗争，其他国际问的论坛或对话才会对此问题有更高的关注度。例如，联合国海洋公约法要求缔约国“阻止、降低并控制任何来源的海洋环境污染”，包括“通过陆地和／或空气排放有毒、有害物质尤其是持久性有毒有害物质”咖。很明显，人类活动释放的巨量二氧化碳进入海洋环境时已经成为了典型的有害物质。

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2010年08月29日

(2010-08-29 20:20:49)

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杂谈

The People

Ten scientific institutions are participating in the Pelagic programme and the scientists are listed below. Many other people are also involved, including support, technical staff and divers. The support and technical staff provide vital assistance to the scientists in maintaining and setting up their equipment. The divers are essential for setting up the mesocosms as well as collecting marine animals used in some of the experiments. Click on each name to find out more about the person.