2024-04-29 06:03 来源：得道网
海洋是地球的气候英雄。
几十年来，海水帮助遏制了全球变暖的势头，自工业革命开始以来，海水吸收了至少三分之一的人类活动排放的二氧化碳。
现在，世界可能会要求海洋做更多的事情。这需要对海洋的化学和生物学进行修补，以增加它吸收的碳量。
气候模拟表明，这种方法值得考虑，因为仅通过减少碳排放来限制气候变暖的窗口期正在迅速关闭。一些科学家说，要想在2100年之前阻止气候变化带来的最严重影响，就需要积极地将碳从大气中抽回——其规模只有在海洋的帮助下才能实现。
根据政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change)的数据，到本世纪末，与工业化前相比，地球的温度将上升约3.2摄氏度。即使所有国家都实现了目前的减排承诺，世界仍将升温约2.7度(SN: 10/26/21)。
这高于2015年由195个缔约方签署的国际气候条约《巴黎协定》设定的1.5至2度的目标。事实上，地球的平均温度可能会在本世纪30年代中期超过1.5度的基准(SN: 12/15/23)。温度的每一次升高都增加了灾难性后果的风险，包括致命的热浪、更强烈的风暴以及由于冰融化和海平面上升而导致的沿海城市淹没。
从大气中去除碳的技术可能有助于在本世纪末将温度调低。位于马里兰州银泉市的美国国家海洋和大气管理局的地球化学家Gabriella Kitch说:“最新的IPCC报告指出，为了达到[巴黎协定]的气候目标，我们必须采用二氧化碳去除技术。”
二氧化碳去除技术(CDR)尚处于起步阶段，目前每年仅从大气中吸收约20亿吨二氧化碳。这只是人类每年能源消耗所排放的370亿吨二氧化碳的一小部分。大部分CDR来自森林，无论是通过种植新树，重新种植老森林还是更好地管理现有的生长(SN: 7/9/21)。
基奇说，为了实现《巴黎协定》的目标，世界需要加快步伐，到2050年每年减少100亿至150亿吨二氧化碳。到本世纪末，大气中的二氧化碳总量将达到4000亿到1万亿吨，这个范围取决于我们减少碳排放的速度。
基奇说，陆地CDR，包括植树、恢复沿海生态系统和建造直接从空气中捕获二氧化碳的设施，可以让我们在一定程度上实现这一目标。但基奇说，所有陆地方式的碳吸收每年加起来只有100亿吨左右。她补充说，这样的计算需要确保有足够的土地面积来保护食物、水和生物多样性。“这让我们到了2050年，但那之后呢?”
这就是海洋的作用。“海洋最大的优势在于它的容量，”基奇说。“海洋可以储存的碳量是陆地的19倍。”
有几个基本的方法可以提高海洋目前的碳吸收量:增加海洋光合生物的丰度，提高水的碱度，这样它就可以吸收更多的酸性二氧化碳，并在海上建造巨大的设施，直接从水中吸收碳。
但蓝色大洋的CDR在很大程度上没有经过测试——从这个意义上说，海洋的浩瀚既是一个特点，也是一个缺陷。海水是复杂的，总是在运动，使得化学变化极难监测。而且关于大片海洋的基线数据很少，这将使评估CDR的工作效果变得困难。目前的观测技术，如传感器，可能无法应对这一挑战。
最重要的是，长期以来人们一直担心对环境的影响，而这方面的数据很少。批评人士指出，区域水属性的变化可能会在生态系统中产生连锁反应。例如，培育浮游植物可能会改变当地的食物网，甚至产生温室气体。处理大片海水以去除碳可能会对当地野生动物构成威胁。
但最大的挑战是时间。在气候危机恶化之前，研究人员正在竞相探索这些未知的水域。
在被植物吸收或被岩石分子结构吸收之前，二氧化碳可以在大气中停留几个世纪。然而，这些天然的碳“汇”速度太慢，无法与化石燃料燃烧和其他人类活动的排放速度相提并论。
夏威夷大学马诺阿分校的海洋学家David Ho去年在《自然》杂志上写道，CDR可以被认为是“一台时间机器”。从大气中剥离一些二氧化碳就像回到浓度较低的早期。
例如，世界上最大的直接空气捕获工厂，Climeworks位于冰岛的Orca工厂，每年可以去除多达4000吨的二氧化碳。何估计，这可能会使时钟每年倒退3秒。
马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)所长、古气候学家彼得·德·梅诺卡尔(Peter de Menocal)说，在全球种植1亿棵树，每年可以挽回大约33分钟的时间。
如今，海洋每年自然吸收全球约四分之一的碳排放量。这相当于每年将时钟拨回大约三个月。
海洋的碳储存能力是巨大的。例如，从一万年前到工业革命开始，大气中的二氧化碳浓度约为百万分之280。但在大约2万年前的最后一个冰河时代的鼎盛时期，这一浓度仅为百万分之180。冰河时期“消失”的100ppm二氧化碳全部储存在海洋中，部分原因是当时海洋环流减少。
“60年前，大气中的二氧化碳浓度也比现在低百万分之100，”de Menocal说。换句话说，海洋的自然吸收有能力将时钟拨回60年。有了基于海洋的CDR，时钟可以进一步推后。
但潜力并不是证据。“几乎所有(CDR策略)都还处于早期阶段，”西雅图西北太平洋国家实验室的碳生物地球化学家杰西卡·克罗斯(Jessica Cross)说。
美国国家科学院、工程院和医学院在2021年建议，未来十年需要近25亿美元的研究资金，以真正推动该领域的发展，这凸显了对更多研究的迫切需求。
去年9月，当美国国家海洋学合作计划(一个连接联邦机构、学术界和工业界的资助联盟)拨款2400多万美元资助17个海洋CDR研究项目时，大量资金涌入。去年10月，美国能源部宣布为其他11个项目提供3600万美元的资金。
下面的快照展示了讨论最多的海洋CDR类型，揭示了每种策略的利弊，以及研究人员在社会向前发展之前必须回答的关键问题。
红色、绿色和棕色海藻——或者在科学界称为大型海藻——生长迅速，有些品种每天能长高几十厘米。为了促进这种生长，这些光合作用植物迅速吸收海洋中的二氧化碳。当藻类死亡时，它们下沉到深海，在那里碳可能通过深海食物网循环或被埋在沉积物中，停留数十年至数百年。
海藻养殖通过在近海浮动平台上种植藻类，然后在藻类完全生长后将平台沉入深水，从而加快了这种天然生物泵的速度。研究人员在2016年的《自然地球科学》杂志上报告说，世界各地沿海水域的天然大型藻类种群每年吸收约1.7亿吨碳。根据美国国家科学院、工程院和医学院2022年的一份报告，养殖海藻可能会使这一数字增加到每年10亿吨左右。
前提是让海藻沉下去，而不是被吃掉。虽然海藻被认为是一种气候友好型食物、原料或生物燃料，但食用海藻会将碳排放到大气中(SN: 5/9/22)。
单独的大型藻类可能不会对世界需要隔离的碳量产生巨大影响，也不会储存很长时间。对海藻养殖影响的气候模拟也表明，藻类可能最终会与浮游植物争夺营养物质——漂浮的微型“植物”也被视为气候援助的对象。
虽然亚马逊雨林常被称为世界之肺，但海洋浮游植物也配得上这个绰号。这些进行光合作用的生物产生了大气中至少一半的氧气，同时也排出了二氧化碳。
像陆地植物一样，浮游植物需要阳光、二氧化碳和硝酸盐、磷酸盐等营养物质才能生存。为了真正茁壮成长，它们还需要少量注入某些微量营养素，尤其是铁，这在海洋的许多地方都是短缺的。
美国海洋学家约翰·马丁观察到从大陆吹到海洋的含铁尘埃是如何导致浮游植物大量繁殖的，他在20世纪80年代提出了人工添加营养物质的建议。铁可能会引发更多的水华，吸收更多的碳，从而降低全球气温。他曾经说过一句名言:“给我半罐铁，我就能给你一个冰河世纪。”
从1993年到2009年，科学家们测试了13次海洋铁施肥的概念，向赤道东太平洋、北太平洋和南大洋的小块地区倾倒硫酸铁(SN: 12/2/21)。这些实验证实，添加铁会使海洋开花。但伍兹霍尔大学的海洋化学家肯·布塞勒说，这些实验规模太小，时间也太短，无法说明从大气中去除了多少二氧化碳，以及这些二氧化碳在深海中封存了多长时间。
这些实验也引起了环境方面的强烈反对。批评人士担心，在海洋中播种可能会导致有毒藻类大量繁殖，甚至导致海洋死区，因为死亡浮游植物的最终分解可能会从水中带走过多的氧气，释放出甲烷，而甲烷本身就是一种温室气体。2008年，联合国生物多样性公约(United Nations Convention on Biological Diversity)介入，呼吁暂停这些实验，“直到有足够的科学依据证明这些活动是合理的”，并有适当的监管机制。在那之后，海洋铁施肥实验就搁浅了。“阻力太大了，”布塞勒说，“我们根本找不到任何资金。”
但他说，由于气候危机，现在的情况大不相同了。“从15年前到20年前，在这个领域工作，绝对发生了很大的变化。”2022年，他和同事组成了探索海洋铁解决方案联盟，确定了该领域的关键研究问题，并提出了研究这些问题的最佳实践。这一次，社会接受和公民参与被强调为任何海洋施肥项目的核心特征。
今年9月，布塞勒和他的同事成为国家海洋学合作计划的获奖者之一，获得了近200万美元的资金，用于资助一个为期三年的研究项目，调查在海洋不同地区使用铁肥的长期影响。
在某些方面，海洋铁施肥是CDR技术的进一步发展之一，但它还远远没有准备好进入黄金时期。布塞勒说:“我们必须找到一种可以接受和可复制的方法来扩大规模”，并解决长期存在的环境问题。
其中一个挑战是开发一种方法来评估从藻华中捕获的碳量以及浮游植物沉入海底时储存的时间。其他悬而未决的问题还包括，哪种形式的铁最划算。它可能是硫酸铁的液体溶液、干燥的灰尘、铁纳米颗粒，甚至是漂浮的铁涂层稻壳。
世界上最好的一些渔场位于秘鲁西海岸，这是地球自转和沿海岸吹来的盛行风复杂结合的结果。在科里奥利效应的影响下，风将营养枯竭的地表水从海岸线上吹走，然后更冷、更深、营养丰富的水涌上来取代地表水，为该地区的食物网注入了丰富的水分。
从理论上讲，通过将富含营养的海水从深海抽到海面上，人工地重现这种上升流效应，可能是另一种促进浮游植物生长的方法。同样，富含碳的地表水可能会被送到地下进行隔离。这可以通过泵送或改变水的密度来实现，或者通过增加水的盐度或降低水的温度。
计算机模拟研究表明，人工上升流还可以提高海藻养殖或海洋铁施肥的效率。但也有很多需要注意的地方:深水可能含有大量的碳，如果将这些碳泵到地表，可能会逃逸到大气中。人工上升流和下升流的长期影响，无论是对碳封存还是对深海居民，都是未知的。抽水也需要大量的能量，如果能源是基于化石燃料的，这可能会导致碳释放到大气中。
风雨侵蚀陆地上的岩石需要数千到数百万年的时间，这些岩石颗粒随后分解并流入河流、湖泊和地下水，最终流入海洋。这些岩石的溶解残留物赋予了海洋缓冲酸的能力，即碱性。由于这种碱度，当二氧化碳从大气中进入海洋时，气体会发生反应并转化为溶解的碳酸盐分子，尤其是碳酸氢盐。最终，碳会进入海底的碳酸盐沉积物中，在那里它可以被隔离长达10万年。
提高海洋的碱度可以让海洋吸收更多的碳。提高碱度也可以对抗海洋酸化，这可能会侵蚀许多海洋生物的碳酸盐壳(SN: 4/28/17)。
提高碱度的一种方法是通过向水中倾倒大量细磨的碱性矿物(如氢氧化钠、氢氧化镁或氢氧化钙)来模拟岩石风化。研究人员已经在一些试点项目中做到了这一点，包括2022年在佛罗里达州的阿巴拉契科拉湾和2023年在加拿大的哈利法克斯港。这些试验证明了它能中和酸，并从大气中吸收一些二氧化碳。但是，关于矿物质的副产品(如微量金属)或改变海洋pH值如何影响海洋生物，目前还没有太多实际数据。
行星技术公司是一家加拿大公司，在2022年赢得了100万美元的气候变化解决方案XPRIZE。该公司计划在2023年9月通过一条废物管道将氢氧化镁输送到英格兰圣艾夫斯湾，但遭到当地抗议。抗议者呼吁进行更科学的研究，以了解核试验对海湾野生动物的影响，包括该地区珍贵的灰海豹。
“我们今天在这里是为了我们孩子的未来。我们希望他们能够在未来的岁月里享受这个海湾，”一名抗议者去年告诉《卫报》。“我们不知道如果他们把这些化学物质倒入大海会有什么结果。”
一些批评人士还提到了其他环境成本，比如矿物的开采和运输。
电化学去除海水中的酸是另一种增加碱度的方法。该方法提出通过海洋电化学系统泵送海水。电会重新排列水和盐的分子，把它们分成两种溶液，一种是酸性的，一种是碱性的。
碱性溶液将与海水混合并返回海洋表面，增加水的碱度，这样水就可以从大气中吸收更多的二氧化碳。与此同时，酸性部分可能会被中和，转移到工业市场，或者可能储存在深海或海底。
这种方法对环境的影响还有许多未知之处，包括抽取大量海水和改变水的化学成分可能会对海洋生物和当地生态系统产生怎样的影响。
现有的电化学系统很昂贵。抽取海水并分解分子需要大量的电力，如果不使用可再生能源，这可能会导致大量的碳足迹。建造这样一个系统的基础设施也可能是昂贵的，尽管重新利用酸性溶液可能有助于收回成本。将这项技术与风力涡轮机等海上能源发电相结合，可以帮助抵消碳足迹和成本。
这一概念在很大程度上还停留在实验室阶段，但今年8月，美国初创公司Ebb Carbon在华盛顿的Sequim Bay推出了一个电化学CDR设备的原型。该试点项目是与太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)合作开展的，旨在证明它每年可以捕获100吨二氧化碳。
另一种选择是直接将二氧化碳从大量水中剥离出来，然后将其埋在深海中。基于海洋的直接捕获也是一种通过大膜分流海水的电化学方法。然后，薄膜在海水和另一种溶液(如氢氧化钠溶液)之间进行反应，剥离溶解的二氧化碳。这个过程最终会增加地表水的pH值，使其能够吸收更多的大气二氧化碳。这项技术可以完全在海上进行，因此不需要宝贵的土地面积。从理论上讲，它可以由可再生能源提供动力。
一个很大的缺点是由于大量的水必须在设备中循环，以及处理海水所需的大膜的费用。将大量海水吸入该设施也可能对海洋生物构成威胁。而且人们对改变海水特性会如何影响附近的海洋生物知之甚少。
直接海洋捕获技术直到最近才走出实验室。2022年和2023年，由加州理工学院研究人员创立的初创公司Captura在纽波特海滩和洛杉矶港对该技术进行了海洋实地试验。该组织计划今年在加拿大和挪威开展两个试点项目。
如果CDR取得成功，它可能需要几种方法协同工作。太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)的生物地球化学家克罗斯(Cross)指出，去年发表在《自然气候变化》(Nature Climate Change)上的一项研究“免费存在于我的大脑中”。她说，这篇论文表明，“你拥有的不同的CDR方法越多，每种不同方法同时带来的挑战就越少”，比如对土地和水的竞争，或者与破碎岩石以增强风化或泵入大量海水相关的巨大能源成本。她说:“这样就可以避免连锁反应。”
海洋研究界现在正忙于讨论如何最好地制定一个负责任的研究议程。
克罗斯说，对海洋CDR的一些早期实地测试的强烈社会阻力凸显了“做这种工作将是多么具有挑战性”，以及让社区参与其中的每一步是多么重要。
“当我们谈论我们的海岸时，情绪往往会高涨，”她补充说。“海洋是一种文化资产、经济资产、房地产资产和体育资产。这些问题存在于所有形式的海洋CDR中。这会改变我后院海洋的外观和感觉吗?”
