翻天覆地的变化

C&I 2022年第6期

阅读时间:9分钟

C和我

海洋是地球上最大的碳库。那么,我们如何利用它们来消除更多的二氧化碳——同时又不破坏宝贵的生态系统呢?玛丽亚·伯克(Maria Burke)评估这些选项

政府间气候变化专门委员会于2022年4月初发布了第三份气候变化报告。一个关键信息是,如果全球气温要保持在1.5°C以下,二氧化碳去除(CDR)战略现在是必要的。这是IPCC第一份明确指出CDR是实现气候目标的必要条件的报告。

虽然一些基于陆地的策略——例如在农业土壤中储存碳或改变森林管理——相对先进,但对于基于海洋的策略,例如大规模养殖海藻或控制海水中的营养物质,我们所知较少。研究人员表示,迫切需要对其潜力进行评估。

2021年12月,美国国家科学、工程和医学院(NASEM)的一份报告1呼吁开展一项新的十年研究项目,以更多地了解如何利用海洋干预来减轻气候变化的影响。该公司估计,这可能耗资高达14亿至25亿美元。

报告委员会主席、美国弗吉尼亚大学环境科学教授斯科特·唐尼(Scott Doney)说:“如果我们想要就海洋和气候的未来做出完全知情的决定,我们需要在未来十年完成一些非常关键的研究。”

“我们别无选择,”英国剑桥气候修复中心主任肖恩·菲茨杰拉德(Shaun Fitzgerald)说。问题是,这方面的资金需要大幅迅速增加。我们需要认真地调查海洋。

基于海洋的CDR最有可能在足够的时间内真正扩大规模,帮助我们在2050年实现净零排放。”

海洋是地球上最大的碳库。全球领先的气候慈善平台气候工场基金会(ClimateWorks Foundation)在2022年2月发布的一份报告显示,约3.8万吨碳以溶解无机碳的形式存储在海洋中。2海洋每年吸收9Gt二氧化碳,约占年排放量的23%。

美国伍兹霍尔海洋研究所的资深科学家、NASEM委员会成员肯·布塞勒解释说,海洋储存的碳是大气的50倍,是土壤和陆地植物的20倍,所以海洋的能力有很大的不同。“而且在海洋中有更多的空间来做这些事情,所以你不会与农田或生活空间竞争。”

NASEM的报告,海洋二氧化碳去除和封存的研究策略, 评估了六种方法。海洋增碱法通过添加化学物质来增加碱度,从而促进吸收大气CO的反应2.营养施肥增加营养物质,如磷或氮,以增加浮游植物的光合作用,增加CO的吸收2以及碳向深海的转移。人工上升流和下升流是指温度较低、营养丰富的深水漂到水面,刺激浮游植物生长(上升流);地表水和碳被转移到深海(下涌)。大规模的海藻养殖导致碳转移到深海或沉积物中。生态系统恢复包括通过保护沿海生态系统去除和封存碳。电化学过程包括在水中通过电流来增加海水的碱度,以增强其保留CO的能力2

海洋是一个主要的碳汇——自工业革命以来,海洋已经吸收了25%的碳排放——但这是以海洋酸化增加30%为代价的,这使得海洋生物更难生存。海藻和其他海洋植物增加了海洋吸收碳的能力,并以减少酸化的方式做到这一点,同时解决了两个深刻的问题。
Megan Reilly Cayten高级顾问,海洋2050。

所有的方法都不同程度地缺乏预测CO效率所需的基础科学2Buessler说:“移除和任何后果。”“(对我来说)最重要的三项是海洋施肥、海藻种植和海洋碱度提高。但我们也建议在这六种方法上进行平行研究,因为单一的海洋CDR方法无法单独去除10Gt CO2我们需要减少我们的影响,即使是在任何情况下都需要积极减排的情况下。”

他补充称,这有许多潜在优势。成本可能比基于陆地的碳捕获和储存(CCS)方法低,至少对于采用施肥、海藻或生态系统修复的基于自然的解决方案是这样。 “对于这些,阳光最终是驱动光合作用转化溶解的CO的能量来源。2气体转化为有机形式的碳,然后被输送到深海,在那里它们可以被封存100-1000多年。”

提高碱度

提高海洋碱度是气候工程基金会正在探索的几种CDR方法之一。它将这一策略描述为略微增加海洋pH值的过程,以改善海洋吸收和锁住CO的方式2从大气中。碳从大气中自然转移到海洋有两种方式——岩石风化和直接溶解。

在岩石风化过程中,大气CO2溶于雨水,形成温和的酸。当它落在碱性岩石上时,它风化或溶解岩石表面,在溶液中形成碳酸盐和重碳酸盐。这种微碱性的水通过河流和溪流流入海洋。这一过程为海洋生物提供了它们所需的矿物质,并使海洋保持在合适的ph值。在数十万年的时间里,碳酸盐物种最终到达海洋底部,在那里它们形成了碳酸盐岩。

二氧化碳直接溶解2就没那么有益了。当CO的浓度2小于CO的浓度2在空气中,气体溶解在水中。这形成了碳酸,是海洋酸化的原因。

24小时
浮游植物在生长过程中吸收二氧化碳的速度比树木快得多,因为它们的质量每24小时就会翻倍。

1000 +
阳光推动光合作用,将溶解的二氧化碳气体转化为有机形式的碳,然后运输到深海,它们可以在那里被隔离100-1000多年。

气候工场CDR项目经理Frances Wang解释说,海洋碱度的增强加速了岩石风化的自然过程。一旦公司2被隔离,它可以保存10万年,使它成为最持久的存储选择之一。小心而安全地提高碱度也会提高海水的局部pH值,作为海洋酸化的补救措施。这有助于保护贝类和珊瑚礁等其他敏感生态系统免受海洋酸化的影响,海洋酸化是气候变化失控的结果。有许多不同的方法可以提高海洋碱度,因此有广泛的机会进行研究和创新,以确定可以去除大气中大量CO的方法2同时也很环保,能为社会所接受。”

由于几乎无限的碱性岩石,海洋碱度增强具有捕获12Gt/年CO的理论潜力2根据气候工场的报告。然而,现实世界的限制,如运输能力分配材料和寻找合适的海洋区域,将减少这个数字为几十亿吨CO2/年。

ClimateWorks致力于支持小型的、可控的实地试验,为具体方法提供真实世界的证据。例如,它资助了一个探索从密西西比河到墨西哥湾自然发生的碱度通量影响的项目。

伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)的项目负责人之一亚当·苏巴斯(Adam Subhas)解释说:“密西西比河的碱度非常高,伴随着碱度的是大量溶解(储存)的碳。”“因为河流向海洋排放碳,它将大量的碳储存到海洋中,这些碳被永久封存在海水中。”密西西比河的碱度和溶解碳的水平是独一无二的高,而且它们会随季节变化——在秋天,河流的碱度比平均海水碱度高大约20-30%。“该研究小组的成员是 ,他们希望利用这种季节变化来调查密西西比河向海洋输送了多少碳,以及这些碳是否在途中丢失了,例如 ,通过碳酸钙沉淀。”他们希望通过这种方式了解大规模碱度强化的潜在效果。他们希望在2023年初报告他们的发现。

水下的珊瑚

海藻养殖

与此同时,《2050海洋》选择了专注于海藻养殖。该组织是由水下探险家雅克·库斯托的孙女亚历山德拉·库斯托和沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的海洋生态学家卡洛斯·杜阿尔特建立的。杜阿尔特的研究证明了海藻养殖在帮助海洋和气候恢复方面的作用。3.

海藻在光合作用过程中吸收碳。随着海藻成熟,部分海藻会脱落并沉入海底。生物量中的一些碳被固定在沉积物中,包括附近的沉积物和深海沉积物。

海洋2050高级顾问梅根·赖利·凯滕解释说:“海洋中的植物,包括海藻、海藻、海草和红树林,只占陆地植物生物量的0.05%,但它们生长得如此之快,每天的碳循环量与所有陆地植物差不多。”“海洋是一个主要的碳汇——自工业革命以来,海洋已经吸收了25%的碳排放——但这是以海洋酸化增加30%为代价的,这使得海洋生物更难生存。”海藻和其他海洋植物增加了海洋吸收碳的能力,并以减少酸化的方式做到这一点,同时解决了两个深刻的问题。”

9吨
海洋每年吸收9Gt二氧化碳——约占年排放量的23%——储存的碳比大气多50倍,比土壤和陆地植物多20倍。

2000平方公里
如今,海藻养殖面积约为2000平方公里,并以每年7%的速度增长。据估计,如果这个增长率更接近20%,那么到2050年,农场下方的沉积物将吸收0.24亿吨碳。

杜阿尔特估计,野生海藻林吸收的碳与亚马逊雨林一样多。但到目前为止,我们还不知道海藻养殖场下的沉积物中封存了多少碳。海洋2050监测了五大洲的21个海藻养殖场。Duarte计算出平均封存率约为2吨/公顷/年,但有些地方高达8吨/公顷/年。

他在2022年3月的摩纳哥海洋周上说:“封存最多碳的最佳预测器是地下土壤的性质。”泥泞的土壤比粗糙的或多石的土壤要好得多。他将在2022年晚些时候发表他的研究结果。

如今,海藻养殖占据了大约2000平方公里的海床,并以每年7%的速度增长。杜阿尔特估计,如果这个增长率更接近20%,那么到2050年,农场下方的沉积物将吸收0.24亿吨碳。

这项研究还旨在制定一个经过验证的碳标准,以便在2022年获得国际认证机构的批准。一旦获得批准,海藻养殖场就可以向想要抵消其碳排放的全球买家发放信用。

人工上涌

2005年卡特里娜飓风袭击新奥尔良时,菲尔·基希尔成立了海洋气候解决方案公司(OCS)。现在,Kithil的首席执行官设计了一个波浪动力泵,将冰冷的海水输送到海洋表面,以降低飓风的强度。与此同时,他发现这也会促进浮游植物的生长,模仿海洋上升流的自然过程。浮游植物吸收有限公司2它们的生长速度比树木快得多,因为它们的质量每24小时就会翻一番。

在海洋的某些地方,这一自然过程已经放缓,因为海洋表面吸收了CO的热量2排放,一个上涌泵可以把含有重要营养物质的深水带到水面,帮助浮游植物再次生长。当它们死亡时,它们会沉入海洋的中部和深处,在那里,碳会储存几个世纪或更长时间。该技术的优点包括可扩展性,而且不需要电力、土地或水。该公司补充说,泵被部署在远离海洋的地方,吸引鱼类,使它们受到渔民的欢迎。

2008年,夏威夷大学的David Karl和美国俄勒冈州立大学的Ricardo Letelier 利用在夏威夷附近的北太平洋收集的数据,研究了泵驱动上升流的封存潜力。4他们计算出200米及以下的海水上涌提供了过量的磷酸盐,这首先触发了硝酸盐,然后是磷酸盐的吸收,从而促使浮游植物大量繁殖。二次磷酸盐开花固定更多的溶解CO2比是上涌的,导致净2封存。

OCS的波浪动力泵阵列走得更远;它们将富含营养的海水从海平面以下400米上升到浮游植物大量繁殖的海面。该公司计划测量二氧化碳的含量2允许客户申请碳信用额度。该公司计划于2022年7月在加那利群岛附近进行上升流泵技术的演示。

“我们的波泵技术可以在去除数十亿吨CO方面发挥关键作用。2需要恢复稳定的气候,”基希尔说。包括微软(Microsoft)和Stripe在内的多家公司已经找到我们,希望了解我们的系统如何消除一氧化碳2从而直接减少企业的CO2排放。这笔资金将加速我们的最终测试,并为广泛采用铺平道路。”

参考文献
1海洋二氧化碳去除与封存研究策略,国家科学院出版社。https://nap.nationalacademies.org/read/26278/chapter/1
2 .海洋二氧化碳去除:需要与机会,气候工程基金会。https://www.climateworks.org/report/ocean-carbon-dioxide-removal-the-need-and-the-opportunity/
3 C. M. Duarte等,《自然》,2020,58,39。
4 D. M. Karl和R. M. Letelier,海洋生态学报,2008,364,257。

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