2019-03-12 22:16:01
我们可以调整海洋化学来帮助避免气候变化吗

世界各国远未达到全球巴黎协定关于气候变化的目标,即将全球气温升高控制在2摄氏度至19世纪的平均水平,更不用说将气温保持在1.5摄氏度上升的更令人向往的目标。

联合国环境规划署最近公布的排放差距报告指出,“全球温室气体排放没有出现高峰期的迹象。”根据另一项研究,到2100年人类可以将变暖限制在不超过2°C的可能性不超过5%,到本世纪末温度可能会上升到2.6°-3.7°C之间。

这些预兆趋势导致人们越来越关注从大气中去除二氧化碳的方法。正在探索的方法之一是利用海洋吸收和/或储存碳,方法是加入碎石或其他碱度来与海水中的二氧化碳反应,最终消耗大气中的二氧化碳。

这种类型的大规模二氧化碳清除能起作用吗?仔细研究说明了部署海洋二氧化碳排放的潜在环境权衡以及它提出的复杂的技术,经济和国际治理问题。

陆地与海洋碳捕获和储存

我们和其他研究人员认为海洋是寻找额外二氧化碳去除机会的合理场所,因为它目前每年被动吸收约10亿吨(10,000,000,000吨)二氧化碳,约占世界年排放量的四分之一。此外,海洋含有的碳比大气,土壤,植物和动物多得多,并且可能有更多的储存数万亿吨。

政府间气候变化专门委员会的最新报告重点关注以土地为基础的碳捕获和储存方法。一种突出的技术被称为生物能源,具有碳捕获和储存,BECCS,其中植物生物质将被燃烧以产生可用能量,并且所产生的CO 2被泵入地下。

然而,对于大规模部署BECCS和其他基于陆地植物的方法可能产生的负面影响存在一些担忧,特别是担心大量农业用地将被转用于种植专用作物。这可能会减少低收入人群获取食物的机会,对水的需求,并因生态系统的破坏而对生物多样性产生严重的负面影响。

加快地球化学

也许最着名的 - 有时是有争议的 - 海洋二氧化碳去除方法是刺激光合作用以增加二氧化碳的吸收。例如,在海洋植物生长受铁限制的区域中,可以添加该元素以增强CO 2吸收和碳储存,其中至少一些形成的生物质碳最终沉入并埋藏在海底中。其他方法包括恢复,添加或培养海洋植物或微生物,例如蓝碳。

正在考虑的另一项技术是尝试加速二氧化碳与普通岩石矿物的化学反应,这是一种称为矿物风化的自然过程。当雨水与碱性岩石和二氧化碳发生反应时,会发生化学反应,这种反应可以通过土壤中的生物活动来催化,将二氧化碳转化为溶解的矿物碳酸氢盐和碳酸根离子,然后通常会流入海洋。矿物风化在消除过量大气CO2方面发挥着重要作用,但仅限于地质时间尺度 -  100,000年或更长时间。

已经提出的各种加速矿物风化和海洋碳储存的方法包括向地表水中添加精细研磨的碱性矿物质或添加常见的工业生产的碱性化学物质,例如生石灰(CaO),氢氧化钙(Ca(OH)2)和碱液或苛性钠(NaOH)。一旦加入海洋,这些化合物与海水和空气中过量的二氧化碳反应,主要形成稳定的,溶解的矿物碳酸氢盐,从而去除和隔离二氧化碳。

这种海洋碱化可以通过从岸上或船上分配来实现。另一个建议是使用当地海洋能源在海上制造碱度:例如,使用来自海洋非常显着的垂直温度梯度的电力。在岸上将废二氧化碳与矿物质反应,然后将产生的溶解的碱性物质泵入海洋也是一种选择。所有这些都只是增加了海洋中已经很大的碳酸氢盐和碳酸盐岩储层。

海洋碱化的另一个好处是它还有助于对抗海洋酸化,这是海洋吸收空气中过量二氧化碳所产生的“其他二氧化碳问题”。酸化可以干扰钙化生物(例如牡蛎,蛤和珊瑚)构建其骨骼或壳的能力,以及影响其他pH敏感的海洋生物地球化学过程。

我们不知道的

海洋碱化对抗气候变化和酸化的实际实际能力仍然不确定。

考虑到提取或制造碱度并将其分散的物流,成本和影响,研究估计空气中的二氧化碳排放量可能是百万分之30或更低,这可能是现实的。鉴于工业化时代的二氧化碳含量为百万分之260-270,现在为百万分之410,这将是有益的。

我们计算出全球大气二氧化碳排放量减少百万分之三,需要人类活动的近零排放,以及大约470亿吨二氧化碳的清除和储存。为实现这一目标,需要使用至少约500千兆吨的岩石来产生所需的碱度。目前全球岩石开采量每年约为50亿吨,因此保持其他岩石用量稳定,同时将提取率提高50%理论上可以让我们在20年内实现缩减。这显然需要在极小的范围内进行测试,以确定可实现的全球容量和速率。

这也不仅仅是碱度生产的问题;海洋碱化对海洋生态系统的潜在负面影响需要加以考虑。除了pH和碱度提升(瞬时或逐渐)的影响之外,添加碱度可能会带来其他元素或化合物,如痕量金属和二氧化硅,这些元素或化合物也会影响海洋生物地球化学。关于这些问题的研究很少,但迄今为止的研究结果一般都没有发现或对海洋生物产生积极影响。需要进一步调查,以充分了解环境和生态后果,包括进行中小型田间试验。

任何部署都需要严格的监测要求,以评估环境效益以及大规模部署的负面影响。对海洋碱化使用的信心有一定程度可以发现,自然矿物风化和向海洋输送的碱度自然发生了数十亿年(目前每年消耗和储存约1亿吨二氧化碳的比率) ,显然海洋生态系统很好地适应了如果不需要这种输入。然而,显着和安全地扩大这一自然过程的可能性需要进一步研究。

法律问题

在法律层面,各国需要解决与这种方法相关的国际治理问题。据推测,由于巴黎协定的重点是应对气候变化,因此将成为所涉及的政权之一。海洋碱度可以在各国减少排放的承诺中发挥作用,这需要规定评估部署的潜在影响。 “巴黎协定”可以为此提供便利,因为它在各种规定中提到需要评估应对措施在生态系统,可持续性,发展和人权方面的影响。

以海洋为重点的制度,例如“防止倾倒废物和其他物质的海洋污染公约”和“议定书”及其议定书,也可能寻求参与评估和管理,以及“公约”生物多样性。协调所有这些制度的反应的潜在干预措施将是部署海洋碱度所带来的另一个挑战,许多其他可能产生跨界影响的二氧化碳清除方法也是如此。

到本世纪末,可能发生灾难性气候变化的幽灵激发了人们对一系列新技术方案的兴趣,这些方案可以大规模地从海洋和大气中去除二氧化碳。但他们也可能构成自己的风险。添加碱性物质以加速矿物风化是一种值得认真考虑的方法,尽管经过仔细审查。

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