气候

解读:基于海洋的六种二氧化碳去除方案

虽然人们提出了几个方案来提高海洋的碳捕捉能力,但它们均不成熟,而且未经试验,带来的问题甚至可能比解决的问题还多。
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<p>保护和恢复沿海生态系统,如红树林和海草草甸,是吸收海水中二氧化碳的一种方法。图片来源:Mathieu Foulquie / Alamy</p>

保护和恢复沿海生态系统,如红树林和海草草甸,是吸收海水中二氧化碳的一种方法。图片来源:Mathieu Foulquie / Alamy

喝过气泡饮料的人都知道,二氧化碳溶于水——这不仅令我们口感舒爽,对于地球也是一个好消息。地表70%的面积被海水覆盖,海水大量吸收二氧化碳,这大规模减缓了全球变暖的进程。

自工业革命开始以来,人类燃烧化石燃料排放的二氧化碳有四分之一被海洋吸收。换言之,海洋帮助我们解决了麻烦。它通过这种方式降低了大气中的温室气体水平,限制了全球变暖。

不幸的是,随着人类温室气体排放速度加快,海洋储存碳的速度已经无法完全避免变暖进程。不过,是否还有转机?一些科学家认为可以人为加快海洋吸收碳的速度,并提出了一系列技术手段,既有非常复杂的,也有非常简单的。如果能获得成功,这些技术手段将在接下来的几十年中帮助我们推动世界转向低碳的经济模式。

基于海洋的二氧化碳去除方案(carbon dioxide removal,简称CDR)颇受争议。这些方案基本没有经过验证,更不用说达到所需的规模了,况且可能伴随着破坏性的副作用。这些方案可能成本高昂,并且可能会让人们的注意力偏离最为紧急的减排需要,但它们也可能在最需要的时候帮我们一把。

随着对CDR的关注度提高,越来越多的科学家正在衡量它们的风险和收益。美国国家科学、工程和医学院(National Academies of Sciences, Engineering and Medicine)的一份重要报告认为,以下几个可能的方法最有希望。

播撒铁种

播撒铁种(iron seeding),又被称为“撒施铁肥”(iron fertilisation),是最早提出的CDR概念之一。它试图利用大群光合浮游生物对碳进行自然的利用。

如同地面上的树木一样,这些浮游生物利用阳光和二氧化碳制造能量,从而生长。在这一过程中,它们将碳融入了自己微小的机体中,死后还会带着碳一起沉入深海。

这听起来似乎没什么了不起。但据估算,全球海洋中分布着数量多达十亿的三次方(1027)的浮游植物,而它们正是大气中的碳最终归于海洋的最大功臣。

浮游植物的生长需要营养物质,而海水中的营养物质可能供应不足。实际上,科学家深知,缺铁限制了很多种浮游植物的生长。理论上来讲,如果想要增加浮游植物的数量,从而增加除碳量,那么就需要向浮游植物生长的海洋表层添加铁——可以把它视为浮游植物生长的肥料。

某种意义上讲,这种方法是在模仿自然。海流将海洋深处富含营养的水体带到表面,或者风把含铁的尘土或者火山灰吹撒到海面上,都是天然的施肥过程。有人提议,利用气溶胶增加大气中的铁含量,从而增强这个过程。不过,大多数试验采用的方式都是从船上向海中倾倒硫酸铁。

Satellite photo showing mountainous coastline, swirling colours in the ocean
阿拉斯加湾浮游植物自然繁殖(绿色漩涡)的卫星图像。这是由于潮汐帮助将陆地上的铁分送到近海富含硝酸盐的水域,从而创造了营养丰富的环境。图片来源:NASA’s Earth Observatory / Flickr, CC BY NC)

有人担心,向海洋中倾倒大量铁会影响环境,扰乱海洋生态系统。因为这么做会导致藻华增加,从而会对食物链造成连锁反应。为了验证这一观点,有人已经进行了一些小规模的试验,并且计划进行更多。

上升流与下沉流

生活在海洋表面附近的浮游植物能移除大气中的碳,并在死后将其带入深海——深海洋流将富含营养物质的水体从深海带到海洋表面时,会助推这一过程。如此看来,与其往海面上添加铁元素,何不利用科学技术来助其一臂之力?

人工上升流(artificial upwelling)是一种可以实现这一目标的碳去除技术。它的理念同样简单:用垂直管道将深海的水带到海洋表面,以促进更多浮游生物的生长。为了帮助这一向上的水流并加速富含碳的水体从海洋表面向深海下沉,可以同时放置另一组管道推动海水向相反方向运动。可以想见,这组相反方向的管道被称为人工下沉流(artificial downwelling)。

相对难以解决的是,如何才能让这些水循环起来。垂直管道需要几百米长、20米宽,才能抽送足够多的水。有的方案计划将这些管道固定在海床上,有些则打算让它们漂浮在水中。

不过,用泵抽送海水成本高、能耗高。那么,能源从哪儿来?能否使用太阳能电池板?海洋表面的波浪运动可否帮助我们推动表面水体下沉?这种设备会不会损坏或者解体,从而加剧海洋污染问题?对于这样一个明显有着优缺点的计划,还有很多待解的问题。

人们已经在深海、湖泊和峡湾等环境中开展了很多次规模不一的小范围试验。有人担心,一旦大范围实施这项技术,将改变海洋的密度和温度结构,或将对海洋生命产生影响。

播撒铁种是指在海洋中加入铁质,为浮游植物施肥,浮游植物在生长过程中会将二氧化碳吸收到体内。当它们死亡时,会沉入海底,将碳锁住。上升流和下沉流也旨在促进浮游植物的生长,但其计划不是添加铁,而是用管道将营养丰富的海水从深海送上来。为了帮助锁住碳,这项技术还包括用管道将富含浮游植物的表层海水引向深海。制图: James Round / China Dialogue Ocean

海藻养殖

与浮游植物一样,海藻在生长过程中也吸收二氧化碳。实际上,浮游植物本身就是一种“海藻”,这个词本来就是各种海洋植物和藻类的统称。

大多数海藻培育和种植计划考虑的都是长在沿海多礁水域中的植物,这就存在一个问题。不同于那些沉降几千米没入深海、从而将碳埋入海底沉积物的浮游植物,人们一直认为生长在沿岸海域体型更大的海藻分解后大多还是会留在浅水区,并落到海底坚硬的岩石表面。这些表面更容易受到扰动,导致二氧化碳更容易重新被释放进入大气。但一些研究认为,实际情况要比这更加复杂,沿海海藻中的大部分碳实际上最终还是会落入深海沉积物中。

无论如何,正如在陆地上种树一样,种植更多的海藻是一种颇具吸引力的短期捕获和储存碳的方式——关键在于接下来该怎么办。或许可以将其采收,用做生物质能;抑或将其用作动物饲料或者人类的食物。问题在于激励机制:一些支持通过种植海藻进行碳储存的人士认为,应该允许通过种植海藻产生碳信用,并将其出售给消费者和企业用以抵消他们的温室气体排放。

世界各地早已开始种植海藻,但要对气候产生影响,还需要显著扩大规模。而有些人则担心,在海洋中建设更多基础设施会对现有的海洋生命造成影响。

Aerial photo of seaweed farming
中国福建省三沙市沿海一个种植紫菜的农场,紫菜是一种广受欢迎的食用海藻。海藻养殖需要大幅扩大规模,才能清除足够多的二氧化碳,从而对气候产生影响。图片来源:Amadeja Plankl / Alamy

保护和恢复海洋生态系统

泥啊泥,了不起的泥!多年来,海洋边缘这些沉积物丰富的海岸带生态系统一直不被人们喜爱和关注。如今,它们却成了碳核算领域的一个热门话题。这些横亘在陆地与海洋之间的泥泞边界主要由红树林沼泽、盐沼和海草草甸构成。那里储存着大量碳。树叶、木头、根茎和海洋生物遗骸等形式的有机物储存了千万年来不断积累下来的大量的碳。

此类生态系统往往成为沿海地区开发的受害者,遭到挖掘、毁坏、排干,致使此前储存起来的碳重新释放进入大气。因此,让人们认识到它们的价值,保护好存量,避免进一步破坏,是一个很好的开始。

在此基础上,可以通过恢复和替代已经失去和退化的海岸带生态系统,增强其碳承载能力。

近期的两项变化正在帮助保护和恢复这些充满粘稠沉积物的生态系统。首先是为它们赋予了新的名称,即所谓的“蓝碳”(blue carbon)存储库,让它们听起来更富吸引力。其次,蓝碳项目如今可以产生碳信用,这意味着企业会争先恐后地为这些项目掏钱,以抵消自身的温室气体排放。

不过,与基于树木的生态系统差不多的是,只有在持续受到保护和不受打扰的条件下,通过恢复蓝碳生态系统实现的碳去除才能发挥长效作用。

红树林沼泽、盐沼和海草草甸等沿海生态系统通过聚集沉积物,锁住死亡的有机物,从而储存了大量的碳。保护和恢复这些栖息地将有助于从海水和大气中清除更多的二氧化碳。养殖更多的海藻也能起到同样的作用,不过目前还不太清楚这些大型藻类在生长过程中捕获的碳如何被长期锁住。制图: James Round / China Dialogue Ocean

提升海洋碱度

从化学角度来看,当溶解了二氧化碳的海水碱度上升时——换言之,酸度降低,pH值升高——会引发一系列的化学反应。最终结果是二氧化碳转化为碳酸盐、碳酸氢盐等其他分子。

这有两点好处。首先,这些新的分子更加稳定,不容易将其中固化的碳重新释放进入大气。第二,去除已经溶解的二氧化碳让海水可以从大气中吸收更多的二氧化碳。这两个过程都有助于解决全球变暖问题。

这个过程又名“风化”(weathering),是碱性岩或者海洋生物的贝壳在海水中慢慢溶解的自然过程。那么,我们能加快它的速度么?计划十分简单:将碾碎的碱性矿物质或者材料(如石灰等)放到海滩上,等待它们被冲入大海,或者直接从船上向海水里倾倒这些材料。这样做对环境还有另外一个好处:添加的碱性物质可以减轻海水由于持续吸收人类的碳排放而不断升高的酸度。

而另一方面,开采这些所需的矿物质会破坏环境,而故意将它们添加到海洋中会导致海洋生物体内微量毒性物质的富集。不过,人们正在计划进行实地试验。

提升海洋碱度是一种通过向海水中添加石灰等粉碎材料来去除二氧化碳的方法。这会引发化学反应,将溶解的二氧化碳转化为更稳定的分子,从而将碳锁住。海水通电同样会在分子水平上产生影响,要么提高碱度,要么释放出可以捕获的二氧化碳气体。 制图: James Round / China Dialogue Ocean

海水通电

又是化学:将电流导入海水会造成分子混沌(molecular chaos)。电流将打破水中氢离子与氧离子之间的联系,这些被分开的元素会与其他元素产生化学反应,包括与盐(NaCl)中的钠和氯产生反应。

可以通过几种方法利用这些化学反应将海水中的二氧化碳分离出来。人们通常讨论的方法有两种:一种是捕捉海水中释放出来的二氧化碳气体,然后将其收集和储存起来;另一种是提高海水碱度,让溶解的二氧化碳通过化学反应变为性质更稳定的碳酸盐。

这两个方法都是通过处理,降低海水中二氧化碳的含量,使其可以从大气中吸收更多二氧化碳。所以,我们或许可以建立这样的一套系统:将海水泵入处理设施,通电,然后将其泵回海洋。这一方法能否做到低成本和可持续,取决于细节——尤其是要找到一种方式用可再生能源为其提供所需的电力。

建模和理论计算表明,这一方案是可行的,如今已有一些研究人员希望构建所需的设备来展示这一技术。

翻译:子明