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气候变化

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改变海洋化学结构能否延缓气候变化?

来源:中外对话 作者:威尔·伯恩斯 格雷格 人气: 发布时间:2019-05-31 16:06:48

要想除去多余的二氧化碳,我们可以尝试在海洋中添加碱性物质,威尔·伯恩斯和格雷格·劳写道。

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目前,世界各国还远未完成《巴黎协定》(Paris Agreement)中有关全球气候变化的行动目标,即相较于19世纪水平,将全球升温幅度控制在2摄氏度内,更不要说更为理想的1.5摄氏度的温控目标了。

联合国环境规划署(United Nations Environment Program)最新发布的《排放差距报告》(Emissions Gap Report)指出:“全球温室气体排放并没有出现达到峰值的迹象。”而另外一份研究显示,人类在2100年前将全球变暖幅度控制在2摄氏度以内的可能性不超过5%,到本世纪末,全球平均升温幅度很有可能在2.6到3.7摄氏度之间。

这些不容乐观的趋势使得人们越来越关注如何从大气中去除二氧化碳。目前正在探索的方法之一就是通过向海洋中添加碎石或其他碱性物质,来中和海洋中的二氧化碳,让海洋吸收和/或存储二氧化碳,从而最终消耗掉大气中的二氧化碳。

这种大规模的二氧化碳清除行动能否起到作用?以下的这份研究详细说明了海洋二氧化碳去除法的潜在环境利弊,以及由此带来的更为复杂的技术、经济和国际监管问题。

碳捕捉与碳存储,陆地还是海洋?

目前,海洋每年被动吸收约100亿吨二氧化碳,约合全球年排放总量的四分之一,因此我们及其他一些研究人员认为,向海洋寻求去除多余二氧化碳的方法是顺理成章的。此外,海洋中的碳远远超过了大气、土壤、植物和动物中所含碳的总和,所以应该有潜力再存储上万亿吨的碳。

政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change)的最新报告重点关注的是陆地碳捕集和封存的方法。 其中使用的主要技术之一叫做“生物能源与碳捕集和封存”(BECCS),即通过燃烧植物生物质产生可用能源,同时将燃烧产生的二氧化碳泵入地下。

但是,人们对大规模采用BECCS技术和其他土地-植物模式可能带来的潜在负面影响存在不少疑虑,尤其是担心大量农业用地会被用于种植此类专用作物,从而有可能减少低收入群体的粮食获取,增加用水需求,并且因为生态系统遭到破坏而对生物多样性产生严重负面影响。

加速地球化学

海洋二氧化碳去除法中最广为人知,有时也是最有争议的或许要数通过刺激光合作用来增加二氧化碳吸收这种方法了。例如,在海洋植物生长受铁元素限制的区域中添加铁元素可以增加二氧化碳的吸收和存储,而这个过程中至少会有一部分形成的生物质碳最终沉入并埋藏在海底。其他的海洋去除法还包括恢复、增加或培植海洋植物或微生物,“蓝碳”行动采用的就是这种策略。

考虑采用的另外一种技术则是尝试通过加速二氧化碳与常见岩石矿物的反应,也就是众所周知的矿物风化这个自然过程。碱性岩石和二氧化碳遇到雨水会发生化学反应,在土壤中生物活动的催化下,二氧化碳被转化为可溶的矿物碳酸氢盐和碳酸根离子,并最终流入海洋。矿物风化在消除大气中过量的二氧化碳方面发挥着重要的作用,只不过这个过程是以地质时间为尺度的,也就是说要耗费十万年甚至更久远的时间。

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矿物风化的自然过程始于降水,雨水会从空气中吸收二氧化碳,然后与土壤中的岩石和生物发生反应,形成可溶的矿物碳酸氢盐和少量的碳酸根离子。随后,这些物质会流入海洋,而其中的碳元素将以这些形式在海洋中储存数千年,然后变成碳酸盐矿物质沉入海底。通过添加碎石或其他碱性物质,使其与海水中的二氧化碳反应。这种方法可以极大地加快风化进程,从而最终消耗大气中的二氧化碳,使其变成可溶解的矿物碳酸氢盐和碳酸盐这两种海洋中早已大量存在的化合物。

目前提出的加速矿物风化和海洋碳封存的方法有很多,比如向地表水域中添加碱性矿物质细粉,或生石灰(CaO)、氢氧化钙(Ca(OH)2)和碱液或烧碱(NaOH)等常见的工业碱性化学物质。这些化合物一旦加入海洋,就会与海洋和大气中的过量二氧化碳发生反应,形成稳定、可溶的矿物碳酸氢盐,从而去除和封存二氧化碳。

上述这种海洋碱化过程可以通过从陆地上或者利用船只向海中添加碱性物质来实现。另外一种提案则建议就地取材,利用海洋能源(如利用海洋垂直温差进行发电)在海上制造碱性物质。还有一个方案就是让废弃二氧化碳与矿物质在岸上发生反应,然后将反应产生的可溶碱性物质泵入海洋。上述所有这些方案都只是增加了海洋中本就丰富的碳酸氢盐和碳酸盐储量而已。

海洋碱化的另外一个好处就是有助于对抗海洋酸化,而后者正是海洋吸收过量二氧化碳而导致的另一个问题。海洋酸化会干扰牡蛎、蛤蜊和珊瑚等钙化生物骨骼或外壳的形成过程,并影响其他对海洋酸碱度较为敏感的海洋生物。

那些我们不知道的事情

目前,海洋碱化在对抗气候变化和海洋酸化方面的实际作用还是未知。

考虑到提取或制造碱性物质并进行投放的物流、成本和影响,研究估计,将空气中二氧化碳排放量降低30ppm甚至更低可能还是比较现实的。鉴于工业化之前大气中的二氧化碳含量为260ppm到270ppm,而现在的水平为410ppm,这种方式在对抗气候变化方面还是有些帮助的。

我们通过计算发现,将全球大气二氧化碳含量降低30ppm需要人类活动接近零排放水平,同时清除和封存大约4700亿吨二氧化碳。要想实现这个目标,至少需要约5000亿吨矿石制造海洋碱化所需的碱性物质。目前,全球岩石年开采量为500亿吨。因此,必须在其他岩石用量保持稳定的情况下,将开采量增加50%,才能在理论上满足我们未来20年的二氧化碳清除需求。当然了,我们需要广泛开展小范围测试,以确定现实的全球开采量和开采率可能是多少。

我们不仅要考虑碱性物质的生产问题,还要考虑海洋碱化对海洋生态的潜在负面影响。除PH值和碱度(瞬时或逐渐)升高的影响外,添加的碱性物质中可能还会含有其他成分或化合物,比如微量金属和二氧化硅,而这些成分或化合物也会影响海洋生态化学环境。虽然目前针对这类问题的研究还很少,但目前得到的研究结论通常是,海洋碱化要么对海洋生物没有影响,要么会带来积极影响。要想充分了解这一过程相关的环境和生态后果,我们必须进行深入的调查研究,包括进行中小规模的实地试验。

无论采取哪一种去除模式,都必须遵守严格的监管规定,评估大规模开采此类操作的环境效益和负面影响。自然矿物风化和由此向海洋输送碱性物质的过程在自然界已经有数十亿年的历史(目前,全球海洋每年消耗和封存大约10亿吨的二氧化碳)。显然,这种碱性物质的输入或许并非海洋生态系统所必须的,但它却能很好地适应其存在。这一点也许能够让海洋碱化在某种程度上具有一定的可信度。不过,安全、显著地扩大这一自然过程的可能性还需要进一步的研究。

法律问题

从法律层面来看,各国还必须解决这种方式相关的国际监管问题。既然《巴黎协定》侧重于解决气候变化问题,那么它理所当然可以成为应对这一问题的一个机制。 无论海洋碱化在各国削减温室气体排放方面将发挥怎样的作用,都要制定规则,对潜在的影响进行评估。《巴黎协定》可以为此提供便利,因为该协定在不少条款中都提到了必须在生态系统、可持续性、发展和人权的语境下对气候变化应对措施的影响进行评估。

而《防止倾倒废物和其他物质污染海洋公约》、《联合国海洋法公约》和《海洋法公约议定书》等海洋领域的国际机制也可以参与评估和监管,当然,还包括《生物多样性公约》。开展海洋碱化行动的过程中,如何协调上述所有机制的潜在干预也是一个不小的挑战,而在其他可能产生跨境影响的二氧化碳去除行动中也存在同样的问题。

到本世纪末,气候变化可能带来一系列灾难性的风险,而这也激励人们研究出了各种新的大规模去除海洋和大气二氧化碳的技术方案。但是,这些方案本身也可能会带来风险。通过增加碱性物质来加速矿物风化就是一个这种值得认真考虑的方法,不过在正式实施前还是要进行严格的审查。

翻译:Estelle

(编辑:Wendy)

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