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如果给海洋内注射大量的二氧化碳气体会发生什么?

本帖由 漂亮的石头2020-08-17 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

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    还别说,这并不是奇思妙想。真的有人想过向海洋内注射大量的二氧化碳来减少大气二氧化碳浓度。这种骚操作被称为——“海洋碳封存”。

    解释碳封存之前,我们先了解一下“大气中二氧化碳”和“海洋中二氧化碳”的不解之缘。


    1 大气和海洋的碳循环


    大气和海洋是自然界碳循环的两个重要组成部分。我们每天排放的二氧化碳并不只是排到了大气中。大气中的一部分二氧化碳也会被海洋吸收。自人类工业化以来,海洋大约吸收了 28% 来自化石燃料燃烧的二氧化碳 [1]。

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    大气与海洋的二氧化碳循环 [2]

    水中的二氧化碳对于水生生物非常重要。首先,海洋中的浮游植物会吸收二氧化碳进行光合作用,为整个海洋食物链奠定基础。此外,海洋中还有很多生物凭借碳酸来合成甲壳。这些生物死亡后,含碳元素的壳就沉积到了海底。

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    二氧化碳与海洋生物的关系 [2]

    海洋能够容纳大量的二氧化碳。因此,科学家和工程师就思考:如果把大气中日益增长的二氧化碳放在海底,能不能有效解决全球变暖问题呢?

    2 如何向海洋内注射二氧化碳?

    向海洋注射二氧化碳,就是我们先前所说的“海洋碳封存”技术。

    碳封存指将工业生产产生的二氧化碳从废气中分离出来,彻底封装保存在地底或海洋中,不再泄露到大气中增强温室效应。

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    碳封存的不同形式 [3]

    目前主要的储存方式包括地质封存和海洋封存,上图左侧为地质封存,右侧为海洋封存。上图最右侧的深海泵站(Deep-sea pumping station )便像是一个针筒,把提前分离好的纯净二氧化碳,源源不断地注射到海底。

    依据具体“注射”方法的不同,海底碳封存也有不同的实现方法 [4] :

    • 直接从海洋表面注入干冰。
    • 利用移动的船只将液化二氧化碳注入千米深的海底,形成“液化二氧化碳带”。
    • 将液化二氧化碳压入四千米深的海底,形成“二氧化碳湖”。
    • ………………

    当然这也并不是一劳永逸的。温度变化、地质活动、垂直洋流等因素都可能会导致储存在海洋中的二氧化碳再次释放到大气中。

    3 海洋碳封存的影响

    毫无疑问,原本要排放到大气的二氧化碳“注射”入海洋后,大气中二氧化碳的浓度飙升现象就会逐渐缓解。

    但是直到现在,“海洋碳封存”这种原理上可行的方法,依然没有作为一种正式的手段来解决全球变暖问题。大海虽然是一个很好的二氧化碳储存库——广阔、深不见底。但这些只是我们的一己之见,海底的“二氧化碳”也会有负面影响——海洋酸化。

    由于二氧化碳溶解于水会产生碳酸。将二氧化碳封存到海底时,一部分二氧化碳会不可避免地溶解于水中,造成海水 pH 值的下降。

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    洋流影响下碳封存处附近的 pH 值变化[5]

    上图纵轴代表深度,横轴代表距离。距离碳封存处较近的海水 pH 值下降到了 5.8,而距离较远的海水 pH 值约为 7.8。二氧化碳被注射到海洋以后,海水 pH 值得变化显著。

    海洋中的水生生物对 pH 值十分敏感,必须在特定的酸碱度下才能生存。下图是不同海洋生物的等致死率线图。

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    海洋生物在 不同 pH 值及耐受时间下的致死率 [5]

    纵轴为海洋生物当前所处的 pH 值,横轴为其在该环境下可以耐受的时间。黑色实线为海洋生物在当前 pH 环境、当前耐受时间的致死率为 0%;越靠近图上方,pH 值越小,生物的致死率越高。图中红线代表 pH=5.8。

    从上图可以看到,被黑色实线和红色实线包裹的区域中的生物,会因二氧化碳溶解导致的 pH 值下降而大量死亡。

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    因海洋酸化被破坏的海洋生态(来源:Phys.org)

    4 结语

    向海洋中“注射”二氧化碳后果便是“海洋酸化”。由于可能对海洋生态造成巨大的破坏,以及很多我们还没有发现的连锁后果,这项技术并没有得到广泛应用 。“海洋碳封存”的研究至今已有四十余年。虽没有实际应用,但这一切也并不算是白费功夫。

    “海洋碳封存”技术丰富了人类的知识库,给人类未来留下了一条后路。如果二氧化碳的排放仍然无法遏止,对全球变暖控制的优先级远高于了海洋生态的保护,这个方法便成为了一种“撒手锏”。

    但到了危急的时候,拥有这个“撒手锏”的我们,要不要选择去使用它呢?

    参考文献

    [1] Canadell, J. G.,C. Le Quéré,M. R. Raupach,C. B. Field,E. T. Buitenhuis,P. Ciais,T. J. Conway,N. P. Gillett,R. A. Houghton, and G. Marland(2007), Contributions to accelerating atmospheric CO2growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks,Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.,104,18,866–70, doi:10.1073/pnas.0702737104.

    [2] https://ocean-climate.org/?page_id=3896&lang=en

    [3] Colin Baird, Cann, M., 2012, Environmental Chemistry, 5th Edition, ISBN:978-1429277044

    [4] Caulfield, J. A., Auerbach, D. I., Adams, E. E., & Herzog, H. J. (1997).Near field impacts of reduced pH from ocean CO2 disposal. Energy Conversion and Management, 38, S343–S348.doi:10.1016/s0196-8904(96)00292-0

    [5] Herzog, H. J., Adams, E. E., Auerbach, D., & Caulfield, J. (1996).Environmental impacts of ocean disposal of CO2. Energy Conversion and Management, 37(6-8), 999–1005.doi:10.1016/0196-8904(95)00289-8

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