بالوعة الكربون التحويلية في المحيط؟

منذ عدة عقود مضت، عندما كان تركيز ثاني أكسيد الكربون (CO₂(في الغلاف الجوي أقل بكثير من 400 جزء في المليون، بدأ علماء المناخ يحذرون من العواقب السلبية على مناخ الأرض نتيجة حرق الوقود الأحفوري.ومن هذه التحذيرات المبكرة، نشأ إجماع على ضرورة خفض انبعاثات الكربون (ثم التخلص منها في نهاية المطاف) لتجنب العواقب الخطيرة الناجمة عن الانحباس الحراري العالمي مثل الحرارة الشديدة، والعواصف الأشد قوة، والفيضانات والجفاف الأكثر شدة.

اليوم شركة الغلاف الجوي₂ تركيز يتجاوز بكثير 400 جزء في المليون وما زالت ترتفع، وتشير مجموعة كبيرة من الأبحاث والأحداث المناخية القاسية الأخيرة إلى حقيقة أن هذه العواقب الخطيرة تحدث بالفعل.لقد وضعت الحكومات أهدافًا طموحة للحد من الانبعاثات، وقد تم إحراز بعض التقدم، ولكن هناك تساؤلات ومخاوف جدية بشأن هذه الأهداف بطء وتيرة هذا التقدم تكثر.

 بالنسبة لكل نهج لإزالة ثاني أكسيد الكربون، تظل هناك أسئلة حول حجم التأثير الذي يمكن أن تحدثه في خفض الكربون الموجود في الغلاف الجوي وتخزينه بأمان.

سيتطلب خفض مستويات الكربون في الغلاف الجوي بشكل فعال مجموعة من الإجراءات، من بينها: الأفراد الذين يتخذون قرارات صعبة حول تغييرات نمط الحياة للتعاون الدولي لمتابعة الحلول من قائمة متنوعة من الخيارات.ومن بين الخيارات قيد النظر طرق إزالة ثاني أكسيد الكربون بشكل متعمد (CDR) من الغلاف الجوي، كان يعتبر في السابق الملاذ الأخير.إن العديد من أساليب إزالة ثاني أكسيد الكربون، سواء في البر أو في البحر، هي الآن في مراحل مختلفة من الاختبار والتطوير.ولكل منها جوانب إيجابية وسلبية، على سبيل المثال، فيما يتعلق بالتكاليف والآثار الثانوية السلبية المحتملة.وبالنسبة لكل منها، لا تزال هناك أسئلة حول حجم التأثير الذي يمكن أن تحدثه في خفض الكربون الجوي وتخزينه بأمان.

نعرض هنا الخطوط العريضة لنهج بديل لإزالة ثاني أكسيد الكربون، وهو نهج مستوحى من عملية عزل الكربون الطبيعية في قاع البحر، والتي يمكن من الناحية النظرية إزالة كميات كبيرة من الكربون في الغلاف الجوي.هناك أسئلة ومخاوف كبيرة بحاجة إلى إجابة حول هذا النهج أيضًا، ولكن بالنظر إلى إمكاناته الهائلة، نعتقد أن الأمر يستحق التحقيق.

القائمة الحالية لخيارات إزالة ثاني أكسيد الكربون

مجال مجلس الإنماء والإعمار ينفجر كما الطلب على استراتيجيات فعالة من حيث التكلفة يتجاوز العرض.وتتطلع الأساليب الأكثر شيوعًا إلى تخزين الكربون العضوي في الكتلة الحيوية، وعلى الأرض، وفي المحيطات.إن الجهود المبذولة لاستعادة الموائل الطبيعية ذات القدرة على تخزين الكربون تستحق الثناء.ومع ذلك، فإن هذا الكربون العضوي معرض للأكسدة وإعادة إطلاقه في الغلاف الجوي، ولا سيما من خلال الاحتراق في حرائق الغابات وتحلل النباتات المنكوبة بالجفاف.وفي البحر، تتم متابعة هذه الجهود من خلال زراعة الأعشاب البحرية وتخصيب المغذيات، على سبيل المثال، على الرغم من أنه من غير الواضح مقدار الكتلة الحيوية الجديدة التي يتم تخزينها في نهاية المطاف أو إلى متى.

يمكن أيضًا احتجاز ثاني أكسيد الكربون باستخدام الكيمياء الحمضية القاعدية، ثم عزله في الصخور (على سبيل المثال، تكوينات خزان النفط المستنفدة) أو في المحيط.ومع ذلك، فإن مثل هذه الأساليب تواجه أيضًا تحديات تتعلق بتحقيق التخزين الدائم، مما يثير تساؤلات حول الأمان وإمكانية إعادة إطلاق الكربون المحتجز إلى الغلاف الجوي.

يحمل تعزيز قلوية المحيطات وعدًا كبيرًا لأن قدرة المحيط على تخزين البيكربونات كافية في الإطار الزمني المناسب.

تحويل CO₂ للكربونات المعدنية يوفر آلية للتخزين الدائم [كيليمن والمادة, ، 2008].التفاعلات الطبيعية المعروفة باسم تفاعلات إيبيلمن-يوري [بييرهمبرت, ، 2010]، والتي فيها معادن السيليكات مثل الفورستيريت (Mg₂شافي₄;شكل من أشكال الزبرجد الزيتوني) يتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون₂ لإنتاج معادن الكربونات والسيليكا (على سبيل المثال، Mg₂شافي₄ + 2CO₂ → 2MgCO₃ + شافي₂)، تعتبر بمثابة منظم حرارة كوكبي على مدى معظم تاريخ الأرض بسبب اعتمادها على درجة الحرارة والتغذية المرتدة ذات الصلة.وقد نجحت هذه التفاعلات في الماضي في إخراج الأرض تدريجيًا من المناخات الدفيئة الدافئة عن طريق خفض ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي₂, وسوف تؤدي في نهاية المطاف إلى محو ارتفاع الكربون الناتج عن أنشطة بشرية، وإن لم يكن على نطاق زمني ذي صلة بالحضارة الإنسانية.

وفي الوقت نفسه، قد تحتاج البشرية إلى تنفيذ عمليات إزالة ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع للتعويض عن استخراج وحرق الوقود الأحفوري على مدى القرن الماضي.تعزيز قلوية المحيطات (OAE)، حيث يتم إضافة أيونات مثل Mg²⁺ وكاليفورنيا²⁺ (مصدرها مواد مثل الزبرجد الزيتوني أو الجير) إلى المحيط يؤدي إلى المزيد من ذوبان ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي₂ لتكوين بيكربونات (HCO₃^–)، يحمل وعدًا كبيرًا، لأن قدرة المحيط على تخزين البيكربونات كافية في الإطار الزمني المناسب [رينفورث وهندرسون, ، 2017].وفي الواقع، فإن مناهج OAE - التي غالبًا ما تتضمن مواد منتشرة على سطح المحيط - تخضع للدراسة، على الرغم من أنها تواجه أيضًا تساؤلات حول جدواها على نطاق واسع.هل هناك أماكن بحرية أخرى يمكن فيها متابعة OAE على نطاق واسع وبنتائج دائمة؟

تقدم أخطاء التحويل نهجًا تحويليًا

إن وشاح الأرض، الذي يشكل أكثر من 80% من حجم الكوكب، عبارة عن خزان ضخم من الصخور فوق المافية (منخفضة السيليكا).من الناحية النظرية، يمكن لجزء صغير من هذه الصخرة - على الأقل حوالي 600 كيلومتر مكعب إذا تم تحويلها بالكامل إلى كربونات - أن يحيد كامل سبيكة الكربون الأحفوري في العصر الصناعي في الغلاف الجوي.

تمثل الصدوع التحويلية المحيطية وامتدادات منطقة الصدع الخاصة بها إعدادات تكتونية حيث تنكشف صخور الوشاح التفاعلية، والتي عادة ما تكون مدفونة تحت كيلومترات من القشرة، على سطح الأرض.كان اكتشاف الصدوع التحويلية - التي تربط حدود الصفائح المتباينة الموجودة في مراكز انتشار وسط المحيط - أمرًا أساسيًا لإطلاق العنان للثورة التكتونية للصفائح في الستينيات [كارسون, ، 2020].واليوم، يمثل التواجد المشترك للصخور الصحيحة وقياسات الأعماق عالية النتوء مزيجًا مثاليًا من اختلال التوازن الكيميائي والجاذبي، مما يشير إلى احتمال وجود CDR واسع النطاق لا يوجد في أي مكان آخر على الأرض.

خاصة عند حدود الصفائح بطيئة الانتشار (أقل من 4 سم سنويًا) فقيرة الصهارة، تتميز إعدادات خطأ التحويل بوجود معادن سيليكات المغنيسيوم سريعة التفاعل نسبيًا [كيليمين وآخرون., ، 2020].إن حجم أودية الصدع التحويلية يقزم حجم سمات التآكل الأرضية مثل جراند كانيون.تكون جدران الوادي المغمورة بالمياه عرضة للهزال الجماعي، مما يؤدي إلى كشف أسطح جديدة من معادن السيليكات التفاعلية.محليًا، تؤدي حركة الصدوع الانفصالية شبه الأفقية إلى انزلاق أجزاء من القشرة الأرضية من الوشاح الأساسي، مما يسمح بمزيد من التعرض للصخور فوق المافية في قاع البحر.

إن التكسير النشط، اللازم لتفاعلات الماء والصخور لإنتاج محاليل قلوية، منتشر على نطاق واسع.تشير السرعات البطيئة للموجات الزلزالية التي لوحظت على طول صدوع التحويل المحيطية إلى أن المياه تخترق أعماقًا تزيد عن 30 كيلومترًا.وانغ وآخرون., ، 2022].بسبب التبريد التفاضلي في صخور قاع البحر في هذه الإعدادات، تستمر امتدادات منطقة الكسر لحدود صفائح التحويل أيضًا في تجربة الحركة العمودية التفاضلية والتكسير الجديد.وبالإضافة إلى ذلك، فإن الصدوع النشطة التي تكشف صخور الوشاح التفاعلية موجودة محليًا على طول قمم التلال وعلى طول جدران الخنادق.

ضواحي المدينة المفقودة؟

من المعروف أن إعدادات خطأ التحويل المحيطي تستضيف أنظمة حرارية مائية منخفضة الحرارة تعمل على عزل ثاني أكسيد الكربون المذاب₂ عن طريق ترسيب الكربونات المعدنية [كيلي وآخرون., ، 2007].مثال رئيسي، الحقل الحراري المائي للمدينة المفقودة (LCHF)، تقع عند خط عرض 30 درجة شمالًا وعلى بعد 15 كيلومترًا غرب سلسلة جبال وسط المحيط الأطلسي على كتلة أتلانتس الصخرية.هنا، تطلق فتحات قاع البحر سوائل قلوية ذات درجة حموضة عالية تتفاعل مع مياه البحر لترسيب أبراج يزيد ارتفاعها عن 60 مترًا مصنوعة من الكربونات (على سبيل المثال، كربونات الكالسيوم)₃) والبروسيت (Mg[OH]₂).

الدورة الحرارية المائية ذات درجة الحرارة المنخفضة في LCHF مرتبط ب الترطيب الطارد للحرارة للأوليفين والمعادن ذات الصلة عن طريق الماء المتسرب تحت قاع البحر (على سبيل المثال، 2 ملغ₂شافي₄ + ح₂يا + 2ح⁺ → ملغ₃سي₂يا₅(أوه)₄ + ملغ²⁺).يشكل هذا التفاعل معادن من المجموعة السربنتينية (على سبيل المثال، Mg₃سي₂يا₅(أوه)₄)، المعادن الأولية في الصخور السربنتينيت.ثم ترتفع السوائل الحرارية المائية من خلال نظام نافذ من الصخور المكسورة.يؤدي خلط سوائل الفتحات القلوية الدافئة (الرقم الهيدروجيني > 10) مع مياه البحر إلى تغيير توازن الكربونات محليًا لصالح ترسيب الكربونات.

تخيل لو كان من الممكن تعزيز عملية إزالة ثاني أكسيد الكربون الطبيعية هذه من خلال توسيع الأنظمة الحرارية المائية ذات درجات الحرارة المنخفضة بشكل متعمد مثل المدينة المفقودة و توصيل السوائل القلوية إلى سطح المحيط لعكس تحمض المحيطات الناتج عن النشاط البشري في نفس الوقت وخفض ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي₂.قد يبدو هذا عملاً جريئًا ومتطلبًا تقنيًا، لكن التقنيات الأساسية اللازمة متاحة بالفعل.

من شأن الحفر والتكسير الهيدروليكي في مواقع الهزال الكتلي النشط أن يخلق أسطحًا معدنية متفاعلة جديدة ويعزز عملية السربنتينية، والمزيد من التكسير، وإنتاج كميات أكبر من السوائل الحرارية المائية القلوية ذات الرقم الهيدروجيني العالي.ومن ثم يمكن ضخ السوائل أو توجيهها لترتفع بشكل طفوي عبر خطوط أنابيب معزولة لرفع قلوية الطبقة السطحية المختلطة للمحيط.وبالمقارنة مع البنية التحتية الحالية للوقود الأحفوري التي تعبر القارات وقاع البحار، فإن ضخ هذه السوائل عبر الأنابيب إلى السطح يجب أن يكون ممكنا بشكل كبير.أما بالنسبة للبنية التحتية السطحية، فإن الأساطيل المتوقفة من حاملات الطائرات ــ التي من المفترض أن تعمل بمصادر طاقة غير أحفورية مثل الطاقة النووية أو طاقة الرياح ــ قد تكون بمثابة منصات حفر.تغطي منحدرات الصدع التحويلي للأرض حوالي 100000 كيلومتر مربع، وهي مساحة من المحتمل أن تكون أكثر من كافية لهذا النهج تجاه CDR [على سبيل المثال، كيليمين وآخرون., 2020].

وحتى لو كانت التكنولوجيا الأساسية وحجم مادة الوشاح المكشوفة متاحة، إلا أن هناك أسئلة علمية عملية يجب معالجتها.على سبيل المثال، ستكون هناك حاجة إلى مزيد من البحث لفهم الأهمية النسبية للتغذية المرتدة السلبية والإيجابية في البيئات الحرارية المائية المنخفضة الحرارة [كيليمين وآخرون., ، 2020].قد تشمل ردود الفعل السلبية "الانسداد"، حيث يمنع ترسيب المعادن الثانوية النفاذية وإنتاج السوائل القلوية.وفي الوقت نفسه، تتجلى ردود الفعل الإيجابية التي تحافظ على استمرار هذه الأنظمة من خلال العمر الطويل للفتحات وانتشار الصخور المكسورة والمتغيرة.

هناك أيضًا مشكلات حركية محتملة يجب مواجهتها، على الرغم من أن الكيمياء تفضل زيادة استهلاك ثاني أكسيد الكربون₂ وفي المحيط، قد تكون وتيرة ردود الفعل بطيئة جدًا بحيث لا تؤثر على الجداول الزمنية البشرية.تم استكشاف العديد من الخيارات لتسريع معدلات ثاني أكسيد الكربون₂- ردود الفعل المستهلكة.كيليمن والمادة [2008]، على سبيل المثال، أظهر أن معدل كربنة الزبرجد الزيتوني يزيد بمليون مرة عن المعدلات النموذجية عند درجة حرارة التفاعل المثلى البالغة 185 درجة مئوية (365 درجة فهرنهايت) والضغوط الجزئية العالية لثاني أكسيد الكربون.₂.كما تم استكشاف الاستراتيجيات الكهروكيميائية لتسريع العملية [على سبيل المثال، راو وآخرون., 2013].

المشكلة مع الميثان

تثير فكرة التوسع المتعمد للأنظمة الحرارية المائية وأنابيب السوائل إلى سطح المحيط مخاوف واضحة.على رأس القائمة غاز الميثان.

وبعيدًا عن التساؤلات حول جدواها الفنية، فإن فكرة التوسع المتعمد للأنظمة الحرارية المائية وأنابيب السوائل إلى سطح المحيط تثير مخاوف واضحة.ويأتي على رأس القائمة غاز الميثان، وهو أحد غازات الدفيئة القوية، وهو منتج واسع الانتشار لعملية السربنتينة.ما الدور الذي تلعبه المعادن الخالية من الكربون في تكوين الميثان الغني بالكربون؟

في تفاعلات السربنتينة، يتم إضافة الزبرجد الزيتوني إلى الغلاف، وهو عبارة عن محلول صلب يتكون عادةً من فورستريت بنسبة 90% (Mg).₂شافي₄) و10% فياليت (Fe₂شافي₄) ، يطلق الحديد المخفض (Fe²⁺)، وهو الجاني.يؤكسد الماء الحديد المختزل، مكونًا الهيدروجين الجزيئي (H₂) في العملية (أي 3Fe₂شافي₄ + 2 ساعة₂يا → 2Fe₃يا₄ + 3SiO₂ + 2 ساعة₂).يقوم هذا الهيدروجين بعد ذلك بتحويل أي كربون مؤكسد (على سبيل المثال، CO₂) موجود في الميثان (أي 4H₂ + شركة₂ → الفصل₄ + 2 ساعة₂يا).ومن الواضح أنه سيكون من غير المرغوب فيه إنشاء أو توسيع مصادر غاز الميثان وترك الغاز في الغلاف الجوي.

ومع ذلك، قد لا تكون الأخبار كلها سيئة.يعد كل من غازي الهيدروجين والميثان من مصادر الطاقة، حيث يعتبر الأول مصدرًا للطاقة النظيفة.ومن الممكن أن يساعد حصاد الغازات في تلبية الطلب المستمر على الطاقة التقليدية والطلب المتزايد على الطاقة النظيفة، بينما يساعد أيضًا في تمويل البنية التحتية لأعمال الحفر والتنقيب عن ثاني أكسيد الكربون.وفي إطار بديل يركز على الاقتصاد، قد يكون الهدف الرئيسي لتوسيع أنظمة المنافس الحرارية المائية كما هو موصوف هو إنتاج وتسويق مصادر مدرة للدخل من غاز الهيدروجين، مع استخدام CDR كمنتج ثانوي مفيد.

وبطبيعة الحال، قد يكون حصاد هذه الغازات في أعماق المحيط أمرًا صعبًا.في المدينة المفقودة، تساعد الصخور الكربونية الموجودة في قاع البحر على تركيز تدفقات سوائل التنفيس.وما إذا كانت البنية التحتية الاصطناعية قادرة على تركيز الغازات المنتجة بشكل مماثل دون تسرب مفرط، فهي مسألة مفتوحة.

ما الذي يمكن أن يحدث بشكل خاطئ؟

وهناك مخاوف أخرى، بصرف النظر عن احتمال تسرب كميات كبيرة من الميثان.تتناقض الأنظمة الحرارية المائية ذات درجة الحرارة المنخفضة مثل المدينة المفقودة بشكل حاد مع الأنظمة الحرارية المائية ذات درجة الحرارة المرتفعة، والتي تكون شائعة على طول التلال الوسطى للمحيط.هذه الأنظمة ذات درجات الحرارة المرتفعة، والتي يتم فيها فعليًا استبدال المغنيسيوم المذاب بالبروتونات (أي الماغنسيوم)²⁺ → 2H⁺) ، تنفيس المحاليل الحمضية التي تخصم من ميزانية القلوية في المحيط، وبالتالي فإن زيادة تدفق السوائل من هذه الأنظمة عن غير قصد قد يؤدي إلى نتائج عكسية.ومن الواضح أنه يجب تجنب القرب من المواقع ذات التدفق الحراري العالي.

يمكن أن يؤدي الحفر فوق منحدرات الصدع أيضًا إلى حدوث هزات جماعية وأمواج تسونامي، وهو خطر محتمل تمت دراسته في المناطق النشطة تكتونيًا مثل خندق بورتوريكو.

يمكن للأنشطة المرتبطة بنهج CDR المقترح أن تؤدي أيضًا إلى تعطيل موائل قاع البحر وسطح المحيط.مثل هذا الاضطراب هو أ قلق كبير مع جهود التعدين في قاع البحر, وستكون هناك حاجة إلى بذل جهود كبيرة لتجنب الإضرار بالنظم البيئية في قاع البحر من أجل CDR.وللحد من الاضطرابات في الموائل السطحية للمحيطات، يمكن تصميم نظام توصيل لإزالة المواد المذابة المسببة للمشاكل، وتخفيف سوائل الفتحات القلوية قبل اختلاطها بالمياه السطحية.

تبديد مشكلة شريرة

لقد خلق صندوق باندورا للطاقة الأحفورية مشكلة تغير المناخ "الشريرة"، والتي ليس لها حل بسيط أو واحد.إنكروبيرا, ، 2015].يجري الآن التحول بعيدًا عن مصادر الطاقة الأحفورية، ولكن حتى لو اختفت انبعاثات الكربون غدًا، فإن هناك فائضًا من ثاني أكسيد الكربون₂ ستبقى طويلا في سمائنا

تمثل عملية CDR الطبيعية التي تحدث في إعدادات خطأ التحويل المحيطي، إذا أمكن تسخيرها، حلاً تحويليًا محتملاً.

لا توجد خيارات مثالية لإزالة الكربون الزائد، حيث تواجه جميع الأساليب أسئلة حول سلامتها ومتانتها وفعاليتها على نطاق واسع.عملية إزالة ثاني أكسيد الكربون الطبيعية التي تحدث في إعدادات خطأ التحويل المحيطي، إذا كان من الممكن تسخيرها لسحب ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي₂ ويمثل رفع درجة الحموضة السطحية للمحيطات حلاً تحويليًا محتملاً.تجمع هذه الإعدادات بين اختلال التوازن الكيميائي والجاذبي الأمثل بالحجم المطلوب، فالصخور المناسبة الجاهزة للكسر موجودة بكميات غير محدودة فعليًا.وإذا أمكن حصاد الغازات المخفضة مثل الهيدروجين والميثان لإنتاج الطاقة دون خوف من التسرب، فإن هذا النهج يمكن أن يكون مستداما من الناحية المالية.

حلول الهندسة الجيولوجية يمكن أن يكون لها عواقب غير مقصودة, لذا فإن اتباع نهج حذر أمر سليم.نقترح أن هناك حاجة إلى مزيد من البحث لاستقصاء الجدوى الفنية لنهج CDR الموضح هنا وتحديد مواقع الاختبار المحتملة على طول أخطاء التحويل لتجارب الحفر التجريبية.وهناك حاجة أيضاً إلى نظام حوكمة لرصد وتنظيم الأبحاث والاختبارات والتطوير في مجال إزالة ثاني أكسيد الكربون البحرية.

إذًا، هل هذه فكرة إنقاذ الكوكب تستحق الاستكشاف، أم أنها فكرة مثيرة للاهتمام ولكنها مشتتة للانتباه؟نحن نرحب بمساهمات مجتمع علوم الأرض وخارجه.وبغض النظر عن رأي المرء، فقد أصبح من الواضح أكثر فأكثر أن هناك حاجة إلى أفكار طموحة لتسريع التقدم نحو تخفيف آثار الانحباس الحراري العالمي وتبديد المشكلة الشريرة التي نواجهها.

مصدر : إيوس