Um sumidouro de carbono transformador no oceano?

Várias décadas atrás, quando a concentração de dióxido de carbono (CO₂) na atmosfera estava bem abaixo de 400 partes por milhão, os cientistas climáticos começaram a alertar sobre as consequências negativas para o clima da Terra decorrentes da queima de combustíveis fósseis.A partir desses alertas precoces, emergiu um consenso de que as emissões de carbono teriam de ser reduzidas (e eventualmente zeradas) para evitar consequências perigosas do aquecimento global, tais como calor extremo, tempestades mais fortes e inundações e secas mais intensas.

Hoje o CO atmosférico₂ concentração é bem superior a 400 partes por milhão e continua a aumentar, e uma infinidade de pesquisas e eventos climáticos severos recentes apontam para o facto de que estas consequências perigosas já estão a acontecer.Os governos estabeleceram objectivos ambiciosos para reduzir as emissões e estão a ser feitos alguns progressos, mas sérias questões e preocupações sobre a ritmo lento deste progresso abundam.

 Para cada abordagem à remoção de dióxido de carbono, permanecem questões sobre a escala do impacto que pode ter na retirada e armazenamento seguro do carbono atmosférico.

A redução eficaz dos níveis de carbono atmosférico exigirá uma série de ações, desde indivíduos tomando decisões difíceis sobre mudanças no estilo de vida até a cooperação internacional para buscar soluções a partir de um menu diversificado de opções.Entre as opções em consideração estão métodos para remoção deliberada de dióxido de carbono (CDR) da atmosfera, outrora considerado um último recurso.Muitas abordagens ao CDR, tanto em terra como no mar, estão em vários estágios de testes e desenvolvimento.Cada um tem vantagens e desvantagens, por exemplo, no que diz respeito aos custos e aos efeitos secundários potencialmente negativos.E para cada um, permanecem questões sobre a escala do impacto que pode ter na retirada e armazenamento seguro do carbono atmosférico.

Aqui descrevemos uma abordagem alternativa de CDR, inspirada num processo natural de sequestro de carbono no fundo do mar, que em teoria poderia remover quantidades substanciais de carbono atmosférico.Questões e preocupações significativas também precisariam de ser respondidas sobre esta abordagem, mas considerando o seu vasto potencial, pensamos que vale a pena investigar.

O menu atual de opções de remoção de dióxido de carbono

O campo do CDR está explodindo à medida que demanda por estratégias econômicas excede a oferta.As abordagens mais conhecidas procuram armazenar carbono orgânico na biomassa, na terra e nos oceanos.Os esforços para restaurar habitats naturais com capacidade de armazenamento de carbono são louváveis.No entanto, este carbono orgânico é vulnerável à oxidação e à relibertação na atmosfera, principalmente através da combustão em incêndios florestais e da decomposição da vegetação atingida pela seca.No mar, esses esforços são prosseguidos através do cultivo de algas marinhas e da fertilização com nutrientes, por exemplo, embora não seja claro quanto da nova biomassa criada é armazenada ou durante quanto tempo.

O dióxido de carbono também pode ser capturado usando química ácido-base e depois sequestrado em rochas (por exemplo, formações de reservatórios de petróleo esgotados) ou no oceano.No entanto, tais abordagens também enfrentam desafios para alcançar o armazenamento permanente, levantando questões sobre a segurança e o potencial de relibertação do carbono sequestrado para a atmosfera.

A melhoria da alcalinidade dos oceanos é uma promessa considerável porque a capacidade do oceano para armazenar bicarbonato é ampla no período de tempo relevante.

Convertendo CO₂ ao carbonato mineral proporciona um mecanismo para armazenamento permanente [Kelemen e a matéria, 2008].Reações naturais conhecidas como reações de Ebelmen-Urey [Pierrehumbert, 2010], em que minerais silicatados como a forsterita (Mg₂SiO₄;uma forma de olivina) reagem com CO₂ para produzir minerais carbonáticos e sílica (por exemplo, Mg₂SiO₄ +2CO₂ → 2MgCO₃ +SiO₂), são considerados como tendo atuado como um termostato planetário durante a maior parte da história da Terra devido à sua dependência da temperatura e dos feedbacks relacionados.Estas reações retiraram, no passado, gradualmente a Terra de climas quentes com efeito de estufa, reduzindo o CO atmosférico₂, e acabarão por apagar o pico antropogénico de carbono, embora não numa escala de tempo relevante para a civilização humana.

Entretanto, a humanidade poderá necessitar de implementar o CDR em grande escala para compensar a extracção e combustão de combustíveis fósseis ao longo do século passado.Melhoria da alcalinidade oceânica (OAE), em que a adição de íons como Mg²⁺ e Ca²⁺ (proveniente de materiais como olivina ou cal) para o oceano leva a mais dissolução do CO atmosférico₂ formando bicarbonato (HCO₃^–), é bastante promissor, porque a capacidade do oceano para armazenar bicarbonato é ampla no período de tempo relevante [Renforth e Henderson, 2017].Na verdade, as abordagens OAE – muitas vezes envolvendo materiais dispersos na superfície do oceano – estão a ser estudadas, embora também enfrentem questões sobre a sua viabilidade em grande escala.Existem outros ambientes marinhos onde a OAE poderia ser realizada em larga escala e com resultados duradouros?

Falhas de transformação oferecem uma abordagem transformadora

O manto da Terra, que constitui mais de 80% do volume do planeta, é um vasto reservatório de rocha ultramáfica (com baixo teor de sílica).Em teoria, uma pequena fracção desta rocha – no mínimo cerca de 600 quilómetros cúbicos se for completamente convertida em carbonato – poderia neutralizar toda a quantidade de carbono fóssil da Era Industrial na atmosfera.

As falhas transformantes oceânicas e as suas extensões de zonas de fractura apresentam configurações tectónicas onde essas rochas reativas do manto, que normalmente estão enterradas sob quilómetros de crosta, estão expostas na superfície da Terra.A descoberta de falhas transformantes - que conectam os limites divergentes das placas localizadas nos centros de expansão no meio do oceano - foi a chave para desencadear a revolução das placas tectônicas na década de 1960 [Karson, 2020].E hoje, a co-ocorrência das rochas certas e da batimetria de alto relevo apresenta uma combinação ideal de desequilíbrios químicos e gravitacionais, sugerindo um potencial para CDR em grande escala não encontrado em nenhum outro lugar da Terra.

Especialmente em limites de placas de espalhamento lento e pobre em magma (<4 centímetros por ano), as configurações de falhas de transformação apresentam minerais de silicato de magnésio de reação relativamente rápida em abundância [Kelemen et al., 2020].A escala dos vales de falhas transformantes supera a das características erosivas terrestres, como o Grand Canyon.As paredes dos vales submarinos são propensas à perda de massa, o que expõe superfícies frescas de minerais de silicato reativos.Localmente, o movimento de falhas de descolamento quase horizontais resulta em porções de crosta deslizando para fora do manto subjacente, permitindo maior exposição de rochas ultramáficas no fundo do mar.

O fraturamento ativo, necessário para que as reações água-rocha produzam soluções alcalinas, é generalizado.As velocidades lentas das ondas sísmicas observadas ao longo das falhas transformantes oceânicas implicam que a água penetra a profundidades de mais de 30 quilómetros [Wang et al., 2022].Devido ao resfriamento diferencial na rocha do fundo do mar nessas configurações, as extensões da zona de fratura dos limites das placas transformadas também continuam a experimentar movimento vertical diferencial e fraturamento recente.Além disso, falhas ativas expondo rochas reativas do manto estão presentes localmente ao longo das cristas das cristas e ao longo das paredes das trincheiras.

Suburbanizar a cidade perdida?

Sabe-se que as configurações de falha de transformação oceânica hospedam sistemas hidrotérmicos de baixa temperatura que sequestram CO dissolvido₂ precipitando carbonato mineral [Kelley et al., 2007].Um excelente exemplo, o Campo hidrotérmico da Cidade Perdida (LCHF), fica a cerca de 30 ° de latitude N e 15 quilômetros a oeste da Dorsal Meso-Atlântica, no Maciço da Atlântida.Aqui, as aberturas do fundo do mar liberam fluidos alcalinos de alto pH que reagem com a água do mar para precipitar torres de mais de 60 metros de altura feitas de carbonato (por exemplo, CaCO₃) e brucita (Mg[OH]₂).

Circulação hidrotérmica de baixa temperatura no LCHF está vinculado a a hidratação exotérmica da olivina e minerais relacionados pela água que percola abaixo do fundo do mar (por exemplo, 2Mg₂SiO₄ +H₂O + 2H⁺ → MG₃Si₂Ó₅(OH)₄ +mg²⁺).Esta reação forma minerais do grupo serpentina (por exemplo, Mg₃Si₂Ó₅(OH)₄), os minerais primários da rocha serpentinita.Os fluidos hidrotérmicos então sobem através de um sistema permeável de rocha fraturada.A mistura dos fluidos de ventilação quentes e alcalinos (pH > 10) com água do mar altera o equilíbrio do carbonato localmente para favorecer a precipitação do carbonato.

Imagine se fosse viável melhorar este processo natural de CDR expandindo deliberadamente sistemas hidrotérmicos de baixa temperatura como Lost City e entregando os fluidos alcalinos à superfície do oceano reverter simultaneamente a acidificação antropogénica dos oceanos e reduzir o CO atmosférico₂.Pode parecer um feito audacioso e tecnicamente exigente, mas as tecnologias básicas necessárias já estão disponíveis.

A perfuração e a hidrofratura em locais de perda ativa de massa criariam superfícies minerais reativas frescas e promoveriam a serpentinização, mais craqueamento e a produção de maiores volumes de fluidos hidrotérmicos alcalinos e de alto pH.Em seguida, os fluidos poderiam ser bombeados ou direcionados para subir de forma flutuante através de tubulações isoladas para aumentar a alcalinidade da camada mista da superfície do oceano.Em comparação com a infra-estrutura existente de combustíveis fósseis que atravessa os continentes e o fundo do mar, canalizar estes fluidos para a superfície deveria ser eminentemente exequível.Quanto às infra-estruturas de superfície, frotas desactivadas de porta-aviões – presumivelmente alimentadas por fontes de energia não fósseis, como a nuclear ou a eólica – poderão servir como plataformas de perfuração.As escarpas de falhas transformantes da Terra cobrem cerca de 100.000 quilômetros quadrados, uma área provavelmente mais do que suficiente para esta abordagem ao CDR [por exemplo, Kelemen et al., 2020].

Mesmo que a tecnologia fundamental e a escala do material exposto do manto estejam disponíveis, existem questões científicas práticas a serem abordadas.Por exemplo, seriam necessárias pesquisas adicionais para compreender a importância relativa dos feedbacks negativos e positivos em ambientes hidrotérmicos de baixa temperatura [Kelemen et al., 2020].Os feedbacks negativos podem incluir “entupimento”, onde a precipitação de minerais secundários inibe a permeabilidade e a produção de fluidos alcalinos.Enquanto isso, os feedbacks positivos que mantêm esses sistemas em funcionamento são evidenciados tanto pela longa vida das fontes de ventilação quanto pela difusão das rochas fraturadas e alteradas.

Existem também possíveis problemas cinéticos a serem enfrentados – embora a química favoreça o aumento do consumo de CO₂ no oceano, o ritmo das reações pode ser lento demais para ter importância nos cronogramas humanos.Várias opções foram exploradas para acelerar as taxas de CO₂-reações de consumo.Kelemen e a matéria [2008], por exemplo, mostraram que a taxa de carbonatação da olivina aumenta um milhão de vezes acima das taxas típicas na temperatura ideal de reação de 185°C (365°F) e altas pressões parciais de CO₂.Estratégias eletroquímicas para acelerar o processo também foram exploradas [por exemplo, Rau et al., 2013].

O problema com o metano

A noção de expansão intencional de sistemas hidrotérmicos e de canalização de fluidos para a superfície do oceano levanta preocupações distintas.No topo da lista está o metano.

Para além das questões da sua viabilidade técnica, a noção de expandir intencionalmente os sistemas hidrotérmicos e canalizar fluidos para a superfície do oceano levanta preocupações distintas.No topo da lista está o facto de o metano, um potente gás com efeito de estufa, ser um produto omnipresente da serpentinização.Qual o papel dos minerais livres de carbono na formação de metano rico em carbono?

Nas reações de serpentinização, o manto olivina, uma solução sólida de tipicamente 90% de forsterita (Mg₂SiO₄) e 10% de faialita (Fe₂SiO₄), libera ferro reduzido (Fe²⁺), que é o culpado.A água oxida o ferro reduzido, formando hidrogênio molecular (H₂) no processo (ou seja, 3Fe₂SiO₄ + 2H₂O → 2Fe₃Ó₄ +3SiO₂ + 2H₂).Este hidrogênio então converte qualquer carbono oxidado (por exemplo, CO₂) presente ao metano (ou seja, 4H₂ +CO₂ → CH₄ + 2H₂Ó).Seria claramente indesejável criar ou ampliar fontes de metano e fazer com que o gás acabasse na atmosfera.

As notícias podem não ser de todo ruins, no entanto.Tanto o gás hidrogénio como o metano são fontes de energia – o primeiro é uma fonte de energia limpa.A recolha dos gases poderia ajudar a satisfazer a procura contínua de energia convencional e a crescente procura de energia limpa, ao mesmo tempo que ajudaria a financiar a perfuração e infra-estruturas de CDR.Num enquadramento alternativo, com enfoque económico, o principal objectivo da expansão dos sistemas de ventilação hidrotérmica, tal como descrito, poderia até ser a produção e comercialização de fontes geradoras de rendimento de gás hidrogénio, com o CDR como um subproduto benéfico.

A recolha destes gases nas profundezas do oceano pode, evidentemente, ser um desafio.Em Lost City, a rocha carbonática no fundo do mar ajuda a concentrar os fluxos de fluidos de ventilação.Se uma infra-estrutura artificial concentraria de forma semelhante os gases produzidos sem fugas excessivas é uma questão em aberto.

O que mais poderia dar errado?

Existem também outras preocupações, para além da potencial fuga do excesso de metano.Os sistemas hidrotermais de baixa temperatura, como a Cidade Perdida, contrastam fortemente com os sistemas hidrotermais de alta temperatura, que são comuns ao longo das dorsais meso-oceânicas.Esses sistemas de alta temperatura, nos quais o magnésio dissolvido é efetivamente trocado por prótons (ou seja, Mg²⁺ → 2H⁺), liberam soluções ácidas que subtraem o orçamento de alcalinidade do oceano, portanto, aumentar inadvertidamente os fluxos de fluidos desses sistemas seria contraproducente.Claramente, a proximidade de locais com elevado fluxo de calor deve ser evitada.

A perfuração acima de escarpas de falhas também poderia desencadear eventos de destruição em massa e tsunamis, um perigo potencial que foi estudado em regiões tectonicamente ativas, como a Fossa de Porto Rico.

As atividades associadas à abordagem CDR proposta também poderiam perturbar os habitats do fundo do mar e da superfície oceânica.Tal perturbação é um grande preocupação com esforços de mineração do fundo do mar, e seriam necessários esforços substanciais para evitar danos aos ecossistemas do fundo do mar em prol da CDR.Para minimizar perturbações nos habitats oceânicos superficiais, um sistema de entrega poderia ser projetado para remover solutos problemáticos e diluir os fluidos alcalinos de ventilação antes de serem misturados com as águas superficiais.

Dissipando um Problema Perverso

A caixa de Pandora da energia fóssil criou o “perverso” problema das alterações climáticas, que não tem solução simples ou única [Incropera, 2015].A transição das fontes de energia fósseis está em curso, mas mesmo que as emissões de carbono desapareçam amanhã, um excesso de CO₂ permaneceria por muito tempo em nossos céus.

O processo natural de CDR que ocorre em configurações de falhas transformantes oceânicas, se puder ser aproveitado, representa uma solução potencialmente transformadora.

Não existem opções perfeitas para remover o excesso de carbono – todos os métodos enfrentam questões sobre sua segurança, durabilidade e eficácia em larga escala.O processo natural de CDR que ocorre em configurações de falhas de transformação oceânicas, se pudesse ser aproveitado para extrair CO atmosférico₂ e aumentar o pH da superfície do oceano, representa uma solução potencialmente transformadora.Estas configurações combinam desequilíbrios químicos e gravitacionais ideais na escala necessária – as rochas certas, prontas para fraturar, estão presentes em quantidade efetivamente ilimitada.Se gases reduzidos, como o hidrogénio e o metano, pudessem ser aproveitados para produção de energia sem receio de fugas, a abordagem poderia ser financeiramente sustentável.

Soluções de geoengenharia pode ter consequências indesejadas, portanto, uma abordagem cautelosa é necessária.Sugerimos que mais pesquisas são necessárias para investigar a viabilidade técnica da abordagem CDR descrita aqui e identificar possíveis locais de teste ao longo de falhas transformantes para experimentos de perfuração piloto.Também é necessário um sistema de governação para monitorizar e regular a investigação, os testes e o desenvolvimento de CDR marinhos.

Então, vale a pena explorar esta ideia potencialmente para salvar o planeta, ou é intrigante, mas perturbadora?Agradecemos contribuições da comunidade de ciências da Terra e de outros lugares.Independentemente da opinião de cada um, está a tornar-se cada vez mais claro que são necessárias ideias ambiciosas para acelerar o progresso no sentido de mitigar os efeitos do aquecimento global e dissipar o problema grave que enfrentamos.

Fonte : Éos