Трансформирующий поглотитель углерода в океане?

Несколько десятилетий назад, когда концентрация углекислого газа (CO₂) в атмосфере было значительно ниже 400 частей на миллион, ученые-климатологи начали предупреждать о негативных последствиях для климата Земли сжигания ископаемого топлива.В результате этих ранних предупреждений возник консенсус в отношении того, что выбросы углекислого газа необходимо снизить (и, в конечном итоге, обнулить), чтобы избежать опасных последствий глобального потепления, таких как сильная жара, более сильные штормы, а также более интенсивные наводнения и засухи.

Сегодня атмосферный CO₂ концентрация составляет более 400 частей на миллион. и продолжает расти, а множество исследований и недавние суровые погодные явления указывают на тот факт, что эти опасные последствия уже происходят.Правительства поставили амбициозные цели по ограничению выбросов, и определенный прогресс уже достигнут, но серьезные вопросы и опасения по поводу медленный темп этого прогресса изобилуют.

 Для каждого подхода к удалению углекислого газа остаются вопросы относительно масштаба воздействия, которое он может оказать на поглощение и безопасное хранение атмосферного углерода.

Эффективное снижение уровня углерода в атмосфере потребует ряда действий, от люди, принимающие трудные решения об изменении образа жизни и международном сотрудничестве для поиска решений из разнообразного меню вариантов.Среди рассматриваемых вариантов – методы преднамеренное удаление углекислого газа (CDR) из атмосферы, когда-то считавшееся крайней мерой.Многие подходы к CDR, как на суше, так и на море, находятся на различных стадиях тестирования и разработки.У каждого из них есть свои плюсы и минусы, например, в отношении затрат и потенциально негативных побочных эффектов.И для каждого из них остаются вопросы о масштабах воздействия, которое оно может оказать на поглощение и безопасное хранение атмосферного углерода.

Здесь мы обрисовываем альтернативный подход CDR, вдохновленный естественным процессом связывания углерода на морском дне, который теоретически может удалить значительные количества атмосферного углерода.Этот подход также потребует ответов на важные вопросы и опасения, но, учитывая его огромный потенциал, мы считаем, что его стоит изучить.

Текущее меню вариантов удаления углекислого газа

Область CDR стремительно развивается. спрос на экономически эффективные стратегии превышает предложение.Наиболее распространенные подходы направлены на сохранение органического углерода в биомассе, на суше и в океанах.Усилия по восстановлению естественной среды обитания, способной накапливать углерод, заслуживают похвалы.Однако этот органический углерод уязвим для окисления и повторного выброса в атмосферу, особенно в результате сгорания при лесных пожарах и гниения пострадавшей от засухи растительности.В море такие усилия предпринимаются, например, путем выращивания морских водорослей и внесения питательных удобрений, хотя неясно, какая часть новой созданной биомассы в конечном итоге хранится и как долго.

Углекислый газ также можно улавливать с помощью кислотно-щелочной химии, а затем изолировать в горных породах (например, истощенных нефтяных пластах) или в океане.Однако такие подходы также сталкиваются с проблемами обеспечения постоянного хранения, что поднимает вопросы о безопасности и возможности повторного выброса секвестрированного углерода в атмосферу.

Повышение щелочности океана является весьма многообещающим, поскольку способность океана хранить бикарбонат достаточна в соответствующий период времени.

Преобразование CO₂ минеральному карбонату обеспечивает механизм постоянного хранения [Келемен и Материя, 2008].Естественные реакции, известные как реакции Эбельмена-Юри.Пьерембер, 2010], в которых силикатные минералы, такие как форстерит (Mg₂SiO₄;форма оливина) реагирует с CO₂ с получением карбонатных минералов и кремнезема (например, Mg₂SiO₄ + 2СО₂ → 2MgCO₃ + SiO₂), считаются планетарными термостатами на протяжении большей части истории Земли из-за их зависимости от температуры и связанных с ней обратных связей.В прошлом эти реакции постепенно вытягивали Землю из теплого парникового климата за счет снижения содержания CO в атмосфере.₂, и они в конечном итоге сотрут антропогенный выброс углерода, хотя и не в сроки, соответствующие человеческой цивилизации.

Тем временем человечеству, возможно, придется внедрить CDR в огромных масштабах, чтобы компенсировать добычу и сжигание ископаемого топлива за последнее столетие.Повышение щелочности океана (ОАЭ), при котором добавление ионов типа Mg²⁺ и Ca²⁺ (полученных из таких материалов, как оливин или известь) в океан приводит к большему растворению атмосферного CO.₂ с образованием бикарбоната (HCO₃^–), имеет значительные перспективы, поскольку способность океана хранить бикарбонат достаточна в соответствующий период времени [Ренфорт и Хендерсон, 2017].Действительно, подходы ОАЭ, часто с использованием материалов, рассеянных на поверхности океана, изучаются, хотя и они сталкиваются с вопросами об их крупномасштабной осуществимости.Существуют ли другие морские условия, где OAE можно было бы проводить в широком масштабе и с долгосрочными результатами?

Преобразование разломов предлагает преобразующий подход

Мантия Земли, составляющая более 80% объема планеты, представляет собой обширный резервуар ультраосновных (малокремнистых) пород.Теоретически, небольшая часть этой породы — минимум около 600 кубических километров, если она полностью преобразована в карбонат, — могла бы нейтрализовать всю порцию ископаемого углерода индустриальной эпохи в атмосфере.

Океанические трансформные разломы и расширения зон их разломов представляют собой тектонические условия, в которых такие реактивные мантийные породы, которые обычно погребены под километрами земной коры, обнажаются на поверхности Земли.Открытие трансформных разломов, которые соединяют расходящиеся границы плит, расположенные в центрах спрединга среди океана, стало ключом к развязыванию тектонической революции плит в 1960-х годах.Карсон, 2020].И сегодня совместное появление правильных пород и батиметрии высокого рельефа представляет собой оптимальное сочетание химического и гравитационного неравновесия, предполагая потенциал крупномасштабного CDR, которого больше нет нигде на Земле.

В зонах трансформных разломов, особенно на бедных магмой медленно спрединговых (<4 сантиметра в год) границах плит, в изобилии присутствуют относительно быстро реагирующие минералы силиката магния.Келемен и др., 2020].Масштаб долин трансформированных разломов затмевает масштабы наземных эрозионных объектов, таких как Гранд-Каньон.Стены подводных долин склонны к массовому истощению, в результате которого обнажаются свежие поверхности реактивных силикатных минералов.На местном уровне движение почти горизонтальных разломов отрыва приводит к соскальзыванию частей коры с подстилающей мантии, что позволяет дополнительно обнажить ультраосновные породы на морском дне.

Активный разрыв пласта, необходимый для реакций вода-порода с получением щелочных растворов, широко распространен.Медленные скорости сейсмических волн, наблюдаемые вдоль океанических трансформных разломов, позволяют предположить, что вода проникает на глубины более 30 километров.Ван и др., 2022].Из-за дифференциального охлаждения пород морского дна в этих условиях, расширения зон разломов границ трансформных плит также продолжают испытывать дифференциальные вертикальные перемещения и свежие трещиноватости.Кроме того, вдоль гребней хребтов и стенок желобов локально присутствуют активные разломы, обнажающие реактивные мантийные породы.

Субурбанизировать затерянный город?

Известно, что в условиях океанических трансформных разломов находятся низкотемпературные гидротермальные системы, которые улавливают растворенный CO.₂ путем осаждения минерального карбоната [Келли и др., 2007].Яркий пример, Гидротермальное поле Лост-Сити (LCHF), расположен примерно на 30° северной широты и в 15 км к западу от Срединно-Атлантического хребта на массиве Атлантида.Здесь из жерл на морском дне выделяются щелочные жидкости с высоким pH, которые вступают в реакцию с морской водой, образуя башни высотой более 60 метров, состоящие из карбоната (например, CaCO).₃) и брусит (Mg[OH]₂).

Низкотемпературная гидротермальная циркуляция на LCHF связано с экзотермическая гидратация оливина и родственных минералов водой, просачивающейся под морское дно (например, 2Mg₂SiO₄ + Ч₂О + 2Н⁺ → Мг₃Си₂О₅(ОЙ)₄ + Мг²⁺).В результате этой реакции образуются минералы серпентиновой группы (например, Mg₃Си₂О₅(ОЙ)₄), основные минералы серпентинитовой породы.Затем гидротермальные жидкости поднимаются через проницаемую систему трещиноватых пород.Смешивание теплых щелочных жерловых флюидов (pH > 10) с морской водой локально смещает карбонатное равновесие в пользу осаждения карбонатов.

Представьте себе, если бы можно было улучшить этот естественный процесс CDR путем целенаправленного расширения низкотемпературных гидротермальных систем, таких как Затерянный город и доставка щелочных жидкостей на поверхность океана одновременно обратить вспять антропогенное закисление океана и снизить содержание CO в атмосфере.₂.Это может показаться смелым и технически сложным подвигом, но необходимые основные технологии уже доступны.

Бурение и гидроразрыв в местах потери активной массы создадут свежие реактивные минеральные поверхности и будут способствовать серпентинизации, дальнейшему растрескиванию и производству больших объемов щелочных гидротермальных жидкостей с высоким pH.Затем жидкости можно было либо перекачивать, либо направлять плавучестью по изолированным трубопроводам, чтобы повысить щелочность смешанного слоя поверхностного океана.По сравнению с существующей инфраструктурой ископаемого топлива, которая пересекает континенты и морское дно, доставка этих жидкостей на поверхность должна быть вполне осуществимой.Что касается наземной инфраструктуры, то в качестве буровых платформ могут служить законсервированные флоты авианосцев, предположительно работающих на неископаемых источниках энергии, таких как ядерная или ветровая.Уступы трансформированных разломов Земли занимают площадь порядка 100 000 квадратных километров, площадь, вероятно, более чем достаточная для такого подхода к CDR [например, Келемен и др., 2020].

Однако даже если фундаментальная технология и масштаб обнаженного мантийного материала доступны, остаются практические научные вопросы, требующие решения.Например, потребуются дополнительные исследования, чтобы понять относительную важность отрицательных и положительных обратных связей в низкотемпературных гидротермальных условиях.Келемен и др., 2020].Отрицательные обратные связи могут включать «засорение», когда осаждение вторичных минералов препятствует проницаемости и образованию щелочных жидкостей.Между тем, о положительной обратной связи, которая поддерживает работу этих систем, свидетельствует как долгая жизнь жерл, так и широкое распространение трещиноватых и измененных горных пород.

Существуют также потенциальные кинетические проблемы, с которыми приходится бороться, хотя химия благоприятствует увеличению потребления CO.₂ в океане скорость реакций может быть слишком медленной, чтобы иметь значение для человеческих временных рамок.Было изучено несколько вариантов ускорения выбросов CO.₂-потребляющие реакции.Келемен и Материя [2008], например, показали, что скорость карбонизации оливина увеличивается в миллион раз по сравнению с типичными скоростями при оптимальной температуре реакции 185 ° C (365 ° F) и высоких парциальных давлениях CO.₂.Также были изучены электрохимические стратегии ускорения этого процесса [например, Рау и др., 2013].

Проблема с метаном

Идея намеренного расширения гидротермальных систем и выведения жидкостей на поверхность океана вызывает определенные опасения.Первое место в списке занимает метан.

Помимо вопросов технической осуществимости, идея преднамеренного расширения гидротермальных систем и подачи жидкостей на поверхность океана вызывает определенные опасения.Первое место в списке занимает тот факт, что метан, мощный парниковый газ, является повсеместным продуктом серпентинизации.Какую роль безуглеродные минералы играют в образовании богатого углеродом метана?

В реакциях серпентинизации образуется мантийный оливин, твердый раствор, обычно содержащий 90% форстерита (Mg₂SiO₄) и 10% фаялита (Fe₂SiO₄), высвобождает восстановленное железо (Fe²⁺), который является виновником.Вода окисляет восстановленное железо, образуя молекулярный водород (H₂) в процессе (т.е. 3Fe₂SiO₄ + 2Ч₂О → 2Fe₃О₄ + 3SiO₂ + 2Ч₂).Этот водород затем преобразует любой окисленный углерод (например, CO₂) присутствует в метане (т.е. 4H₂ + СО₂ → CH₄ + 2Ч₂О).Очевидно, было бы нежелательно создавать или расширять источники метана, чтобы газ попадал в атмосферу.

Однако новости, возможно, не так уж и плохи.И водород, и метан являются источниками энергии, первый из которых является экологически чистым источником энергии.Сбор газов может помочь удовлетворить растущий спрос на традиционную энергию и растущий спрос на чистую энергию, а также помочь финансировать бурение и инфраструктуру CDR.В альтернативной, экономически ориентированной концепции, основной целью расширения гидротермальных жерловых систем, как описано, может быть даже производство и сбыт приносящих доход источников газообразного водорода с CDR в качестве полезного побочного продукта.

Сбор этих газов в глубоком океане, конечно, может оказаться сложной задачей.В Затерянном городе карбонатные породы на морском дне помогают сосредоточить потоки выходящих жидкостей.Вопрос о том, сможет ли искусственная инфраструктура таким же образом сосредоточить добываемые газы без чрезмерных утечек, остается открытым.

Что еще может пойти не так?

Помимо возможного выброса избытка метана, существуют и другие опасения.Низкотемпературные гидротермальные системы, такие как Затерянный город, резко контрастируют с высокотемпературными гидротермальными системами, которые распространены вдоль срединно-океанических хребтов.Эти высокотемпературные системы, в которых растворенный магний фактически обменивается на протоны (т.е. Mg²⁺ → 2Ч⁺), выбрасывают кислотные растворы, которые уменьшают баланс щелочности океана, поэтому непреднамеренное увеличение потоков жидкости из этих систем будет контрпродуктивным.Очевидно, что следует избегать близости к местам с высоким тепловым потоком.

Бурение над уступами разломов также может спровоцировать массовые разрушения и цунами — потенциальную опасность, которая изучалась в тектонически активных регионах, таких как желоб Пуэрто-Рико.

Деятельность, связанная с предлагаемым подходом CDR, может также нарушить среду обитания на морском дне и на поверхности океана.Такое нарушение является серьезная проблема с работы по добыче полезных ископаемых на морском дне, и потребуются значительные усилия, чтобы избежать повреждения экосистем морского дна ради CDR.Чтобы свести к минимуму нарушения среды обитания на поверхности океана, можно было бы разработать систему доставки, удаляющую проблемные растворенные вещества и разбавляющую щелочные жидкости перед их смешиванием с поверхностными водами.

Решение неприятной проблемы

Ящик Пандоры с ископаемой энергией создал «порочную» проблему изменения климата, у которой нет простого или единственного решения.Инкропера, 2015].Переход от ископаемых источников энергии продолжается, но даже если завтра выбросы углекислого газа исчезнут, избыток CO₂ долго бы оставался в нашем небе.

Естественный процесс CDR, который происходит в условиях океанических трансформных разломов, если его можно будет использовать, представляет собой потенциально преобразующее решение.

Не существует идеальных вариантов удаления избытка углерода — все методы сталкиваются с вопросами относительно их безопасности, долговечности и эффективности в больших масштабах.Естественный процесс CDR, который происходит в условиях океанических трансформных разломов, если его можно использовать для снижения содержания CO в атмосфере.₂ и повысить pH поверхности океана, представляет собой потенциально преобразующее решение.Эти условия сочетают в себе оптимальные химические и гравитационные неравновесия в необходимом масштабе — нужные породы, готовые к разрушению, присутствуют практически в неограниченном количестве.Если бы восстановленные газы, такие как водород и метан, можно было бы использовать для получения энергии, не опасаясь утечки, этот подход мог бы быть финансово устойчивым.

Геоинженерные решения может иметь непредвиденные последствия, поэтому необходим осторожный подход.Мы полагаем, что необходимы дополнительные исследования для изучения технической осуществимости подхода CDR, изложенного здесь, и определения возможных испытательных площадок вдоль трансформных разломов для экспериментов по пилотному бурению.Также необходима система управления для мониторинга и регулирования исследований, испытаний и разработки морских CDR.

Так стоит ли изучать эту идею, потенциально спасающую планету, или она интригующая, но отвлекающая?Мы приветствуем вклад сообщества наук о Земле и других источников.Независимо от того, кто что думает, становится все более и более очевидным, что амбициозные идеи необходимы для ускорения прогресса в смягчении последствий глобального потепления и рассеивании ужасной проблемы, с которой мы сталкиваемся.

Источник : Эос