به دام افتاده در آبی بزرگ: حذف دی اکسید کربن اقیانوس

شکستن ژئومهندسی آب و هوا: قسمت 2

قسمت 1: ناشناخته های بی پایان
بخش 3: اصلاح تابش خورشیدی
بخش چهارم: در نظر گرفتن اخلاق، انصاف و عدالت

حذف دی اکسید کربن (CDR) نوعی مهندسی زمین اقلیمی است که به دنبال حذف دی اکسید کربن از جو است. CDR تأثیر انتشار گازهای گلخانه ای را با کاهش و حذف دی اکسید کربن اتمسفر از طریق ذخیره سازی بلند مدت و کوتاه مدت هدف قرار می دهد. بسته به مواد و سیستم های مورد استفاده برای جذب و ذخیره گاز، CDR را می توان زمینی یا اقیانوسی در نظر گرفت. تاکید بر CDR مبتنی بر خشکی در این گفتگوها غالب بوده است، اما علاقه به استفاده از CDR اقیانوسی با توجه به پروژه‌های طبیعی، مکانیکی و شیمیایی افزایش یافته است.

---

سیستم های طبیعی در حال حاضر دی اکسید کربن را از جو حذف می کنند

اقیانوس یک غرق کربن طبیعی است، گرفتن 25 درصد دی اکسید کربن اتمسفر و 90 درصد گرمای اضافی زمین از طریق فرآیندهای طبیعی مانند فتوسنتز و جذب. این سیستم‌ها به حفظ دمای جهانی کمک کرده‌اند، اما به دلیل افزایش دی‌اکسید کربن جو و سایر گازهای گلخانه‌ای ناشی از انتشار سوخت‌های فسیلی، بیش از حد بارگذاری می‌شوند. این افزایش جذب شروع به تأثیر بر شیمی اقیانوس کرده و باعث اسیدی شدن اقیانوس ها، از بین رفتن تنوع زیستی و الگوهای جدید اکوسیستم شده است. بازسازی تنوع زیستی و اکوسیستم ها همراه با کاهش سوخت های فسیلی، سیاره را در برابر تغییرات آب و هوایی تقویت می کند.

حذف دی اکسید کربن از طریق رشد گیاهان و درختان جدید می تواند هم در خشکی و هم در اکوسیستم های اقیانوسی رخ دهد. جنگل کاری است ایجاد جنگل های جدید یا اکوسیستم های اقیانوسی، مانند حرا، در مناطقی که از لحاظ تاریخی چنین گیاهانی را در خود نداشته اند، در حالی که جنگل کاری به دنبال این است درختان و سایر گیاهان را دوباره معرفی کنید در مکان‌هایی که به کاربری متفاوت تبدیل شده‌اند، مانند زمین‌های کشاورزی، معدن، یا توسعه، یا پس از از دست دادن به دلیل آلودگی.

زباله های دریایی، پلاستیک و آلودگی آب به طور مستقیم در بیشتر از بین رفتن علف های دریایی و حرا نقش داشته اند. را قانون آب پاک در ایالات متحده، و تلاش های دیگر برای کاهش چنین آلودگی و امکان احیای جنگل ها موثر بوده است. این اصطلاحات به طور کلی برای توصیف جنگل های مستقر در خشکی استفاده می شود، اما می تواند شامل اکوسیستم های مبتنی بر اقیانوس مانند حرا، علف های دریایی، باتلاق های نمکی یا جلبک های دریایی نیز باشد.

وعده:

درختان، حرا، علف های دریایی و گیاهان مشابه هستند غرق کربن، استفاده و جداسازی دی اکسید کربن به طور طبیعی از طریق فتوسنتز. Ocean CDR اغلب «کربن آبی» یا دی‌اکسید کربنی را که در اقیانوس جدا شده است برجسته می‌کند. یکی از موثرترین اکوسیستم های کربن آبی، حرا است که کربن را در پوست، سیستم ریشه و خاک خود جدا می کند و ذخیره می کند. حداکثر 10 بار کربن بیشتر از جنگل های روی زمین است. مانگروهای متعددی را فراهم می کنند منافع مشترک زیست محیطی به جوامع محلی و اکوسیستم های ساحلی، جلوگیری از تخریب طولانی مدت و فرسایش و همچنین تعدیل تاثیر طوفان ها و امواج در ساحل. جنگل های حرا همچنین زیستگاهی برای جانوران مختلف زمینی، آبزی و پرندگان در سیستم ریشه و شاخه های گیاه ایجاد می کند. از چنین پروژه هایی نیز می توان استفاده کرد مستقیم معکوس اثرات جنگل زدایی یا طوفان، احیای خطوط ساحلی و زمین هایی که پوشش درختی و گیاهی را از دست داده اند.

تهدید:

خطرات همراه با این پروژه ها از ذخیره موقت دی اکسید کربن به طور طبیعی جدا شده ناشی می شود. از آنجایی که کاربری زمین های ساحلی تغییر می کند و اکوسیستم های اقیانوسی برای توسعه، مسافرت، صنعت یا با تقویت طوفان ها مختل می شوند، کربن ذخیره شده در خاک به آب اقیانوس و جو آزاد می شود. این پروژه ها نیز مستعد هستند تنوع زیستی و از دست دادن تنوع ژنتیکی به نفع رشد سریع گونه ها، افزایش خطر ابتلا به بیماری و مرگ و میر بزرگ. پروژه های مرمتی می تواند انرژی بر باشد و به سوخت های فسیلی برای حمل و نقل و ماشین آلات برای نگهداری نیاز دارند. بازسازی اکوسیستم های ساحلی از طریق این راه حل های مبتنی بر طبیعت بدون توجه مناسب برای جوامع محلی ممکن است منجر به تصرف زمین شود و جوامع محرومی که کمترین سهم را در تغییرات آب و هوایی داشته اند. روابط قوی جامعه و مشارکت سهامداران با مردم بومی و جوامع محلی برای تضمین برابری و عدالت در تلاش‌های CDR طبیعی اقیانوس‌ها کلیدی است.

کشت جلبک دریایی با هدف کاشت کلپ و جلبک بزرگ برای فیلتر کردن دی اکسید کربن از آب و ذخیره آن در زیست توده از طریق فتوسنتز. سپس این جلبک دریایی غنی از کربن را می توان پرورش داد و در محصولات یا مواد غذایی استفاده کرد یا در اعماق اقیانوس فرو برد و جدا کرد.

وعده:

جلبک دریایی و گیاهان بزرگ اقیانوسی مشابه به سرعت در حال رشد هستند و در مناطقی در سراسر جهان وجود دارند. در مقایسه با جنگل کاری یا احیای جنگل، زیستگاه اقیانوسی جلبک دریایی باعث می شود که آن را در معرض آتش سوزی، تجاوز یا سایر تهدیدات جنگل های خشکی قرار ندهد. جلبک دریایی مقادیر بالای دی اکسید کربن و پس از رشد کاربردهای متنوعی دارد. از طریق حذف دی اکسید کربن مبتنی بر آب، جلبک دریایی می تواند به مناطق کمک کند تا در برابر اسیدی شدن اقیانوس ها عمل کنند. زیستگاه های غنی از اکسیژن را فراهم می کند برای اکوسیستم های اقیانوسی علاوه بر این دستاوردهای زیست محیطی، جلبک دریایی مزایای سازگاری با آب و هوا نیز دارد که می تواند حفاظت از خطوط ساحلی در برابر فرسایش با کاهش انرژی امواج 

تهدید:

جذب کربن جلبک دریایی از سایر فرآیندهای CDR اقتصاد آبی متمایز است، زیرا کارخانه COXNUMX را ذخیره می کند₂ در زیست توده خود، به جای انتقال آن به رسوبات. در نتیجه، CO₂ پتانسیل حذف و نگهداری جلبک دریایی توسط گیاه محدود شده است. اهلی کردن جلبک دریایی وحشی از طریق کشت جلبک دریایی ممکن است کاهش تنوع ژنتیکی گیاه، افزایش پتانسیل بیماری و مرگ و میرهای بزرگ. علاوه بر این، روش‌های پیشنهادی فعلی برای کشت جلبک دریایی شامل رشد گیاهان در آب روی مواد مصنوعی مانند طناب و در آب‌های کم عمق است. این ممکن است از نور و مواد مغذی از زیستگاه‌های موجود در آب زیر جلبک دریایی جلوگیری کند و به آن اکوسیستم‌ها آسیب برساند. از جمله گرفتاری ها. جلبک دریایی نیز به دلیل مشکلات کیفیت آب و شکار در معرض تخریب است. در حال حاضر پروژه های بزرگی با هدف غرق کردن جلبک دریایی در اقیانوس انتظار می رود طناب یا مواد مصنوعی را غرق کنید همچنین، به طور بالقوه باعث آلودگی آب در هنگام غرق شدن جلبک دریایی می شود. همچنین پیش‌بینی می‌شود که این نوع پروژه با محدودیت‌های هزینه مواجه شود و مقیاس‌پذیری را محدود کند. تحقیقات بیشتری لازم است تعیین بهترین راه برای پرورش جلبک دریایی و به دست آوردن وعده های مفید و در عین حال به حداقل رساندن تهدیدات پیش بینی شده و پیامدهای ناخواسته.

به طور کلی، بازیابی اکوسیستم‌های اقیانوسی و ساحلی از طریق حرا، علف‌های دریایی، اکوسیستم‌های باتلاق نمکی و کشت جلبک دریایی با هدف افزایش و بازیابی توانایی سیستم‌های طبیعی زمین برای پردازش و ذخیره‌سازی دی‌اکسید کربن اتمسفر است. از دست دادن تنوع زیستی ناشی از تغییرات آب و هوایی با از دست دادن تنوع زیستی ناشی از فعالیت های انسانی، مانند جنگل زدایی، کاهش انعطاف پذیری زمین در برابر تغییرات آب و هوایی ترکیب می شود. 

در سال 2018، پلتفرم علمی-سیاست بین دولتی در زمینه تنوع زیستی و خدمات اکوسیستمی (IPBES) گزارش داد که دو سوم اکوسیستم های اقیانوسی آسیب دیده، تخریب یا تغییر یافته اند. این تعداد با افزایش سطح دریا، اسیدی شدن اقیانوس ها، استخراج معادن در اعماق بستر دریا و تأثیرات تغییرات آب و هوایی انسانی افزایش خواهد یافت. روش های حذف دی اکسید کربن طبیعی از افزایش تنوع زیستی و احیای اکوسیستم ها سود خواهند برد. کشت جلبک دریایی یک منطقه مطالعاتی رو به رشد است که از تحقیقات هدفمند سود می برد. احیای متفکرانه و حفاظت از اکوسیستم های اقیانوسی پتانسیل فوری برای کاهش اثرات تغییرات آب و هوا از طریق کاهش انتشار گازهای گلخانه ای همراه با مزایای مشترک دارد.

---

تقویت فرآیندهای طبیعی اقیانوس برای کاهش تغییرات آب و هوایی

علاوه بر فرآیندهای طبیعی، محققان در حال بررسی روش‌هایی برای افزایش حذف دی اکسید کربن طبیعی و تشویق جذب دی اکسید کربن اقیانوس هستند. سه پروژه ژئومهندسی آب و هوای اقیانوس در این دسته از فرآیندهای طبیعی تقویت می‌شوند: افزایش قلیایی اقیانوس، لقاح مواد مغذی، و بالا آمدن و پایین آمدن مصنوعی. 

افزایش قلیایی اقیانوس (OAE) یک روش CDR است که هدف آن حذف دی اکسید کربن اقیانوس با تسریع واکنش های هوازدگی طبیعی مواد معدنی است. این واکنش های هوازدگی از دی اکسید کربن استفاده می کنند و مواد جامد ایجاد می کنند. تکنیک های فعلی OAE دی اکسید کربن را با سنگ های قلیایی مانند آهک یا الیوین یا از طریق یک فرآیند الکتروشیمیایی جذب کنید.

وعده:

بر اساس فرآیندهای هوازدگی سنگ طبیعی، OAE است مقیاس پذیر و یک روش دائمی ارائه می دهد حذف دی اکسید کربن واکنش بین گاز و کانی باعث ایجاد رسوباتی می شود که پیش بینی می شود افزایش ظرفیت بافری اقیانوس، به نوبه خود اسیدی شدن اقیانوس ها را کاهش می دهد. افزایش ذخایر معدنی در اقیانوس ها نیز ممکن است بهره وری اقیانوس ها را افزایش دهد.

تهدید:

موفقیت واکنش هوازدگی به در دسترس بودن و توزیع مواد معدنی بستگی دارد. توزیع نابرابر مواد معدنی و حساسیت های منطقه ای کاهش دی اکسید کربن ممکن است بر محیط اقیانوس تأثیر منفی بگذارد. علاوه بر این، مقدار مواد معدنی مورد نیاز برای OAE به احتمال زیاد وجود دارد از معادن زمینی تامین می شود، و برای استفاده به حمل و نقل به مناطق ساحلی نیاز دارد. افزایش قلیایی بودن اقیانوس ها باعث تغییر PH اقیانوس نیز می شود بر فرآیندهای بیولوژیکی تأثیر می گذارد. افزایش قلیائیت اقیانوسی دارد به اندازه آزمایش های میدانی یا تحقیقات زیادی دیده نمی شود به عنوان هوازدگی مبتنی بر خشکی، و تأثیرات این روش برای هوازدگی زمینی بیشتر شناخته شده است. 

کوددهی مواد مغذی پیشنهاد افزودن آهن و سایر مواد مغذی به اقیانوس برای تشویق رشد فیتوپلانکتون‌ها. فیتوپلانکتون ها با بهره گیری از یک فرآیند طبیعی، به آسانی دی اکسید کربن اتمسفر را جذب کرده و در ته اقیانوس فرو می روند. در سال 2008، کشورها در کنوانسیون سازمان ملل در مورد تنوع زیستی با یک تعلیق احتیاطی موافقت کرد در مورد عملی که به جامعه علمی اجازه می دهد تا مزایا و معایب چنین پروژه هایی را بهتر درک کند.

وعده:

علاوه بر حذف دی اکسید کربن اتمسفر، کوددهی مواد مغذی ممکن است کاهش موقت اسیدی شدن اقیانوس ها و افزایش ذخایر ماهی فیتوپلانکتون ها منبع غذایی برای بسیاری از ماهی ها هستند و افزایش در دسترس بودن غذا ممکن است میزان ماهی را در مناطقی که پروژه ها انجام می شود افزایش دهد. 

تهدید:

مطالعات در مورد لقاح مواد مغذی و بسیاری از مجهولات را تشخیص دهد در مورد اثرات بلند مدت، منافع مشترک و ماندگاری این روش CDR. پروژه های کوددهی مواد مغذی ممکن است به مقادیر زیادی مواد به شکل آهن، فسفر و نیتروژن نیاز داشته باشند. تامین منابع این مواد ممکن است به استخراج، تولید و حمل و نقل اضافی نیاز داشته باشد. این می تواند تأثیر CDR مثبت را خنثی کند و به سایر اکوسیستم های سیاره به دلیل استخراج معادن آسیب برساند. علاوه بر این، رشد فیتوپلانکتون ممکن است منجر به شکوفه های مضر جلبک، کاهش اکسیژن در اقیانوس ها و افزایش تولید متان، یک GHG که 10 برابر گرما را در مقایسه با دی اکسید کربن به دام می اندازد.

اختلاط طبیعی اقیانوس از طریق بالا آمدن و پایین آمدن، آب را از سطح به رسوب می آورد و دما و مواد مغذی را در مناطق مختلف اقیانوس توزیع می کند. بالا آمدن و پایین آمدن مصنوعی قصد دارد از یک مکانیسم فیزیکی برای تسریع و تشویق این اختلاط استفاده کند، اختلاط آب اقیانوس ها را افزایش دهد تا آب های سطحی غنی از دی اکسید کربن را به اعماق اقیانوس برساند. آب سرد و غنی از مواد مغذی به سطح. پیش بینی می شود که این امر باعث تشویق رشد فیتوپلانکتون ها و فتوسنتز برای حذف دی اکسید کربن از جو می شود. مکانیسم های پیشنهادی فعلی شامل با استفاده از لوله ها و پمپ های عمودی برای کشیدن آب از پایین اقیانوس به بالا.

وعده:

بالا آمدن و پایین آمدن مصنوعی به عنوان تقویت یک سیستم طبیعی پیشنهاد شده است. این حرکت برنامه ریزی شده آب ممکن است با افزایش اختلاط اقیانوس ها از عوارض جانبی افزایش رشد فیتوپلانکتون مانند مناطق کم اکسیژن و مواد مغذی اضافی جلوگیری کند. در مناطق گرمتر، این روش ممکن است به خنک شدن دمای سطح و سفید شدن آهسته مرجان. 

تهدید:

این روش اختلاط مصنوعی آزمایش‌ها و آزمایش‌های میدانی محدودی را در مقیاس‌های کوچک و برای دوره‌های زمانی محدود انجام داده است. تحقیقات اولیه نشان می دهد که به طور کلی، بالا آمدن و پایین آمدن مصنوعی پتانسیل CDR پایینی دارند و ارائه توقیف موقت از دی اکسید کربن این ذخیره سازی موقت در نتیجه چرخه بالا آمدن و پایین آمدن است. هر دی اکسید کربنی که از طریق پایین آمدن به کف اقیانوس حرکت می کند، احتمالاً در زمان دیگری بالا می رود. علاوه بر این، این روش احتمال خطر فسخ را نیز می بیند. اگر پمپ مصنوعی از کار بیفتد، متوقف شود یا بودجه کافی نداشته باشد، افزایش مواد مغذی و دی اکسید کربن در سطح ممکن است غلظت متان و اکسید نیتروژن و همچنین اسیدی شدن اقیانوس را افزایش دهد. مکانیسم پیشنهادی فعلی برای اختلاط مصنوعی اقیانوس ها به یک سیستم لوله، پمپ ها و منبع انرژی خارجی نیاز دارد. نصب این لوله ها احتمالاً نیاز دارد کشتی‌ها، یک منبع کارآمد انرژی و نگهداری هستند. 

---

CDR اقیانوس از طریق روش های مکانیکی و شیمیایی

CDR مکانیکی و شیمیایی اقیانوس در فرآیندهای طبیعی مداخله می کند و هدف آن استفاده از فناوری برای تغییر یک سیستم طبیعی است. در حال حاضر، استخراج کربن از آب دریا بر مکالمه CDR اقیانوسی مکانیکی و شیمیایی غالب است، اما روش‌های دیگری مانند بالا آمدن مصنوعی و پایین‌روی، که در بالا مورد بحث قرار گرفت، می‌توانند در این دسته قرار گیرند.

استخراج کربن از آب دریا یا CDR الکتروشیمیایی، با هدف حذف دی اکسید کربن موجود در آب اقیانوس و ذخیره آن در جای دیگر، بر اساس اصول مشابه برای هدایت جذب و ذخیره دی اکسید کربن در هوا عمل می کند. روش‌های پیشنهادی شامل استفاده از فرآیندهای الکتروشیمیایی برای جمع‌آوری شکل گازی دی اکسید کربن از آب دریا و ذخیره آن گاز به شکل جامد یا مایع در یک سازند زمین‌شناسی یا در رسوبات اقیانوسی است.

وعده:

انتظار می رود این روش حذف دی اکسید کربن از آب اقیانوس ها به اقیانوس اجازه دهد تا دی اکسید کربن اتمسفر بیشتری را از طریق فرآیندهای طبیعی جذب کند. مطالعات بر روی CDR الکتروشیمیایی نشان داده است که با استفاده از یک منبع انرژی تجدیدپذیر، این روش می تواند انرژی کارآمد باشد. انتظار می رود که دی اکسید کربن از آب اقیانوس ها حذف شود معکوس کردن یا توقف اسیدی شدن اقیانوس. 

تهدید:

مطالعات اولیه در مورد استخراج کربن از آب دریا در درجه اول این مفهوم را در آزمایشات مبتنی بر آزمایشگاه آزمایش کرده است. در نتیجه، کاربرد تجاری این روش بسیار تئوری و به طور بالقوه باقی می ماند پر انرژی. تحقیقات همچنین در درجه اول بر توانایی شیمیایی دی اکسید کربن برای حذف از آب دریا متمرکز شده است. تحقیقات کمی در مورد خطرات زیست محیطی. نگرانی های فعلی شامل عدم قطعیت در مورد تغییرات تعادل اکوسیستم محلی و تأثیری که این فرآیند ممکن است بر زندگی دریایی داشته باشد.

---

آیا مسیری رو به جلو برای CDR اقیانوس وجود دارد؟

بسیاری از پروژه‌های CDR اقیانوس‌های طبیعی، مانند بازسازی و حفاظت از اکوسیستم‌های ساحلی، توسط تحقیقات و مزایای مشترک مثبت شناخته شده برای محیط زیست و جوامع محلی پشتیبانی می‌شوند. تحقیقات بیشتری برای درک میزان و مدت زمان ذخیره کربن از طریق این پروژه ها هنوز مورد نیاز است، اما مزایای مشترک آن مشخص است. با این حال، فراتر از CDR اقیانوس طبیعی، افزایش CDR طبیعی، مکانیکی و شیمیایی اقیانوس ها دارای معایب قابل شناسایی است که باید قبل از اجرای هر پروژه در مقیاس بزرگ به دقت در نظر گرفته شود. 

همه ما در این سیاره ذینفع هستیم و تحت تاثیر پروژه های مهندسی جغرافیایی آب و هوا و همچنین تغییرات آب و هوایی قرار خواهیم گرفت. تصمیم گیرندگان، سیاست گذاران، سرمایه گذاران، رای دهندگان و همه ذینفعان در تعیین اینکه آیا خطر یک روش مهندسی جغرافیایی آب و هوا بر خطر روش دیگر یا حتی خطر تغییر آب و هوا بیشتر است، کلیدی هستند. روش های CDR اقیانوس می تواند به کاهش دی اکسید کربن جو کمک کند، اما فقط باید علاوه بر کاهش مستقیم انتشار دی اکسید کربن در نظر گرفته شود.