У пастці великої блакиті: видалення вуглекислого газу океану

Порушення кліматичної геоінженерії: Частина 2

Частина 1: Нескінченні невідомі
Частина 3: Модифікація сонячної радіації
Частина 4: Розгляд етики, справедливості та справедливості

Видалення вуглекислого газу (CDR) — це форма кліматичної геоінженерії, яка спрямована на видалення вуглекислого газу з атмосфери. CDR націлений на вплив викидів парникових газів, зменшуючи та видаляючи атмосферний вуглекислий газ шляхом тривалого та короткострокового зберігання. CDR можна вважати наземним або океанським, залежно від матеріалу та систем, які використовуються для захоплення та зберігання газу. У цих бесідах домінував акцент на наземних CDR, але інтерес до використання океанських CDR зростає, при цьому увага приділяється розширеним природним, механічним і хімічним проектам.

---

Природні системи вже видаляють вуглекислий газ з атмосфери

Океан є природним поглиначем вуглецю, захоплення 25% атмосферного вуглекислого газу та 90% надлишкового тепла Землі через природні процеси, такі як фотосинтез і поглинання. Ці системи допомагають підтримувати глобальну температуру, але стають перевантаженими через збільшення в атмосфері вуглекислого газу та інших парникових газів від викидів викопного палива. Це збільшення поглинання почало впливати на хімічний склад океану, викликаючи підкислення океану, втрату біорізноманіття та нові моделі екосистем. Відновлення біорізноманіття та екосистем у поєднанні зі скороченням використання викопного палива зміцнить планету проти зміни клімату.

Видалення вуглекислого газу шляхом росту нових рослин і дерев може відбуватися як на суші, так і в екосистемах океану. Лісорозведення - це створення нових лісів або океанські екосистеми, такі як мангрові зарості, в районах, які історично не містили таких рослин, тоді як лісовідновлення прагне відродити дерева та інші рослини у місцях, які були перетворені на інше використання, як-от сільськогосподарські угіддя, шахти чи розробки, або після втрати через забруднення.

Морське сміття, пластик і забруднення води безпосередньо спричинили втрату більшості морської трави та мангрових заростей. The Закон про чисту воду у Сполучених Штатах, і інші зусилля працювали, щоб зменшити таке забруднення та дозволити лісовідновлення. Ці терміни зазвичай використовуються для опису наземних лісів, але також можуть включати океанські екосистеми, такі як мангрові зарості, морські трави, солончаки або морські водорості.

Обіцянка:

Дерева, мангрові зарості, морські трави та подібні рослини раковини вуглецю, використовуючи та поглинаючи вуглекислий газ природним шляхом за допомогою фотосинтезу. CDR океану часто висвітлює «блакитний вуглець» або вуглекислий газ, поглинений в океані. Однією з найефективніших екосистем синього вуглецю є мангрові ліси, які поглинають вуглець у своїй корі, кореневій системі та ґрунті, зберігаючи до 10 раз більше вуглецю, ніж ліси на суші. Численні мангрові зарості супутні екологічні вигоди місцевим громадам і прибережним екосистемам, запобігаючи довгостроковій деградації та ерозії, а також пом’якшуючи вплив штормів і хвиль на узбережжі. Мангрові ліси також створюють середовище існування для різних наземних, водних і пташиних тварин у кореневій системі та гілках рослин. Такі проекти теж можна використовувати прямо реверс наслідки вирубки лісів або штормів, відновлення берегової лінії та землі, яка втратила деревний і рослинний покрив.

Загроза:

Ризики, пов’язані з цими проектами, пов’язані з тимчасовим зберіганням природних поглинань вуглекислого газу. У міру того, як землекористування прибережних районів змінюється, а екосистеми океану порушуються для розвитку, подорожей, промисловості або через посилення штормів, вуглець, що зберігається в ґрунтах, буде викидатися в океанську воду та атмосферу. Ці проекти також схильні до біорізноманіття та втрата генетичного різноманіття на користь видів, що швидко ростуть, що підвищує ризик захворювань і значного вимирання. Проекти реставрації може бути енергоємним і потребують викопного палива для транспортування та техніки для обслуговування. Відновлення прибережних екосистем за допомогою цих природних рішень без належної уваги до місцевих громад може призвести до захоплення землі і ставлять у невигідне становище громади, які мали найменший внесок у зміну клімату. Міцні зв’язки з громадою та взаємодія зацікавлених сторін з корінним населенням і місцевими громадами є ключовими для забезпечення рівності та справедливості в зусиллях із захисту природного океану.

Вирощування морських водоростей спрямоване на вирощування ламінарії та макроводоростей для фільтрації вуглекислого газу з води та зберігати його в біомасі за допомогою фотосинтезу. Цю багату вуглецем морську водорость можна потім вирощувати та використовувати в продуктах чи їжі або занурювати на дно океану та секвеструвати.

Обіцянка:

Морські водорості та подібні великі океанічні рослини швидко ростуть і присутні в регіонах по всьому світу. Порівняно із залісненням або лісовідновленням, океанське середовище проживання морських водоростей робить їх невразливими до пожеж, посягань або інших загроз для наземних лісів. Секвестри морських водоростей велика кількість вуглекислого газу і має різноманітне використання після зростання. Завдяки видаленню водного вуглекислого газу морські водорості можуть допомогти регіонам боротися з підкисленням океану та забезпечують середовище існування, багате киснем для океанічних екосистем. На додаток до цих екологічних переваг, морські водорості також мають переваги адаптації до клімату захист берегової лінії від ерозії за рахунок гасіння енергії хвилі. 

Загроза:

Уловлювання вуглецю морськими водоростями відрізняється від інших CDR-процесів блакитної економіки, оскільки рослина зберігає CO₂ у своїй біомасі, а не переносячи її в осад. В результаті CO₂ Потенціал видалення та зберігання морських водоростей обмежений рослиною. Одомашнення диких морських водоростей шляхом культивування водоростей може зменшення генетичного різноманіття рослин, збільшуючи потенціал захворювань і значного вимирання. Крім того, пропоновані в даний час способи вирощування водоростей включають вирощування рослин у воді на штучному матеріалі, наприклад, на мотузці, і на мілководді. Це може перешкодити світлу та поживним речовинам із середовищ існування у воді під морськими водоростями та завдати шкоди цим екосистемам включаючи заплутування. Самі водорості також вразливі до деградації через проблеми з якістю води та хижацтво. Зараз очікуються великі проекти, спрямовані на занурення водоростей в океан мотузку або штучний матеріал а також, потенційно забруднюючи воду, коли морські водорості тонуть. Очікується також, що цей тип проекту матиме обмеження щодо вартості, що обмежує масштабованість. Потрібні подальші дослідження щоб визначити найкращий спосіб вирощування морських водоростей і отримати вигідні обіцянки, мінімізуючи передбачувані загрози та небажані наслідки.

Загалом, відновлення океанських і прибережних екосистем за допомогою мангрових заростей, морських трав, екосистем солончаків і вирощування морських водоростей має на меті збільшити та відновити здатність природних систем Землі переробляти та зберігати атмосферний вуглекислий газ. Втрата біорізноманіття внаслідок зміни клімату поєднується зі втратою біорізноманіття внаслідок діяльності людини, як-от вирубка лісів, що знижує стійкість Землі до зміни клімату. 

У 2018 році Міжурядова науково-політична платформа з біорізноманіття та екосистемних послуг (IPBES) повідомила, що дві третини екосистем океану пошкоджені, деградовані або змінені. Це число зростатиме з підвищенням рівня моря, підкисленням океану, глибоководним видобутком корисних копалин на морському дні та антропогенним впливом зміни клімату. Природні методи видалення вуглекислого газу сприятимуть збільшенню біорізноманіття та відновленню екосистем. Вирощування морських водоростей — це розвиваюча галузь дослідження, яка виграє від цілеспрямованих досліджень. Продумане відновлення та захист екосистем океану має безпосередній потенціал для пом’якшення наслідків зміни клімату через скорочення викидів у поєднанні з додатковими перевагами.

---

Посилення природних процесів океану для пом’якшення зміни клімату

Окрім природних процесів, дослідники досліджують методи посилення природного видалення вуглекислого газу, сприяючи поглинанню вуглекислого газу океаном. До цієї категорії посилення природних процесів відносяться три проекти з геоінженерії клімату океану: підвищення лужності океану, удобрення поживними речовинами та штучне підняття та опускання. 

Підвищення лужності океану (OAE) — це метод CDR, спрямований на видалення вуглекислого газу океану шляхом прискорення природних реакцій вивітрювання мінералів. Ці реакції вивітрювання використовують вуглекислий газ і утворюють твердий матеріал. Сучасні методи ОАЕ вловлюють вуглекислий газ за допомогою лужних порід, наприклад вапна чи олівіну, або за допомогою електрохімічного процесу.

Обіцянка:

На основі природні процеси вивітрювання гірських порід, ОАЕ є масштабований і пропонує постійний метод видалення вуглекислого газу. Реакція між газом і мінералом створює очікувані відкладення збільшити буферну здатність океану, у свою чергу зменшуючи підкислення океану. Збільшення покладів корисних копалин в океані також може збільшити продуктивність океану.

Загроза:

Успіх реакції вивітрювання залежить від наявності та розподілу мінералів. Нерівномірний розподіл мінералів і регіональна чутливість Зменшення вуглекислого газу може негативно вплинути на океанське середовище. Крім того, кількість мінералів, необхідних для OAE, швидше за все, буде отримані з наземних шахт, і потребуватиме транспортування до прибережних регіонів для використання. Підвищення лужності океану також змінить рН океану впливають на біологічні процеси. Підвищення лужності океану має не спостерігається стільки польових експериментів чи досліджень як наземне вивітрювання, і вплив цього методу більш відомий для наземного вивітрювання. 

Підживлення поживними речовинами пропонує додавати залізо та інші поживні речовини в океан для стимулювання росту фітопланктону. Використовуючи природний процес, фітопланктон легко поглинає атмосферний вуглекислий газ і опускається на дно океану. У 2008 році країни в Конвенції ООН про біологічне різноманіття погодився на запобіжний мораторій на практиці, щоб наукова спільнота могла краще зрозуміти плюси та мінуси таких проектів.

Обіцянка:

На додаток до видалення атмосферного вуглекислого газу, поживні добрива можуть тимчасово зменшити підкислення океану та збільшення рибних запасів. Фітопланктон є джерелом їжі для багатьох риб, і збільшення доступності їжі може збільшити кількість риби в регіонах, де виконуються проекти. 

Загроза:

Дослідження щодо внесення поживних речовин і добрив залишаються обмеженими розпізнати багато невідомих про довгострокові ефекти, супутні переваги та постійність цього методу CDR. Для проектів удобрення поживними речовинами може знадобитися велика кількість матеріалів у вигляді заліза, фосфору та азоту. Для отримання цих матеріалів може знадобитися додатковий видобуток, виробництво та транспортування. Це може звести нанівець вплив позитивного CDR і завдати шкоди іншим екосистемам на планеті через видобуток. Крім того, зростання фітопланктону може призвести до шкідливе цвітіння водоростей, зменшує вміст кисню в океані та збільшує вироблення метану, ПГ, який затримує в 10 разів більше тепла, ніж вуглекислий газ.

Природне змішування океану через висхідне та низхідне водопостачання переносить воду з поверхні в осад, розподіляючи температуру та поживні речовини в різні регіони океану. Штучний підйом і спад має на меті використання фізичного механізму для прискорення та заохочення цього змішування, збільшуючи змішування океанської води, щоб доставити насичену вуглекислим газом поверхневу воду в глибокий океан, і холодну, багату поживними речовинами воду на поверхню. Очікується, що це стимулюватиме ріст фітопланктону та фотосинтез для видалення вуглекислого газу з атмосфери. Поточні запропоновані механізми включають за допомогою вертикальних труб і насосів черпати воду з дна океану до верху.

Обіцянка:

Штучне підняття та опускання пропонується як покращення природної системи. Цей запланований рух води може допомогти уникнути побічних ефектів посиленого росту фітопланктону, таких як зони з низьким вмістом кисню та надлишок поживних речовин, шляхом посилення змішування океану. У теплих регіонах цей метод може допомогти знизити температуру поверхні та повільне відбілювання коралів. 

Загроза:

Цей метод штучного змішування бачив обмежені експерименти та польові випробування, зосереджені на малих масштабах і протягом обмежених періодів часу. Ранні дослідження вказують на те, що загалом штучний підйом і низхідний підйом мають низький потенціал CDR і забезпечити тимчасовий секвестр вуглекислого газу. Це тимчасове зберігання є результатом циклу висхідного та низхідного потоків. Будь-який вуглекислий газ, який рухається на дно океану через низхідну воду, ймовірно, підніметься вгору в якийсь інший момент часу. Крім того, цей метод також бачить потенційний ризик розірвання. Якщо штучний насос вийде з ладу, буде припинено або не вистачає фінансування, збільшення поживних речовин і вуглекислого газу на поверхні може збільшити концентрацію метану та закису азоту, а також підкислення океану. Нині запропонований механізм штучного змішування океану потребує системи труб, насосів і зовнішнього джерела енергії. Ймовірно, знадобиться установка цих труб кораблі, ефективне джерело енергії та обслуговування. 

---

CDR океану за допомогою механічних і хімічних методів

Механічний і хімічний океан CDR втручається в природні процеси, прагнучи використовувати технологію для зміни природної системи. В даний час екстракція вуглецю з морської води переважає в розмові про механічні та хімічні океанські CDR, але інші методи, такі як штучне підйом і низхідна вода, розглянуті вище, також можуть потрапити в цю категорію.

Видобуток вуглецю з морської води, або електрохімічний CDR, спрямований на видалення вуглекислого газу в океанській воді та зберігання його в іншому місці, діючи за подібними принципами для прямого захоплення та зберігання вуглекислого газу в повітрі. Запропоновані методи включають використання електрохімічних процесів для збирання газоподібної форми вуглекислого газу з морської води та зберігання цього газу в твердій або рідкій формі в геологічній формації або в океанських осадах.

Обіцянка:

Очікується, що цей метод видалення вуглекислого газу з океанської води дозволить океану поглинати більше атмосферного вуглекислого газу через природні процеси. Дослідження електрохімічного CDR показали, що з відновлюваним джерелом енергії цей метод може бути енергоефективним. Очікується подальше видалення вуглекислого газу з океанської води повернути або призупинити підкислення океану. 

Загроза:

Ранні дослідження вилучення вуглецю з морської води передусім перевіряли цю концепцію в лабораторних експериментах. Як результат, комерційне застосування цього методу залишається дуже теоретичним і потенційним енергоємні. Дослідження також в першу чергу зосереджено на хімічній здатності вуглекислого газу видалятися з морської води мало досліджень екологічних ризиків. Поточні проблеми включають невизначеність щодо змін рівноваги місцевої екосистеми та впливу, який цей процес може мати на морське життя.

---

Чи є шлях вперед для Ocean CDR?

Багато проектів CDR природного океану, як-от відновлення та захист прибережних екосистем, підтримуються дослідженими та відомими позитивними супутніми перевагами для навколишнього середовища та місцевих громад. Додаткові дослідження, щоб зрозуміти кількість і тривалість часу зберігання вуглецю за допомогою цих проектів, все ще необхідні, але супутні переваги очевидні. Однак, окрім природного океану CDR, покращений природний, механічний і хімічний океанський CDR має помітні недоліки, які слід ретельно розглянути перед реалізацією будь-якого великомасштабного проекту. 

Ми всі є зацікавленими сторонами на планеті, і ми постраждаємо від кліматичних геоінженерних проектів, а також зміни клімату. Особи, які приймають рішення, політики, інвестори, виборці та всі зацікавлені сторони відіграють ключову роль у визначенні того, чи ризик одного методу кліматичної геоінженерії переважає ризик іншого методу або навіть ризик зміни клімату. Методи Ocean CDR можуть допомогти зменшити викиди вуглекислого газу в атмосферу, але їх слід розглядати лише на додаток до прямого скорочення викидів вуглекислого газу.