往海里倒“石头”，也能减缓全球变暖吗？

企业正竞相开发海洋技术，吸收大气中的二氧化碳——纽约就有这样一项实验。

Bonnie Chang眯起眼睛，端详一管沉积物。采集这管沉积物的地点是纽约北海海滩（North Sea Beach）外的浅海底部，离市区约两小时车程。她在寻找实验团队去年在沙子中投放的绿色矿物晶体。如果一切按计划进行，这些橄榄石晶体将使得海洋吸收更多大气中的二氧化碳——这将是一种有望全球推广的气候问题解决方案。

北海海滩实验是首批实地验证海洋碱度增强（ocean alkalinity enhancement）概念的实验之一。海洋碱度增强的原理是利用降酸剂（antacids）强化海洋对二氧化碳的吸收。该实验为期两年，由旧金山的气候科技创业公司Vesta开展，得到了当地社区领袖的大力支持。在北海海滩走上几米，就会发现一块新近立起的迎客招牌，号称游客将踏上全球第一片“减碳沙滩”。

美国纽约北海海滩（North Sea Beach），实验团队正在采集海底沉积物的岩心样本。来源：Hilary Swift for Nature

但是，对于招牌夸下的海口，Vesta北海海滩实验的带头人、海洋化学专家Chang可不那么确信。试管里的沉积物清晰可见，Chang观察着，失望地发现，一层分明的橄榄石晶体压在约10厘米厚的沙子下方。

“橄榄石埋得比预期的深”，Chang说，“我希望橄榄石能留在顶部，跟沙子混合起来。”

这或许表明实验遇到了问题，因为它可能减缓一系列反应，这些反应和其它许多因素一道，决定了实验海滩能否达到号称的减碳效果。

为减少大气中的二氧化碳，许多企业都力求独辟蹊径，Vesta就是其中之一。全球气温正朝着比前工业时代高1.5℃的水平迅速攀升，但各国并未有效节制碳排放。模型显示，21世纪中叶前，全球每年必须把大气中的二氧化碳含量降低数十亿吨，才能实现各国在2015年巴黎协定中约定的目标，即把气温升幅遏制在1.5~2℃以内。为解决气候问题，科学家、企业家和投资者正日益关注海洋，因为海洋不仅占地球表面积的70%，而且每年都能吸收温室气体排放总量的1/4以上。

在利用海洋解决气候问题方面，海洋碱化（ocean alkalinization）日益热门，从为海水添加矿物质，到利用电化学技术直接去除海水中的二氧化碳，科学家研究了种种方法。部分是因为，海洋碱化的潜在降碳作用近乎无穷，也因为，比起为海洋浮游植物施肥、大规模栽培海草等更复杂的生物方法，海洋碱化的化学和物理方法可预测性较强。倡导海洋碱化技术的人称，海洋碱化只要运用得当，根本不会让海洋生命发生多大变化。

“这美好得简直不像真的。”加拿大达尔豪斯大学的海洋学家Katja Fennel说。Fennel正在为2023年下半年的一项实地实验做准备，该实验将运用另一项技术，在加拿大新斯科舍（Nova Scotia）进行。“不过，大规模应用这项技术，切实达到减碳效果，还是相当严峻的挑战。”

绿色海滩

2022年7月，Vesta启动了北海海滩的实验，与当地社区合作，实施了此前规划的向海滩添加沙子的项目。Vesta在新添的沙子中投放了近400立方米的橄榄石（占总量的5%左右），这些橄榄石随沙子添加到了约400米长的海岸上，任由海浪、潮汐和风暴把它们扩散开来。此后数月，一支实地实验团队采集了沉积物岩心样本和海水样本，以追踪橄榄石晶体的扩散范围及其溶解速度。研究人员还开始考察动植物可能遭受的各种影响，例如橄榄石矿床中常见的镍、铬等重金属的影响。

气候科技公司Vesta的实地工作人员采集了实验海滩的海水样本，以备分析。来源：Hilary Swift for Nature

增强海洋碱度背后的目的，是加快一种自然的地球化学风化过程，该过程能在长时段内阻止地球过度升温。最后，这些化学反应把大气中的二氧化碳转移到深海，最终转移到地壳内。理论上，加快该风化过程能进一步减少大气中的二氧化碳。

Vesta的科学负责人Grace Andrews说，2022年采样的初步结果显示，迄今该试点项目的进展完全符合预期。实验在海床上设置了密闭空间用于早期监测，监测结果显示，橄榄石增强了海水的碱性；与此同时，生态系统研究尚未发现蠕虫、软体动物等无脊椎动物体内有重金属积累现象。

据Vesta计算，扣除开采、研磨和从挪威运输橄榄石的碳排放后，北海海滩实验将减少约400吨大气中的二氧化碳。Andrews表示，虽然Vesta计划出售碳权（carbon credits），但投入了200万美元的北海海滩实验既不盈利，也不会改变气候。“这是个概念验证。”

冬季的风暴会给海滩来一场大洗牌。因此，2023年5月开启新一年的实地工作后，Chang首先要做的事情之一就是寻找橄榄石。初步勘察显示，橄榄石的扩散范围比预期更远，而且，橄榄石在部分地点被掩埋了，这是Chang认为不尽人意的一点。她补充道，虽然橄榄石在沉积物中仍会与水反应，“但如果橄榄石在表面，反应效率更高。”

绿色海滩是否需能切实遏制全球变暖，取决于多种因素，反应速率只是其中之一。一些科学家已经放弃了橄榄石，因为他们担心橄榄石的溶解时间过长。Andrews承认橄榄石确实有溶解时长不确定的问题，她表示，据Vesta估算，北海海滩橄榄石的分解时间可能短至15年，也可能超过500年。量化溶解率并探索优化溶解率的方法，是“我们研发项目的核心”，她说。

还有人担忧大规模投放橄榄石的环境隐患。根据Vesta的估算，即使不考虑能源排放，每减少1吨大气中的二氧化碳，所需橄榄石的量因地理位置不同，大约在1.4吨上下，这就必然需要大规模采矿作业。更何况，凭这么小的实验规模，也难以推演对生态系统的潜在危害，如重金属污染等。

“Vesta的实验投放了少量橄榄石，迄今效果还不错，但大规模投放后又会怎样呢？”美利坚大学减碳法律和政策研究所联合主任William Burns问。“我的看法是，我们还需对潜在风险作更多研究。”

反应速率的困扰

出于对上述问题的担忧，加拿大的Planetary Technologies公司开始研究氢氧化镁，即俗称的镁乳，市面上一种可服用的非处方降酸药品。更重要的是，氢氧化镁已经用于降低污水厂处理的废水的酸度，反应过程是已知的，世界各地也都有利用氢氧化镁降酸的基础设施。

用泥浆制成氢氧化镁颗粒混悬剂，可以让碱性在一定时间内持续释放，避免降酸剂急速排海带来的隐患。实验室和海洋围场的实验都显示，碱性突然增加可能导致海水过饱和，进而析出固体碳酸盐（J. Hartmann et al. Biogeosciences20， 781–802; 2023）。德国基尔亥姆霍兹海洋研究中心的海洋学家Andreas Oschlies介绍，这种情况会降低海水碱性，逆转化学反应，反而会增强海洋的酸性，甚至导致海洋排放二氧化碳。

沉积物岩心样本中部能看到绿色的橄榄石晶体。来源：Hilary Swift for Nature

“我们认为，使用氢氧化镁的妙处是，氢氧化镁在大大增强海水碱性的同时，不会产生其它直接影响，且需要一定的溶解时间。”美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校生物地球化学家、Planetary Technologies联合创始人Greg Rau说。

2022年，Planetary Technologies向英国康沃尔一家污水厂的废水投放了4吨商用氢氧化镁，随后废水经11千米长的管道排放入海。据Rau介绍，一项尚未发表的独立分析显示，酸性废水流经管道时，碱化过程已经开始，且废水入海后还在持续。

问题在于，传统的氢氧化镁制备方法耗能很高，因此，据Planetary Technologies计算，仅就碳排放量而言，2022年康沃尔的排海实验也失败了。Rau说，为了实现碳的负排放，公司把目光转向了氢氧化镁的一种自然形态——水镁石（brucite），正在自主开发从采矿废料中清洁提纯水镁石的技术。

但是，Planetary Technologies2023年在康沃尔再度开展排海实验的计划被迫推迟，他们获取了中国开采的水镁石，但要将水镁石投放入海一事引发了公众抗议。

九月起，这家公司计划利用新斯科舍某发电厂的冷却水开展一系列排海实验，投放物质既包括商用氢氧化镁，也包括中国采的水镁石。水镁石将切实减少大气中的二氧化碳。但水镁石的效率又遭到了质疑，据Fennel介绍，水镁石不仅反应速率比商用氢氧化镁慢，还有可能沉积下去。

通过这些实验，将有助于研究人员应对海洋碱化技术面临的最大科学难题：量化海洋碱化对实地环境的影响。Fennel说，增强海水碱性、计算从大气向海洋转移的二氧化碳的理论值并不难，难题在于，只有新增强了碱性的海水一直处于海面，与上方空气接触，碳转移过程才会发生。“一旦碱化海水下沉，怕是再等1000年也不会见效。”

Fennel正在对Planetary Technologies九月的排海实验进行一项独立评估：她将用高分辨率地球化学模型追踪碱性物质，以便确定其扩散范围以及从大气转移入海的二氧化碳实际总量。这项工作将由Fennel领导的新国际联合项目“海洋碱化联盟”（Ocean Alk-align）开展。该项目于2023年6月启动，获得了美国“海洋碳汇计划”（Carbon to Sea Initiative）1100万美元的资助。海洋碳汇计划是一个非营利科学项目，原Meta公司首席技术官Mike Schroepfer是其联合创始人之一。

海洋碱化联盟将通过建模和实地实验，评估大规模利用海洋碱化减少大气二氧化碳含量可能产生的效果和隐患。“现有的海洋模型和观测工具，在设计时都未能考虑到减少二氧化碳的问题。”海洋碳汇计划执行主任Antonius Gagern说。海洋碳汇计划已向各慈善基金会募集了5000万美元，用于未来五年的海洋碱化研究。“必须制造相应的模型和工具。”

Oschlies表示，私营企业的兴趣对该领域的研究是福音，但前提是科学第一，利润第二。“我们从失败中或许能学到最多，但企业必须讲成功的故事。”Oschlies说，“我们需要透明度。”

回到北海的海滩上，Chang说人们对利用海洋解决气候问题兴趣陡增，这也为科学家创造了大把机会。她本人就从学术界跳槽到了私营企业，想要干出一番事业。“风投人什么时候招聘过海洋化学家？”她说。

别问Chang是否觉得实验能成功。她在海滩上坐着，一边看着手下的工作人员提取下一份沉积物岩心样本，一边说，自己的工作是确定在特定的时间周期内吸收的二氧化碳总量——然后判定数据是否不如预期。

原文以Start-ups are adding antacids to the ocean to slow global warming. Will it work?标题发表在2023年6月28日《自然》的新闻特写版块上，© nature，doi: 10.1038/d41586-023-02032-7

本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Jeff Tollefson