海洋地球工程技術(shù)種種

編譯 郝雨

在目前全球氣候變暖的背景下，“地球工程”應(yīng)運(yùn)而生。地球工程是指通過(guò)主動(dòng)大規(guī)模運(yùn)用工程手段改造地球環(huán)境，以應(yīng)對(duì)氣候變化的影響。海洋作為地球氣候最重要的“調(diào)節(jié)器”，是地球工程的主要實(shí)施目的地，目前很多地球工程在南大洋等公海海域開展，因此也就出現(xiàn)了海洋地球工程。

挖掘海洋節(jié)能減排的潛力并不是新點(diǎn)子。目前，大西洋東北沿岸遍布海上風(fēng)電場(chǎng)；2022 年僅上半年全球就有33 個(gè)新的海上風(fēng)電場(chǎng)投入運(yùn)營(yíng)，其中我國(guó)有25 個(gè)。其實(shí)，廣袤的海洋可以發(fā)揮的作用更多。

給海洋補(bǔ)點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)

在陸地上能種樹，而在海里也能種藻、種浮游植物。雖然藻類和浮游植物的“單兵作戰(zhàn)”的降碳能力遠(yuǎn)不如陸上的樹木，但海洋的容量大呀！大量“小兵”一塊兒工作，降碳能力便相當(dāng)可觀。作為初級(jí)生產(chǎn)者,藻和浮游植物能夠捕食二氧化碳,并將其轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)、碳水化合物、色素等高附加值產(chǎn)品。

有了思路，下一步要考慮的就是怎么在海洋里多種點(diǎn)固碳生物。20 世80 年代，海洋學(xué)家馬丁·約翰發(fā)現(xiàn)某些海域的浮游植物生長(zhǎng)跟鐵元素的關(guān)系很大，而且南極冰芯記錄顯示，在含鐵沙塵多發(fā)的時(shí)期，地球大氣中二氧化碳濃度往往比較低。于是他想：往海洋里多撒點(diǎn)鐵肥，促進(jìn)固碳生物生長(zhǎng)，讓它們用力吸碳，之后不管它們是自然死亡還是被動(dòng)物吃進(jìn)肚子里，最終都會(huì)沉降下去，這不就把碳封在海底了嗎？這就是著名的“鐵假說(shuō)”。在1988年的一次報(bào)告中，馬丁·約翰說(shuō)出了“給我半船鐵，還你一個(gè)冰河時(shí)代”的豪言壯語(yǔ)。

然而，從1993 年起，科學(xué)家在多個(gè)海域施了13 次“鐵肥”，這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果跟“鐵假說(shuō)”的預(yù)期都相差甚遠(yuǎn)。施“鐵肥”確實(shí)促進(jìn)了固碳生物生長(zhǎng)，甚至形成了藻華，但并沒(méi)有很多碳被轉(zhuǎn)移到深海。大部分水生生物吃下二氧化碳生成的有機(jī)碳，在它們死后不久就在海洋上層分解了，又變成二氧化碳進(jìn)入大氣，根本不會(huì)長(zhǎng)埋海底。但在歷史上沙塵沉降劇烈的時(shí)期，大氣二氧化碳就是少呀？那么，到底是“鐵假說(shuō)”的哪里出了問(wèn)題呢？

原來(lái)，沙塵沉降等自然施肥過(guò)程不僅會(huì)帶來(lái)鐵元素，還會(huì)向海洋輸入鋁等其他元素?？茖W(xué)家從2010 年起研究鋁對(duì)海洋固碳生物的影響，他們指出，鋁或許能提高生物利用鐵的效率，還可能降低有機(jī)碳的分解速率?？磥?lái)，培養(yǎng)海洋固碳生物，得鐵鋁并施。于是，“鐵假說(shuō)”的升級(jí)版——“鐵鋁假說(shuō)”形成了。

2021 年，我國(guó)科學(xué)家采用放射性同位素示蹤技術(shù)證實(shí)，只需向海水中添加極微量的鋁，就能顯著提高海洋硅藻的固碳量。據(jù)估算，每升海水中只需再多40 納摩爾的鋁，沉降至海平面下1000 米的有機(jī)碳或許就是當(dāng)前的十倍甚至千倍，這無(wú)疑會(huì)顯著提高海洋的碳匯能力，從而有利于氣候變化。該研究為“鐵鋁假說(shuō)”提供了有力證據(jù)！

給海洋“清腸胃”

盡管“鐵鋁假說(shuō)”形勢(shì)大好，但仍有科學(xué)家對(duì)此持反對(duì)意見。他們認(rèn)為，藻類和浮游植物大量繁殖，不僅會(huì)讓海里的溶解氧驟減，還會(huì)阻礙陽(yáng)光射入水下，生態(tài)環(huán)境很可能因此遭到破壞。所以，并非整個(gè)海洋固碳研究領(lǐng)域都把寶押在了“鐵鋁假說(shuō)”上。另一種海洋地球工程理論認(rèn)為：工業(yè)革命后的兩個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，海洋一直在吸收人類生活生產(chǎn)排放的大量二氧化碳，這些二氧化碳溶于海水轉(zhuǎn)化為碳酸，早已悄然增強(qiáng)海水酸性，酸性增強(qiáng)后的海水很難再“大口吃碳”，因此，我們應(yīng)該往海底倒堿，把酸性物質(zhì)中和掉，給大海清清“腸胃”。

從理論上講，這樣做只是讓這些年來(lái)逐漸酸化的海水恢復(fù)原樣而已，中和海水的副作用應(yīng)該不大。然而，實(shí)際情況很復(fù)雜，最容易想到的一點(diǎn)就是中和不均勻的問(wèn)題，畢竟倒進(jìn)海底的東西需要時(shí)間擴(kuò)散，在堿性物質(zhì)大面積鋪開之前，局部海域的堿性可能會(huì)非常高，由此產(chǎn)生的影響不受控制。

雖然海水中和理論至今僅停留在實(shí)驗(yàn)室模擬階段，但其實(shí)它跟給海洋施肥有相似之處，二者都是向海洋投入特定物質(zhì)，利用海洋環(huán)境中物質(zhì)的生化作用來(lái)吸收二氧化碳，因此須首先考慮其是否構(gòu)成“傾倒”。能不能往海里投放各類物質(zhì)，誰(shuí)說(shuō)了算？這是一個(gè)棘手的問(wèn)題?；谝陨显?，目前，海水中和理論的實(shí)驗(yàn)對(duì)象大多是監(jiān)管較松的公海。就算海水中和理論在實(shí)驗(yàn)室被證明有效，其大規(guī)模運(yùn)用也可謂道阻且長(zhǎng)。

把海底營(yíng)養(yǎng)拉上來(lái)

雖然很多海洋工程技術(shù)旨在通過(guò)投放來(lái)增大海洋肥力，但其實(shí)海里的營(yíng)養(yǎng)并不少，只是它們大多數(shù)都堆在海底，海面的固碳生物用不了。在自然條件下，有一種現(xiàn)象能時(shí)不時(shí)地把海底營(yíng)養(yǎng)帶到海洋上層，它就是上升流。上升流是指在風(fēng)的作用下，溫度較低、密度較大的下層海水流向海洋表面，取代溫度較高的表層海水的現(xiàn)象。該過(guò)程把富含營(yíng)養(yǎng)的深海物質(zhì)帶至海洋表層，有利于生物繁殖，當(dāng)然，其中就包括“固碳能手”藻類和浮游植物。自然上升流雖好，但通常只能在特定的地區(qū)和季節(jié)形成，有顯著的局限性。所謂人工上升流，就是要通過(guò)放置人工系統(tǒng)，形成自海底到海面的海水流動(dòng)，彌補(bǔ)自然上升流的缺點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)人工上升流的方法有很多。首先，可以在近岸水域投放大量石塊，打造人工海底山脈。海流在撞到這些山脈時(shí)，就會(huì)因受阻而上涌。其次，可以“簡(jiǎn)單粗暴”地用機(jī)械泵把深海水抽上來(lái)。另外，還可以用氣泵把壓縮空氣打到海底去，這些空氣會(huì)在水中形成氣泡，再卷夾著深層海水逐漸上升，這叫作氣力提升式人工上升流。近年在我國(guó)青島鰲山灣海域?qū)嵤┑囊豁?xiàng)示范工程就利用氣力提升式人工上升流，在42 個(gè)月的時(shí)間里促進(jìn)了示范區(qū)近500 畝養(yǎng)殖海帶增產(chǎn)增匯。增產(chǎn)好理解，而這增匯，其實(shí)說(shuō)的就是增加了碳匯，有利于環(huán)保。

給海洋上空的云“美白”

談了很多立足海下的方案，咱們?cè)傺銎痤^來(lái)，看看海洋上空，了解一種叫作“海洋云增白”的技術(shù)。雖然名字是“云增白”，但其實(shí)叫“云增厚”更好理解。云是由大量凝結(jié)在固體微粒周圍的水滴和冰晶形成的，這些水滴和冰晶會(huì)均等散射所有波長(zhǎng)的光，讓陽(yáng)光呈現(xiàn)其本色——白色。云越厚，遮擋的陽(yáng)光越多，云看起來(lái)就越白。所以，云增白，就是通過(guò)人工手段擴(kuò)充云層，加厚地球的“遮陽(yáng)傘”。用什么手段呢？把海水抽上來(lái)，霧化，往天上噴。富含海鹽微粒的霧靄上升到低空的層積云中，就能凝結(jié)更多水蒸氣，從而形成更多的云。

近年來(lái)，澳大利亞自然觀景勝地大堡礁的珊瑚白化現(xiàn)象日益嚴(yán)重。2021 年，科學(xué)家在該地區(qū)首次“真槍實(shí)彈”地試驗(yàn)了海洋云增白技術(shù)。他們?cè)谝凰叶奢喩习惭b了320 個(gè)噴嘴，讓它們齊齊噴出海霧，以期通過(guò)這種技術(shù)為下面的珊瑚群提供蔭蔽。

在海下造墻

全球變暖導(dǎo)致兩極冰川面積逐年減小，為此，科學(xué)家提出了一種緩“冰”之計(jì)——在海下造墻——人工屏障不僅能阻止冰川移動(dòng)，減緩冰川崩裂速度，還能阻擋海洋暖水團(tuán)流向冰層底部，減緩冰川融化速度。拜棕櫚島的開挖量。建成后，有效緩解南極西部冰川崩塌問(wèn)題的概率為30%。第二種方案，在海底興建一道較矮的人工墻，將溫暖海水和冰川底部隔開。由于海底環(huán)境較惡劣，所以這種方案的工程相對(duì)復(fù)雜，不過(guò)，該方案奏效的可能性估計(jì)可高達(dá)70%。

位于南極洲西南部的思韋茨冰川是占地面積最廣的冰川之一。它一旦崩塌，將導(dǎo)致全球海平面急劇上升，因此又被稱為“末日冰川”。2018年，科學(xué)家以思韋茨冰川為對(duì)象，設(shè)計(jì)了兩種方案，用計(jì)算機(jī)模型估測(cè)了在此修筑海底墻的效果。第一種方案，沿著思韋茨冰川的底部周圍建造一圈約300 米高的圓柱，把冰川“箍”住。該工程總計(jì)需要0.1～1.5 立方千米的材料，這個(gè)規(guī)模相當(dāng)于迪

雖然海洋地球工程是當(dāng)下的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，但也存在一些反對(duì)的聲音，認(rèn)為人類不應(yīng)對(duì)技術(shù)過(guò)度自信，從而忽視技術(shù)背后的風(fēng)險(xiǎn)。海洋地球工程技術(shù)很有可能成為應(yīng)對(duì)氣候變化的有力工具，而這種人為改變海洋環(huán)境的手段也可能對(duì)氣候系統(tǒng)產(chǎn)生新的不確定影響。應(yīng)該說(shuō)，任何海洋地球工程技術(shù)都應(yīng)在解決問(wèn)題與規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)中尋求平衡。