海洋贮藏co2的基本知识

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1、引 言海 洋 封 存 二 氧 化 碳 ， 是 控 制 化 石 燃 料 燃 烧 导 致 气 候 变 化 的 有 效 手 段 。 本 报 告阐 明 了 二 氧 化 碳 海 洋 封 存 的 基 本 原 理 ， 简 要 叙 述 了 有 关 二 氧 化 碳 海 洋 封 存 的 科 学领 域 ， 以 及 论 述 了 二 氧 化 碳 海 洋 封 存 的 环 境 影 响 。 本 报 告 也 描 述 了 在 利 用 海 洋 封存 限 制 大 气 二 氧 化 碳 浓 度 上 升 前 需 要 进 一 步 开 展 的 研 究 。可 通 过 多 种 方 式 利 用 天 然 碳 储 层 降 低 人 为 二 氧 化 碳 排

2、 放 对 大 气 的 影 响 。 在 3个 主 要 的 天 然 碳 储 层 中 ， 海 洋 碳 储 层 的 储 量 到 目 前 为 止 是 最 大 的 。 海 洋 碳 储 层 的储 量 比 陆 地 碳 储 层 高 出 数 倍 ， 而 陆 地 碳 储 层 的 储 量 大 于 大 气 碳 储 层 的 储 量 。 然 而 ，目 前 仅 大 气 碳 储 层 承 受 化 石 燃 料 燃 烧 排 放 的 二 氧 化 碳 的 全 部 负 荷 ， 这 就 引 起 人 们关 注 气 候 变 化 。 目 前 ， 人 们 已 开 发 了 增 强 陆 地 碳 汇 的 方 法 ， 例 如 增 加 造 林 面 积 ，而

3、且 ， 人 们 正 在 验 证 利 用 天 然 （ 地 下 ） 储 层 封 存 二 氧 化 碳 的 方 法 。 由 于 海 洋 碳 封存 的 过 程 非 常 复 杂 ， 因 此 ， 增 强 海 洋 碳 封 存 能 力 的 方 法 的 效 率 并 不 显 著 。 然 而 ，利 用 海 洋 碳 储 层 储 存 （ 或 封 存 ） 碳 的 潜 力 是 巨 大 的 。 当 不 考 虑 是 否 采 取 额 外 的 人为 干 涉 活 动 时 ， 海 洋 确 实 是 大 气 层 中 二 氧 化 碳 的 主 要 吸 收 汇 。利 用 海 洋 碳 储 层 封 存 二 氧 化 碳 的 方 法 至 少 有 两 种

4、：1） 从 大 规 模 工 业 点 源 捕 集 二 氧 化 碳 并 把 二 氧 化 碳 直 接 注 入 深 海 ；2） 通 过 添 加 营 养 素 使 海 洋 肥 化 来 增 强 大 气 二 氧 化 碳 的 提 取 。尽 管 上 述 两 种 方 法 的 原 理 存 在 较 大 差 异 ， 但 是 ， 利 用 这 两 种 方 法 均 能 提 高 海洋 储 层 封 存 碳 的 速 率 ， 从 而 减 少 大 气 储 层 所 承 受 的 负 荷 。 由 于 上 述 两 种 方 法 仍 存在 不 足 之 处 ， 因 此 ， 利 用 该 两 种 方 法 仍 不 能 彻 底 解 决 减 少 大 气 储 层

5、 负 荷 的 问 题 。如 果 二 氧 化 碳 排 放 量 与 气 候 变 化 之 间 的 关 系 得 到 证 实 ， 则 应 在 较 长 时 期 内 减 少 二氧 化 碳 的 排 放 量 。 然 而 ， 当 减 少 二 氧 化 碳 的 排 放 量 时 ， 利 用 该 两 种 方 法 的 确 能 够提 供 争 取 时 间 的 途 径 。上 述 两 种 方 法 在 有 关 海 洋 肥 化 方 面 仍 存 在 极 大 的 不 确 定 性 。 把 二 氧 化 碳 注 入 深 海 的 相 关科 学 研 究 虽 然 仍 需 进 一 步 完 善 ， 但 却 易 于 理 解 。 为 此 ， 本 报 告 重

6、点 在 于 论 述 海 洋 封 存 二 氧 化碳 的 第 一 种 方 法 （ 简 要 描 述 海 洋 肥 化 ， 见 附 录 ） 。自 从 1995 年 以 来 ， 国 际 能 源 署 温 室 气 体 研 究 与 开 发 项 目 组 已 组 建 了 多 个 国 际专 家 小 组 。 这 些 专 家 组 研 究 了 有 关 深 海 二 氧 化 碳 注 入 的 知 识 。 专 家 组 的 主 要 目 标 ，是 确 定 需 要 开 展 的 研 究 领 域 ， 以 及 确 保 充 分 利 用 有 效 信 息 来 推 测 海 洋 肥 化 的 利 益和 影 响 。 最 终 ， 专 家 组 重 点 研 究

7、4 个 主 题 ： 1） 海 洋 环 流 ； 2） 环 境 影 响 ； 3） 国际 合 作 与 关 注 项 目 ； 3） 实 践 与 试 验 方 法 。 本 报 告 提 供 的 信 息 多 数 来 自 于 这 些 专 家组 及 其 提 交 的 论 文 。 该 简 短 提 要 的 目 的 ， 是 为 广 大 读 者 提 供 更 有 效 的 信 息 ， 旨 在促 进 有 关 海 洋 封 存 二 氧 化 碳 的 讨 论 。 可 从 国 际 能 源 署 温 室 气 体 研 究 与 开 发 项 目 组获 得 专 题 研 究 小 组 的 完 整 报 告 。 Ocean storage of co2. IE

8、A Greenhouse Gas R&D Programme, 2002 ,2nd edition (revised) March 2002. ISBN 1 898373 30 2图 1 全球碳循环：储层（碳，吉吨）与通量（碳，吉吨/年）天然碳的海洋封存在 前 工 业 时 期 ， 在 燃 烧 的 化 石 燃 料 向 大 气 大 量 排 放 二 氧 化 碳 之 前 ， 全 球 碳 储层 基 本 上 保 持 平 衡 。 尽 管 在 大 气 和 海 洋 、 大 气 和 陆 地 之 间 大 量 交 换 了 碳 通 量 ， 但从 一 种 储 层 向 另 一 种 储 层 没 有 任 何 纯 粹 的 得 失

9、 。 自 从 工 业 革 命 以 来 ， 化 石 燃 料 已成 为 全 世 界 的 主 要 能 源 。 随 着 化 石 燃 料 的 大 量 利 用 ， 大 气 中 二 氧 化 碳 的 排 放 量 持续 增 加 （ 目 前 每 年 向 大 气 排 放 的 二 氧 化 碳 为 23 吉 吨 （ Gt） ， 相 当 于 6 吉 吨 碳 ） 。如 今 的 碳 储 层 不 再 保 持 平 衡 。 大 气 中 二 氧 化 碳 的 浓 度 ， 已 从 前 工 业 时 期 的 280ppm增 至 目 前 的 370ppm。 导 致 碳 储 层 不 平 衡 的 原 因 ， 是 深 海 区 碳 同 化 速 率 相

10、 对 缓 慢 。利 用 高 质 量 的 测 量 方 法 并 结 合 数 学 模 型 绘 制 全 球 碳 循 环 总 图 。 全 球 碳 循 环 总图 图 解 了 目 前 碳 循 环 现 状 与 大 规 模 使 用 化 石 燃 料 前 碳 循 环 状 况 之 间 的 差 异 。 图 1举 例 说 明 了 该 两 种 状 况 ， 同 时 也 表 明 了 相 当 于 陆 地 和 大 气 储 层 总 量 之 和 的 大 容 量海 洋 碳 储 层 。政 府 间 气 候 变 化 专 门 委 员 会 （ IPCC） 作 出 预 测 ， 在 正 常 情 况 下 ， 大 气 中 二 氧化 碳 的 浓 度 将 在

11、 今 后 100 年 内 增 至 原 来 的 两 倍 。 据 估 计 ， 再 生 化 石 燃 料 资 源 含 有4000 吉 吨 碳 ， 相 当 于 大 气 储 层 中 750 吉 吨 碳 。 所 以 ， 大 气 中 二 氧 化 碳 的 浓 度 很 有可 能 增 加 数 倍 。 经 推 断 ， 大 气 中 二 氧 化 碳 浓 度 的 增 加 将 对 全 球 气 候 产 生 重 大 影 响 。图 2 海洋温盐环流输送带然 而 ， 地 球 上 的 海 洋 正 在 逐 渐 缓 解 这 种 状 况 。 根 据 有 关 化 石 燃 料 消 耗 的 数 据 ，可 准 确 地 计 算 出 大 气 中 二 氧

12、 化 碳 的 排 放 量 。 自 从 1958 年 以 来 ， 在 夏 威 夷 Mauna Loa 地 区 和 波 兰 南 部 地 区 的 监 测 站 ， 精 确 地 测 量 了 大 气 中 二 氧 化 碳 浓 度 的 增 加 ， 此 后 ， 也在 许 多 其 他 监 测 站 测 量 了 大 气 中 二 氧 化 碳 的 浓 度 。 这 些 监 测 数 据 表 明 ， 每 年 大 气 中 积 聚的 二 氧 化 碳 总 计 为 12 吉 吨 （ 相 当 于 3.2 吉 吨 碳 ） ， 而 化 石 燃 料 燃 烧 排 放 的 二 氧 化 碳 总 量几 乎 为 该 数 字 的 两 倍 。 如 表 1

13、所 示 ， 目 前 通 过 海 洋 封 存 每 年 已 成 功 地 从 大 气 中 去 除 了 约2 吉 吨 碳 （ 相 当 于 6 吉 吨 二 氧 化 碳 ） （ 尽 管 这 些 数 字 具 有 一 定 的 不 确 定 性 ） 。 如 果 没 有 海洋 和 陆 地 碳 吸 收 汇 的 补 偿 ， 大 气 中 二 氧 化 碳 的 浓 度 将 比 现 有 浓 度 增 加 约 100ppm。海洋如何吸收大气中的二氧化碳 在海-气界面二氧化碳的迁移速度是迅速的，尤其当强风引起混合层中携有碎浪和空气气泡时。二氧化碳在海水中的溶解度大于淡水，海水较高的 pH 值（约等于 8）将导致以下平衡等式从左边向右

14、边反应：CO2 + H2O H2CO3（碳酸）H2CO3 H+ + HCO3-（重碳酸盐离子）HCO3- H+ + CO32- (碳酸盐离子)在海水中，仅 1%的二氧化碳以二氧化碳分子的形式残留，超过 90%的二氧化碳为重碳酸盐离子形式。这些离子和碳酸、碳酸盐离子一起统称为溶解无机碳（DIC）。图 3 常用于研究海洋二氧化碳封存的盒模型；图中 2 个截然不同的盒子分别代表不同的海洋水域表 1 全球碳储层的年净变化碳，吉吨/年化石燃料和水泥生产排放的二氧化碳 6.3 0.4陆地净吸收 1.4 0.7海洋净吸收 1.7 0.5大气净吸收 3.2 0.1全球海洋较温暖的表层海水与二氧化碳饱和，而低温

15、深层海水是不饱和的，且具有巨大的未充分利用的二氧化碳溶解能力。例如，虽然二氧化碳在深层海水中的溶解度是表层海水的 2 倍，但深层海水中溶解无机碳的浓度仅比表层海水中溶解无机碳的浓度高 12%。这表明了深层海水真实的碳封存能力。而且，即使深层海水储存所有已知储量的化石燃料中的碳（4000 吉吨碳），海洋较高的溶解无机碳含量也变化不大。这可与把等量的碳导入大气碳储层时溶解无机碳含量的变化相对照（见以上内容）。遗憾的是，从去除大气中二氧化碳的观点来看，在大多数海域，碳从表层海水向深层海水的迁移是一个漫长的过程。把大气中的二氧化碳泵送至深层海水存在两种机理：第一种，溶解泵二氧化碳更易溶解于高纬度海区的

16、低温、高密度海水，这些高密度海水将下沉至海底。这就导致海水出现“温盐环流”现象，为此，在北大西洋的低温深层海水（含有二氧化碳）向南流经南极洲，最终在印度洋和赤道太平洋上翻，变成表层海水。在那里，二氧化碳再次释放到大气中。同样，南极深层水在上涌至表面之前在南极洲周围循环。从高纬度海区的高密度海水下沉到重现于热带地区之间的时间间隔估计为 1000 年。第二种，生物泵海洋中的植物（主要为浮游植物）吸收表层海水中溶解的二氧化碳，通过光合作用维持生命。浮游植物的生长和繁殖速度常取决于营养素的利用率。浮游植物的尺寸仅为 1-5 毫米，海洋浮游动物通常能快速吃掉这些浮游植物，而这些浮游动物也将依次被较大的海洋动物捕食，如鱼类。表层海水中超过 70%的这种有机物质可以再循环，但深层海水的平衡主要通过微粒有机物质的沉淀完成。所以，这种生物泵把二氧化碳从表层海水向深层海水运送，并有效地把二氧化碳封存于局部深层海水区域。大多数这种有机物质都通过细菌再矿化而释放出二氧化碳，最终，这些二氧化碳将返回至表层海水。把二氧