我认识的每一位研究争议性想法的海洋学家，即劝说海洋吸收更多大气中的二氧化碳，都记得他们决定开始这项有争议的工作的时刻。对我来说，那是在 2021 年 6 月太平洋西北地区的热浪期间，当时气温飙升至 49 摄氏度（120 华氏度）以上，并点燃了北方森林。
我花了多年时间研究海洋环流和地球的碳循环，但没有研究海洋二氧化碳去除 (mCDR)——减少海洋中二氧化碳的技术，以便海洋反过来可以从空气中吸收更多二氧化碳。尽管如此，就在热浪开始之前，我还是主动帮助组织了一次关于 mCDR 的虚拟小组讨论，为一次海洋研究会议。会议期间出现的大部分问题都与担心此类研究可能会造成道德风险有关，让人们声称减少二氧化碳排放会降低减少化石燃料排放的紧迫性。
在小组讨论中，来自不列颠哥伦比亚大学的原住民学者坎迪斯·卡利森谈到了如何在可能进行海洋实地试验的当地海岸线社区中开展工作。卡利森是一位杰出的发言人，帮助科学家们更多地了解关于气候变化的公共讨论。仅仅几天后，野火爆发并破坏了几个原住民保留地——包括卡利森告诉我的她亲戚居住的家。这场悲剧生动地提醒了我，在全球变暖 1 摄氏度后，我们已经面临的危险。考虑到即使是乐观的情景也表明世界将至少再变暖 1 摄氏度，悲剧可能会变得更糟。我决定 mCDR 研究很重要。如果最终表明这些方法是徒劳的或危险的，那么这项研究可以防止对虚假的希望进行长期投资。如果这项工作揭示了刺激海洋吸收更多二氧化碳的安全方法，那么这些方法可能成为帮助稳定气候的新工具。
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从 20 世纪 50 年代开始，科学家们开始分析从格陵兰岛和南极冰盖钻取的冰芯中捕获的气泡，以了解气候历史。到 20 世纪 80 年代，他们意识到世界海洋可以吸入或呼出足够的二氧化碳，从而大大促进地球冰盖在大陆上的长期扩张和退缩周期。当时，关于海洋中碳浓度在数千年内波动的主要假设是，地表水中含有铁，铁在寒冷时期从干旱景观中吹入，其水平调节着整个海洋的浮游植物生长。更多的铁会导致更多的生长，这将从空气中吸收更多的二氧化碳。加利福尼亚州莫斯兰丁海洋实验室的海洋学家约翰·马丁提出，人为地用铁肥沃海洋可能会影响气候。在 1988 年于马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所举行的一次会议上，马丁说出了后来成为海洋学中最令人难忘的名言之一：“给我半油轮的铁，我就给你一个冰河时代。”
马丁的铁假说促成了 1992 年至 2009 年间十多次人工铁富集实验。研究人员在海洋表面释放铁，并跟踪数天或数周该地区的水化学和生物体的变化。结果证实，当其他条件有利时，铁富集可能导致浮游植物大量繁殖。无论海洋学家是否将这些实验视为“地球工程”，这些研究都产生了非凡的见解，深入了解了可能在长时间尺度上改变气候的相互作用的生物和化学过程。
然而，对干预自然的严重担忧日益增长，世界各国签署了 2008 年《伦敦公约》修正案。该修正案禁止在“沿海水域内的小规模科学研究研究”之外进行进一步的海洋施肥实验，这抑制了对此类工作的热情。在接下来的十年里，研究人员主要在虚拟海洋中使用模型进行研究。
几个事件开始融化科学家们冷淡的观点。《巴黎协定》2015 年将升温限制在 1.5 摄氏度的目标引发了大量关于升温 2 摄氏度对生态系统和社会将造成多大程度恶化的研究。研究表明，每避免升温零点几度都能提供保护，免受包括日益严重的极端高温、干旱以及陆地和海洋生物多样性丧失在内的严重危险。尽管可再生能源的突破减缓了排放量的惊人增长，但还需要碳去除来稳定全球气候。
海洋学家仍在争论如何证明任何海洋策略都能有效地从大气中去除二氧化碳。
在这种背景下，国家科学院、工程院和医学院于 2022 年发布了一份关于 mCDR 的报告，其中概述了六项主要策略以及评估这些策略所需的研究。该文件为海洋科学家从事此类工作提供了社会认可。公司正在寻找大规模购买可靠碳信用额度的方法，这增加了紧迫性。2022 年，金融服务公司 Stripe 和几家大型公司承诺购买价值 10 亿美元的陆地和海洋碳去除和永久储存信用额度，以帮助保证可能加速碳减排技术发展的需求。
进展已经认真开始。国家海洋和大气管理局和美国能源部都举办了关于 mCDR 科学提案的竞赛。世界各地的研究正在进行中。2024 年 6 月，一家名为 Vesta 的公司在北卡罗来纳州近海的海洋中撒播了 8,200 公吨的碎橄榄石——岩尘——试图直接从水中吸收二氧化碳。Vesta 是第一家获得联邦许可在美国海域测试碳去除的公司。同样在 6 月，初创公司 Equatic 开始在魁北克省为一家示范规模的工厂进行工程设计，该工厂改变海水化学成分以吸收更多二氧化碳。
海洋表面的水域通常与大气交换气体。氮气、氧气、二氧化碳和其他微量气体各自施加一部分大气总压。在海洋中，二氧化碳也施加分压，以及水和其他分子。当海洋中二氧化碳的分压低于大气中二氧化碳的分压时，二氧化碳会溶解在海水中，因为风将空气推向海浪。空气和水寻求二氧化碳水平的平衡。随着社会碳排放的加剧，大气二氧化碳分压增加，更多的气体被转移到海洋中。大部分进入的二氧化碳与海水反应形成碳酸氢盐和碳酸盐，它们像海洋中的盐一样，在水柱中溶解数千年。自 150 多年前的工业革命以来，海洋吸收了大约 25% 的人类二氧化碳排放，这是一项伟大的服务，大大减缓了气候变化的步伐。
本·吉兰
本·吉兰
本·吉兰
所有 mCDR 策略的目标都是使用化学或生物方法降低海洋表层中二氧化碳的分压。一类化学 mCDR 有一个拗口的名字“海洋碱度增强”。碱度是水中和酸的能力。海洋吸收的大约 99% 的大气二氧化碳变成碳酸氢盐或碳酸盐，当水更呈碱性时，这个百分比会更高。因此，当碱性物质溶解在海水中时，该反应会降低二氧化碳的分压，使水能够从空气中吸收更多二氧化碳。如 Vesta 公司在 6 月所做的那样，在海洋或海滩上撒播粉碎的碱性岩石（如石灰石或橄榄石）可以提高碱度。
在第二类化学 mCDR 中，称为直接海洋去除，海水被泵入漂浮或陆上设施，该设施提取二氧化碳并将其运输以用于商业用途或将其储存在地下。然后将水泵回海中，准备从空气中吸收更多二氧化碳。研究人员正在尝试各种技术来提取碳，例如电渗析，它迫使水通过膜，类似于海水淡化厂的运行方式。Captura 是一家正在追求这种方法的公司。
生物技术主要依赖于大型和小型植物生命。一种方法是培养大型藻类，如海带——通常与在陆地上植树相提并论。随着植物的生长，它们将碳储存在其组织中。为了固碳，这些植物将被沉入海底，在那里碳可能会沉淀在沉积物中或仍然溶解在深海海水中。
一些科学家正在继续试验最初的施肥方法，以促进微藻的生长——微藻是海洋中无处不在的微小单细胞浮游植物。诸如铁、磷或氮等营养物质将被添加到海面，在那里它们可以促使浮游植物进行光合作用，因此比原本更快地生长。希望当这些浮游植物死亡并沉没时，储存在其细胞内的碳将保留在深海中。另一种生物方法是人工上升流：泵将营养丰富的海水从海洋内部移动到表面，试图促进大型藻类或微藻的生长。
海洋学家仍在争论如何证明任何 mCDR 策略都能有效地从大气中去除二氧化碳。有了足够的船只、传感器和人员，我们可以测量 mCDR 部署对地表水的影响，然后在效果仍然可检测到的情况下计算海洋二氧化碳吸收量的增加。对于任何更长的时间段，我们将需要依赖模型，因为最初改变的水会被洋流在一个广阔的区域内搅动，并稀释到可检测水平以下。海洋已经储存了大气中 50 倍的二氧化碳，但它在空间和时间上变化很大，因此直接测量 mCDR 干预带来的额外碳总量几乎是不可能的。具有讽刺意味的是，同样的特性意味着一些 mCDR 方法可以将大量大气二氧化碳转移到海洋中，而几乎不会扰乱海洋的背景状态。
跟踪这些影响的工作被称为监测、报告和核查。目标是尝试监测随时间推移去除的碳，并将这些结果报告给第三方进行独立核查。例如，在直接海洋去除中，提取设施中的仪器将测量从海水中去除的二氧化碳，从附近海洋收集的水样以及模型将跟踪海洋中额外碳的吸收。量化沉入海底的死亡浮游植物内部的碳将更加困难。
当然，如果公司和组织要为碳信用额度付费——例如，每公吨封存的二氧化碳支付 300 美元，也需要严格的监测、报告和核查。首要问题是我们需要确保二氧化碳不会在没有干预的情况下从大气中去除。我们将此属性称为干预的额外性。例如，如果海带养殖在表面形成厚厚的海藻垫，但这种生长形成了一个遮阳篷，减缓了本可以生活在更深处的浮游植物的光合作用，那么海洋二氧化碳吸收的净变化——额外性——可能为零。
第二个问题是持久性：捕获的碳在与大气安全隔离的情况下能保持多久。铁富集浮游植物可能会大量繁殖，其富含碳的生物质的一部分可能会沉入地表以下。但是，如果微生物消耗了这些碳或碳恢复到其溶解形式，则碳可能会在数月或数年内再次进入大气，从而降低干预的持久性。
今年五月，我参加了一个由科学家、工程师、慈善家和政府代表组成的会议，讨论海洋碱度增强的方方面面。我们热切地审查了在哈利法克斯港（新斯科舍省）附近的实地试验的初步结果，该试验由一家名为 Planetary Technologies 的公司和哈利法克斯达尔豪西大学的学术合作伙伴领导。该试验涉及一个海岸线发电厂排放到港口的水，该水已被用于冷却，这是一种常规做法。研究人员在排放管道中添加了碱性化合物，并测量了内港中增加的碱度。但是，由于信号在该区域之外被稀释，他们只能使用经过测试的海洋模型来估算碳去除总量。早期结果表明，该试验成功地将更多碳从大气转移到海洋中。* 而且，由于碳现在主要以碳酸氢盐的形式储存在海洋中，因此它应该稳定数千年——这是一个非常持久的结果。
为了评估广阔而动荡的海洋中的额外性和持久性，研究界将不得不依赖直接观测和建模的结合，因为任何 mCDR 部署的完整影响都将在数月或数年内显现。它将发生在海洋中过于广阔而无法直接观测的区域，并且水平太小而无法检测到。这项任务需要全新一代的“应用海洋生物地球化学家”。
科学家还必须评估一项技术是否会危及生态系统或社区，并权衡风险与任何潜在的好处。例如，大型海上海带养殖场可能会破坏当地生态或干扰渔业。对于直接海洋碳去除，公司需要制定计划来安全地储存或销售作为废品产生的二氧化碳。电化学技术将过滤和泵送大量海水，而机械可能会吸入并摧毁小型植物和动物。每种方法都有权衡取舍，但将二氧化碳留在大气中以导致持续变暖也是如此。
考虑生物方法的研究人员面临着证明大规模操纵生态系统是安全的艰巨挑战。人类干预生态系统的历史充满了失败。想想从南美洲进口到澳大利亚的海蟾蜍。引进蟾蜍是为了吃掉以甘蔗为食的甲虫，但蟾蜍却变成了有毒的害虫和国家公害。很难预测开放环境中可能存在的每一个潜在陷阱。我们在考虑生物 mCDR 的意外后果时可能会寻找的一些基本问题是意外刺激可能毒害贝类的有害藻类大量繁殖、可能使鱼类窒息的缺氧“死亡区”的扩大以及对包括渔业在内的食物网的生态系统影响。
不排放二氧化碳是最可靠的解决方案，但如果最后 10% 的减排量难以实现，海洋去除可能会有所帮助。
我们还必须评估在一个地方追求的生物方法是否会在另一个地方造成问题。如果我们在海洋表面撒播铁，更多的浮游植物也将消耗它们生长所需的其他营养物质，如硝酸盐和磷酸盐。在环绕南极洲的南大洋中，强劲的西风造成了来自深海的巨大硝酸盐和磷酸盐库的上升流，这表明铁施肥可能最有效。然而，洋流将这些上升流的营养物质输送到全球，维持了低纬度地区高达 75% 的海洋光合作用。如果铁施肥促使浮游植物在南大洋中消耗这些营养物质，那么全球其他地区的海洋生态系统将被剥夺这种营养——这是一个严重的生态问题。而全球范围内的生长减少可能意味着从空气中自然吸收的二氧化碳减少；最终，可能几乎没有额外性。
一种去除额外碳、持久储存且安全的 mCDR 技术还必须通过另一项测试：它能扩大规模吗？世界每年排放超过 370 亿公吨的二氧化碳。如果我们不想用茶杯舀出正在下沉的船只中的水，我们应该寻找每年可以去除约 10 亿公吨二氧化碳的策略。各种选择的潜力如何？
如果仅根据可以研磨成碱性粉末的合适岩石的可用性来评估，海洋碱度增强理论上每年可以达到数百亿公吨。然而，从后勤角度来看，如果岩石由已经沿着现有海上运输路线航行的船舶撒播，效率最高，模型表明这种方法每年可以将二氧化碳吸收量潜力削减至约 10 亿至 30 亿公吨。
此外，开采和研磨大量岩石需要大量能源，并且会带来自身的陆地社会和生态系统影响。每年开采和粉碎近 70 亿公吨的石灰石（一种碱性岩石）用于农业和其他应用，因此世界将需要一个规模相当的新产业来清理我们二氧化碳污染问题的一小部分。
对生物方法的评估从以下估计开始：在全球范围内，每年少于 100 亿公吨的二氧化碳最终在死亡的大型藻类和微藻中沉入海底——足够深入，可以在海洋中保留至少 100 年。为了额外去除 10 亿吨不会很快重新进入大气的二氧化碳，一种生物方法必须将沉入地球深海的生物物质总量增加约 10%。很难想象如此大的增长不会产生任何重大的意外后果。
回答规模化问题不能只靠海洋学家。我们必须评估与部署相关的所有工程、能源和经济挑战。需要社区参与，以了解社会是否愿意以这种方式与海洋互动。而且，最终，如果 mCDR 通过所有测试并获得社会认可，则必须有某个实体或市场为其付费。
我们能合理地要求海洋做什么？我们每年排放的 370 亿公吨二氧化碳仅占地球巨大大气层的一小部分，但它对我们的气候产生了巨大的影响。首先不排放气体是一种比寻找从大气中去除这种微量气体的技术更简单、更便宜、更可靠的解决方案。
但是，即使我们可以在未来十年内将排放量减半，并在 20 年后将排放量削减 90%，我们仍然面临大约 50-50 的几率会超过全球升温 1.5 摄氏度，这是几乎所有国家在《巴黎协定》中同意的目标。如果最后 10% 的排放量仍然难以消除，变暖将无限期地以较慢但仍然危险的轨迹继续发展，最终导致冰盖崩塌和海平面上升数十米。我们正在研究 mCDR，以便这些策略有一天可能帮助社会解决最后几个百分比的问题。
在评估承诺和风险时，我们必须诚实。在今年二月于新奥尔良举行的海洋科学会议（世界各地海洋学家的主要会议）上，在我看来，每个人都在谈论 mCDR。许多科学家表示谨慎的希望，进一步的研究可能会证明海洋碱度增强是安全且具有成本效益的；它最有可能实现规模化和持久性。许多研究人员怀疑生物方法是否能够被证明是安全、可验证或可扩展的。尽管如此，随着减缓气候变化的必要性变得越来越紧迫，并且考虑到这些研究可能教会我们关于海洋本身的知识，人们对进一步研究的兴趣仍然很高。
参与 mCDR 研究需要巨大的希望。这些技术只有在我们为减缓气候变化所做的所有其他努力（从可再生能源到更适宜步行的城市）将碳排放量减少到今天的很小一部分时才有意义。只有当我们减缓排放的汹涌龙头为涓涓细流时，mCDR 才有可能充分打开排水口，以阻止大气中二氧化碳的积聚。
*编者注（2024 年 11 月 27 日）：此句在发布后经过编辑，以纠正对试验早期结果的描述。