我認識的每一位研究爭議性想法的海洋學家，即勸說海洋吸收更多大氣中的二氧化碳，都記得他們決定開始這項有爭議的工作的時刻。對我來說，那是在 2021 年 6 月太平洋西北地區的熱浪期間，當時氣溫飆升至 49 攝氏度（120 華氏度）以上，並點燃了北方森林。
我花了多年時間研究海洋環流和地球的碳迴圈，但沒有研究海洋二氧化碳去除 (mCDR)——減少海洋中二氧化碳的技術，以便海洋反過來可以從空氣中吸收更多二氧化碳。儘管如此，就在熱浪開始之前，我還是主動幫助組織了一次關於 mCDR 的虛擬小組討論，為一次海洋研究會議。會議期間出現的大部分問題都與擔心此類研究可能會造成道德風險有關，讓人們聲稱減少二氧化碳排放會降低減少化石燃料排放的緊迫性。
在小組討論中，來自不列顛哥倫比亞大學的原住民學者坎迪斯·卡利森談到了如何在可能進行海洋實地試驗的當地海岸線社群中開展工作。卡利森是一位傑出的發言人，幫助科學家們更多地瞭解關於氣候變化的公共討論。僅僅幾天後，野火爆發並破壞了幾個原住民保留地——包括卡利森告訴我的她親戚居住的家。這場悲劇生動地提醒了我，在全球變暖 1 攝氏度後，我們已經面臨的危險。考慮到即使是樂觀的情景也表明世界將至少再變暖 1 攝氏度，悲劇可能會變得更糟。我決定 mCDR 研究很重要。如果最終表明這些方法是徒勞的或危險的，那麼這項研究可以防止對虛假的希望進行長期投資。如果這項工作揭示了刺激海洋吸收更多二氧化碳的安全方法，那麼這些方法可能成為幫助穩定氣候的新工具。
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從 20 世紀 50 年代開始，科學家們開始分析從格陵蘭島和南極冰蓋鑽取的冰芯中捕獲的氣泡，以瞭解氣候歷史。到 20 世紀 80 年代，他們意識到世界海洋可以吸入或撥出足夠的二氧化碳，從而大大促進地球冰蓋在大陸上的長期擴張和退縮週期。當時，關於海洋中碳濃度在數千年內波動的主要假設是，地表水中含有鐵，鐵在寒冷時期從乾旱景觀中吹入，其水平調節著整個海洋的浮游植物生長。更多的鐵會導致更多的生長，這將從空氣中吸收更多的二氧化碳。加利福尼亞州莫斯蘭丁海洋實驗室的海洋學家約翰·馬丁提出，人為地用鐵肥沃海洋可能會影響氣候。在 1988 年於馬薩諸塞州伍茲霍爾海洋研究所舉行的一次會議上，馬丁說出了後來成為海洋學中最令人難忘的名言之一：“給我半油輪的鐵，我就給你一個冰河時代。”
馬丁的鐵假說促成了 1992 年至 2009 年間十多次人工鐵富集實驗。研究人員在海洋表面釋放鐵，並跟蹤數天或數週該地區的水化學和生物體的變化。結果證實，當其他條件有利時，鐵富集可能導致浮游植物大量繁殖。無論海洋學家是否將這些實驗視為“地球工程”，這些研究都產生了非凡的見解，深入瞭解了可能在長時間尺度上改變氣候的相互作用的生物和化學過程。
然而，對干預自然的嚴重擔憂日益增長，世界各國簽署了 2008 年《倫敦公約》修正案。該修正案禁止在“沿海水域內的小規模科學研究研究”之外進行進一步的海洋施肥實驗，這抑制了對此類工作的熱情。在接下來的十年裡，研究人員主要在虛擬海洋中使用模型進行研究。
幾個事件開始融化科學家們冷淡的觀點。《巴黎協定》2015 年將升溫限制在 1.5 攝氏度的目標引發了大量關於升溫 2 攝氏度對生態系統和社會將造成多大程度惡化的研究。研究表明，每避免升溫零點幾度都能提供保護，免受包括日益嚴重的極端高溫、乾旱以及陸地和海洋生物多樣性喪失在內的嚴重危險。儘管可再生能源的突破減緩了排放量的驚人增長，但還需要碳去除來穩定全球氣候。
海洋學家仍在爭論如何證明任何海洋策略都能有效地從大氣中去除二氧化碳。
在這種背景下，國家科學院、工程院和醫學院於 2022 年釋出了一份關於 mCDR 的報告，其中概述了六項主要策略以及評估這些策略所需的研究。該檔案為海洋科學家從事此類工作提供了社會認可。公司正在尋找大規模購買可靠碳信用額度的方法，這增加了緊迫性。2022 年，金融服務公司 Stripe 和幾家大型公司承諾購買價值 10 億美元的陸地和海洋碳去除和永久儲存信用額度，以幫助保證可能加速碳減排技術發展的需求。
進展已經認真開始。國家海洋和大氣管理局和美國能源部都舉辦了關於 mCDR 科學提案的競賽。世界各地的研究正在進行中。2024 年 6 月，一家名為 Vesta 的公司在北卡羅來納州近海的海洋中撒播了 8,200 公噸的碎橄欖石——巖塵——試圖直接從水中吸收二氧化碳。Vesta 是第一家獲得聯邦許可在美國海域測試碳去除的公司。同樣在 6 月，初創公司 Equatic 開始在魁北克省為一家示範規模的工廠進行工程設計，該工廠改變海水化學成分以吸收更多二氧化碳。
海洋表面的水域通常與大氣交換氣體。氮氣、氧氣、二氧化碳和其他微量氣體各自施加一部分大氣總壓。在海洋中，二氧化碳也施加分壓，以及水和其他分子。當海洋中二氧化碳的分壓低於大氣中二氧化碳的分壓時，二氧化碳會溶解在海水中，因為風將空氣推向海浪。空氣和水尋求二氧化碳水平的平衡。隨著社會碳排放的加劇，大氣二氧化碳分壓增加，更多的氣體被轉移到海洋中。大部分進入的二氧化碳與海水反應形成碳酸氫鹽和碳酸鹽，它們像海洋中的鹽一樣，在水柱中溶解數千年。自 150 多年前的工業革命以來，海洋吸收了大約 25% 的人類二氧化碳排放，這是一項偉大的服務，大大減緩了氣候變化的步伐。
本·吉蘭
本·吉蘭
本·吉蘭
所有 mCDR 策略的目標都是使用化學或生物方法降低海洋表層中二氧化碳的分壓。一類化學 mCDR 有一個拗口的名字“海洋鹼度增強”。鹼度是水中和酸的能力。海洋吸收的大約 99% 的大氣二氧化碳變成碳酸氫鹽或碳酸鹽，當水更呈鹼性時，這個百分比會更高。因此，當鹼性物質溶解在海水中時，該反應會降低二氧化碳的分壓，使水能夠從空氣中吸收更多二氧化碳。如 Vesta 公司在 6 月所做的那樣，在海洋或海灘上撒播粉碎的鹼性岩石（如石灰石或橄欖石）可以提高鹼度。
在第二類化學 mCDR 中，稱為直接海洋去除，海水被泵入漂浮或陸上設施，該設施提取二氧化碳並將其運輸以用於商業用途或將其儲存在地下。然後將水泵回海中，準備從空氣中吸收更多二氧化碳。研究人員正在嘗試各種技術來提取碳，例如電滲析，它迫使水透過膜，類似於海水淡化廠的執行方式。Captura 是一家正在追求這種方法的公司。
生物技術主要依賴於大型和小型植物生命。一種方法是培養大型藻類，如海帶——通常與在陸地上植樹相提並論。隨著植物的生長，它們將碳儲存在其組織中。為了固碳，這些植物將被沉入海底，在那裡碳可能會沉澱在沉積物中或仍然溶解在深海海水中。
一些科學家正在繼續試驗最初的施肥方法，以促進微藻的生長——微藻是海洋中無處不在的微小單細胞浮游植物。諸如鐵、磷或氮等營養物質將被新增到海面，在那裡它們可以促使浮游植物進行光合作用，因此比原本更快地生長。希望當這些浮游植物死亡並沉沒時，儲存在其細胞內的碳將保留在深海中。另一種生物方法是人工上升流：泵將營養豐富的海水從海洋內部移動到表面，試圖促進大型藻類或微藻的生長。
海洋學家仍在爭論如何證明任何 mCDR 策略都能有效地從大氣中去除二氧化碳。有了足夠的船隻、感測器和人員，我們可以測量 mCDR 部署對地表水的影響，然後在效果仍然可檢測到的情況下計算海洋二氧化碳吸收量的增加。對於任何更長的時間段，我們將需要依賴模型，因為最初改變的水會被洋流在一個廣闊的區域內攪動，並稀釋到可檢測水平以下。海洋已經儲存了大氣中 50 倍的二氧化碳，但它在空間和時間上變化很大，因此直接測量 mCDR 干預帶來的額外碳總量幾乎是不可能的。具有諷刺意味的是，同樣的特性意味著一些 mCDR 方法可以將大量大氣二氧化碳轉移到海洋中，而幾乎不會擾亂海洋的背景狀態。
跟蹤這些影響的工作被稱為監測、報告和核查。目標是嘗試監測隨時間推移去除的碳，並將這些結果報告給第三方進行獨立核查。例如，在直接海洋去除中，提取設施中的儀器將測量從海水中去除的二氧化碳，從附近海洋收集的水樣以及模型將跟蹤海洋中額外碳的吸收。量化沉入海底的死亡浮游植物內部的碳將更加困難。
當然，如果公司和組織要為碳信用額度付費——例如，每公噸封存的二氧化碳支付 300 美元，也需要嚴格的監測、報告和核查。首要問題是我們需要確保二氧化碳不會在沒有干預的情況下從大氣中去除。我們將此屬性稱為干預的額外性。例如，如果海帶養殖在表面形成厚厚的海藻墊，但這種生長形成了一個遮陽篷，減緩了本可以生活在更深處的浮游植物的光合作用，那麼海洋二氧化碳吸收的淨變化——額外性——可能為零。
第二個問題是永續性：捕獲的碳在與大氣安全隔離的情況下能保持多久。鐵富集浮游植物可能會大量繁殖，其富含碳的生物質的一部分可能會沉入地表以下。但是，如果微生物消耗了這些碳或碳恢復到其溶解形式，則碳可能會在數月或數年內再次進入大氣，從而降低干預的永續性。
今年五月，我參加了一個由科學家、工程師、慈善家和政府代表組成的會議，討論海洋鹼度增強的方方面面。我們熱切地審查了在哈利法克斯港（新斯科舍省）附近的實地試驗的初步結果，該試驗由一家名為 Planetary Technologies 的公司和哈利法克斯達爾豪西大學的學術合作伙伴領導。該試驗涉及一個海岸線發電廠排放到港口的水，該水已被用於冷卻，這是一種常規做法。研究人員在排放管道中添加了鹼性化合物，並測量了內港中增加的鹼度。但是，由於訊號在該區域之外被稀釋，他們只能使用經過測試的海洋模型來估算碳去除總量。早期結果表明，該試驗成功地將更多碳從大氣轉移到海洋中。* 而且，由於碳現在主要以碳酸氫鹽的形式儲存在海洋中，因此它應該穩定數千年——這是一個非常持久的結果。
為了評估廣闊而動盪的海洋中的額外性和永續性，研究界將不得不依賴直接觀測和建模的結合，因為任何 mCDR 部署的完整影響都將在數月或數年內顯現。它將發生在海洋中過於廣闊而無法直接觀測的區域，並且水平太小而無法檢測到。這項任務需要全新一代的“應用海洋生物地球化學家”。
科學家還必須評估一項技術是否會危及生態系統或社群，並權衡風險與任何潛在的好處。例如，大型海上海帶養殖場可能會破壞當地生態或干擾漁業。對於直接海洋碳去除，公司需要制定計劃來安全地儲存或銷售作為廢品產生的二氧化碳。電化學技術將過濾和泵送大量海水，而機械可能會吸入並摧毀小型植物和動物。每種方法都有權衡取捨，但將二氧化碳留在大氣中以導致持續變暖也是如此。
考慮生物方法的研究人員面臨著證明大規模操縱生態系統是安全的艱鉅挑戰。人類干預生態系統的歷史充滿了失敗。想想從南美洲進口到澳大利亞的海蟾蜍。引進蟾蜍是為了吃掉以甘蔗為食的甲蟲，但蟾蜍卻變成了有毒的害蟲和國家公害。很難預測開放環境中可能存在的每一個潛在陷阱。我們在考慮生物 mCDR 的意外後果時可能會尋找的一些基本問題是意外刺激可能毒害貝類的有害藻類大量繁殖、可能使魚類窒息的缺氧“死亡區”的擴大以及對包括漁業在內的食物網的生態系統影響。
不排放二氧化碳是最可靠的解決方案，但如果最後 10% 的減排量難以實現，海洋去除可能會有所幫助。
我們還必須評估在一個地方追求的生物方法是否會在另一個地方造成問題。如果我們在海洋表面撒播鐵，更多的浮游植物也將消耗它們生長所需的其他營養物質，如硝酸鹽和磷酸鹽。在環繞南極洲的南大洋中，強勁的西風造成了來自深海的巨大硝酸鹽和磷酸鹽庫的上升流，這表明鐵施肥可能最有效。然而，洋流將這些上升流的營養物質輸送到全球，維持了低緯度地區高達 75% 的海洋光合作用。如果鐵施肥促使浮游植物在南大洋中消耗這些營養物質，那麼全球其他地區的海洋生態系統將被剝奪這種營養——這是一個嚴重的生態問題。而全球範圍內的生長減少可能意味著從空氣中自然吸收的二氧化碳減少；最終，可能幾乎沒有額外性。
一種去除額外碳、持久儲存且安全的 mCDR 技術還必須透過另一項測試：它能擴大規模嗎？世界每年排放超過 370 億公噸的二氧化碳。如果我們不想用茶杯舀出正在下沉的船隻中的水，我們應該尋找每年可以去除約 10 億公噸二氧化碳的策略。各種選擇的潛力如何？
如果僅根據可以研磨成鹼性粉末的合適岩石的可用性來評估，海洋鹼度增強理論上每年可以達到數百億公噸。然而，從後勤角度來看，如果岩石由已經沿著現有海上運輸路線航行的船舶撒播，效率最高，模型表明這種方法每年可以將二氧化碳吸收量潛力削減至約 10 億至 30 億公噸。
此外，開採和研磨大量岩石需要大量能源，並且會帶來自身的陸地社會和生態系統影響。每年開採和粉碎近 70 億公噸的石灰石（一種鹼性岩石）用於農業和其他應用，因此世界將需要一個規模相當的新產業來清理我們二氧化碳汙染問題的一小部分。
對生物方法的評估從以下估計開始：在全球範圍內，每年少於 100 億公噸的二氧化碳最終在死亡的大型藻類和微藻中沉入海底——足夠深入，可以在海洋中保留至少 100 年。為了額外去除 10 億噸不會很快重新進入大氣的二氧化碳，一種生物方法必須將沉入地球深海的生物物質總量增加約 10%。很難想象如此大的增長不會產生任何重大的意外後果。
回答規模化問題不能只靠海洋學家。我們必須評估與部署相關的所有工程、能源和經濟挑戰。需要社群參與，以瞭解社會是否願意以這種方式與海洋互動。而且，最終，如果 mCDR 透過所有測試並獲得社會認可，則必須有某個實體或市場為其付費。
我們能合理地要求海洋做什麼？我們每年排放的 370 億公噸二氧化碳僅佔地球巨大大氣層的一小部分，但它對我們的氣候產生了巨大的影響。首先不排放氣體是一種比尋找從大氣中去除這種微量氣體的技術更簡單、更便宜、更可靠的解決方案。
但是，即使我們可以在未來十年內將排放量減半，並在 20 年後將排放量削減 90%，我們仍然面臨大約 50-50 的機率會超過全球升溫 1.5 攝氏度，這是幾乎所有國家在《巴黎協定》中同意的目標。如果最後 10% 的排放量仍然難以消除，變暖將無限期地以較慢但仍然危險的軌跡繼續發展，最終導致冰蓋崩塌和海平面上升數十米。我們正在研究 mCDR，以便這些策略有一天可能幫助社會解決最後幾個百分比的問題。
在評估承諾和風險時，我們必須誠實。在今年二月於新奧爾良舉行的海洋科學會議（世界各地海洋學家的主要會議）上，在我看來，每個人都在談論 mCDR。許多科學家表示謹慎的希望，進一步的研究可能會證明海洋鹼度增強是安全且具有成本效益的；它最有可能實現規模化和永續性。許多研究人員懷疑生物方法是否能夠被證明是安全、可驗證或可擴充套件的。儘管如此，隨著減緩氣候變化的必要性變得越來越緊迫，並且考慮到這些研究可能教會我們關於海洋本身的知識，人們對進一步研究的興趣仍然很高。
參與 mCDR 研究需要巨大的希望。這些技術只有在我們為減緩氣候變化所做的所有其他努力（從可再生能源到更適宜步行的城市）將碳排放量減少到今天的很小一部分時才有意義。只有當我們減緩排放的洶湧龍頭為涓涓細流時，mCDR 才有可能充分開啟排水口，以阻止大氣中二氧化碳的積聚。
*編者注（2024 年 11 月 27 日）：此句在釋出後經過編輯，以糾正對試驗早期結果的描述。