世界各國已同意限制二氧化碳排放，以期防止全球變暖在2100年之前超過2攝氏度。但各國目前的進展速度無法實現其目標。為了限制變暖，各國可能還需要從大氣中實際去除碳。為此，他們將不得不部署“負排放技術”——即從空氣中去除二氧化碳的技術。
這些技術，例如在農田上覆蓋碎二氧化矽，能奏效嗎？研究人員承認，他們尚未發明出一種真正具有成本效益、可擴充套件和可持續的技術，能夠去除所需量的二氧化碳，但他們堅持認為，世界應該繼續研究各種方案。“負排放技術正在發揮作用，因為[氣候變化]的數學計算非常緊張且不容樂觀，”斯坦福大學高階研究科學家凱瑟琳·馬赫說。在上週於舊金山舉行的美國地球物理聯合會會議上，研究人員介紹了幾種有趣的負排放策略，以及它們的缺點。
農業強化風化作用
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地球表面透過岩石的化學分解自然地從大氣中去除二氧化碳，但這種現象發生得極其緩慢。科學家們已經提出加速這一過程——稱為“風化作用”——透過人為干預。在AGU會議上，利弗休姆氣候變化減緩中心主任大衛·比爾林解釋了一種農業技術，該技術可以加速風化作用，並從理論上有益於作物。
在這種方法中，農民會將細碎的矽酸鹽岩石應用於他們的土地。作物根系和土壤中的真菌會加速矽酸鹽岩石的化學和物理分解，同時，由於風化過程中的化學反應，二氧化碳將被從空氣中吸收到土壤中。將矽酸鹽岩石研磨成顆粒或沙粒大小將加速自然風化作用，因為它增加了可用於反應的岩石表面積。
除了捕獲二氧化碳外，風化岩石還會釋放有價值的養分，如磷和鉀到土壤中，這將有助於作物生長。岩石還將為植物提供二氧化矽，比爾林說這可以幫助它們建立更強大的細胞以更好地抵禦害蟲。“你可以減少肥料和殺蟲劑的使用，這也將降低農民的成本，”他解釋說。根據比爾林的說法，增強的風化作用也可能有助於海洋酸化。一些被捕獲的二氧化碳將留在土壤中，但大部分會以稱為碳酸氫鹽的化合物的形式衝入海洋。碳酸氫鹽是鹼性的，這意味著它可能平衡日益酸性的海洋。
然而，這種技術有主要缺點。研究人員對這種方法持懷疑態度，因為它研磨和運輸岩石將花費大量資金，而這兩個步驟都需要大量能源，這可能會產生更多排放。還有可能對生態系統產生影響需要考慮。“我擔心[環境]擾動，”斯坦福大學地球科學教授羅布·傑克遜說。“這基本上將是一項大規模的採礦作業。”然而，傑克遜確實喜歡潛在的好處——比如施肥土壤——除了去除二氧化碳之外。
利用海洋溫差捕獲碳
另一種負排放技術將利用海洋巨大的溫差：海洋溫差能轉換。在這種方法中，冷水從海洋深處抽到較溫暖的表面，溫差用於發電。研究人員已經在一個小規模上演示了這項技術。現在，加州大學聖克魯茲分校的格雷格·勞希望將其與化學反應結合起來，化學反應將從海洋表面的空氣中吸收二氧化碳，同時產生氫氣。該反應在幾個方面都會有所幫助：它將捕獲二氧化碳，並將熱能產生的電力轉化為能量形式——氫氣——可以透過油輪從海上運輸到陸地。與增強的風化方法一樣，這種方法會將二氧化碳轉化為碳酸氫鹽，碳酸氫鹽會滲入海洋，幫助抵消酸化。勞還提議修改海洋溫差能系統，以避免在將深層海水泵到地表時可能發生的二氧化碳釋放。
到目前為止，勞只在實驗室中演示了他的工藝。“他的想法還處於概念階段，”卡內基科學研究所全球生態系創始主任克里斯·菲爾德說。“它有可能成為某種東西，但目前仍然是一個非常小眾的解決方案。”
生物能源與碳捕獲和儲存
最發達的負排放技術之一是生物能源與碳捕獲和儲存，或BECCS。該過程包括種植樹木和植物，如柳枝稷，它們在生長過程中吸收二氧化碳，在發電廠中燃燒它們以獲取能量，然後捕獲和儲存燃燒過程中釋放的二氧化碳。捕獲和儲存將透過在煙囪中放置過濾器、壓縮二氧化碳，然後將其注入地下來完成。BECCS產生能量並從空氣中去除碳，這聽起來很吸引人。
但科學家們表示，BECCS將佔用大量土地。據估計，BECCS將需要大約世界三分之一的耕地，才能捕獲足夠的二氧化碳，以防止溫度升高超過2度。“我懷疑你是否能達到必要的規模，因為你需要大量的土地來跟上人類的排放，在一個你必須養活比以往更多人口的世界裡，”亞利桑那州立大學負碳排放中心主任克勞斯·拉克納說。此外，有些人擔心BECCS並不像看起來那麼有效——他們說，如果將該過程產生的土地利用變化等因素計算在內，BECCS可能不會像人們想象的那樣減少排放。例如，如果人們砍伐熱帶雨林以燃燒其木材用於BECCS，他們最終會產生更多排放——至少在短期內是這樣。或者，如果BECCS佔據了以前用於農業等目的的土地，它可能會迫使人們砍伐其他土地以滿足他們的需求。此外，儲存燃燒生物質產生的碳需要大量能源，這既要花錢又可能產生更多排放。
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還有其他負排放策略——主要的、已經受到廣泛關注的策略，例如使用塗有化學物質的大型面板直接從空氣中捕獲二氧化碳，以及恢復森林，以便更多的樹木可以吸收更多的二氧化碳。還有一些鮮為人知的想法，例如使用木材建造房屋和辦公室，以便將二氧化碳鎖定在建築物的牆壁中。然而，到目前為止，沒有一項技術被證明在所需的規模上是可行且具有成本效益的。
專家表示，應該投入更多的資金和研究來調查廣泛的技術並確定最佳方案——他們說這項工作需要現在就開始進行。在克里斯·菲爾德的AGU講座中，他說，如果世界想要使用負排放技術在本世紀後半葉大幅減少碳排放，他們需要在2020年或2030年儘早開始部署。“所有負排放技術，除了種植森林外，都處於非常早期的發展階段，”菲爾德解釋說。“如果這些技術要發揮作用，它們將必須在幾十年內從現在的幾乎為零發展到大規模。”