海洋贮藏CO2的基本知识

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：

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。

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。

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。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边反应：

CO

2 + H

2

O H

2

CO

3

（碳酸）

H 2CO

3

H⎽+ + HCO

3

-（重碳酸盐离子）

HCO

3-H⎽+ + CO

3

2- (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

全球海洋较温暖的表层海水与二氧化碳饱和，而低温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。把二氧化碳封存于深层海水到二氧化碳再次出现于表层海水所需的时间为1000年。