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为了“碳中和”,青藏高原上的石头也在努力

文章来源 :
2021-08-31 15:17

一提起“吸收二氧化碳”,你会想到什么?树木和海洋可能会此刻闪现在你的脑海,顺便勾起你去户外亲近大自然的愿望。

不过,有一个答案可能常被忽视,那就是岩石。在捕获与储存大气CO2的过程中,它也扮演着重要角色。为了实现“碳中和”的目标,青藏高原的石头很努力。

什么是碳中和?

全球变暖已成为科学界和各国政府关注的热点问题,为应对这一问题,各国政府纷纷提出相关目标与方案。2020年9月,中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会上发表重要讲话,宣布了中国的碳中和目标。根据彭博新能源财经2020年12月发布的《中国加速低碳进程》白皮书显示,全球60%碳排放的国家和地区已制定碳中和目标,包括中国、欧盟、英国、日本、韩国等。

碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的CO2或温室气体排放总量,通过使用低碳能源取代化石燃料、植树造林、节能减排等形式,以抵消自身产生的CO2或温室气体排放量,实现正负抵消,达到相对“零排放”。简单来说,我们一边产生CO2,又一边消耗它,当我们消耗的量和产生的量正负抵消了,就实现了零增长。

在实现碳中和的道路上,除各国主要通过节能减排和CCS (carbon capture and storage)技术增加碳捕获和储存来抑制气候变暖外,自然界如岩石化学风化等某些物理化学过程也能实现捕获和储存大气CO2,被称作自然界的CCS。

自然界的CCS之一--岩石化学风化

首先,我们需了解岩石的化学风化是什么。风化作用是指,在自然界中,地表上的岩石、矿物与大气、水、空气以及生物接触时,产生了物理变化、化学变化,从而在原地形成松散堆积物的全过程。岩石在物理机械作用下崩解、破碎的过程称为物理风化,而能够使岩石化学成分发生改变的风化作用称为化学风化。


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温差风化导致受热不均,收缩不一致,岩石发生裂解

拍摄地点:纳木错曲嘎切流域,拍摄者:于正良

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花岗岩里的黄铁矿氧化

(当含铁物质岩石被风化后,就染上了富有特征的红褐色,即化学风化)

拍摄地点:纳木错曲嘎切流域,拍摄者:于正良


按照矿物组成分类,岩石主要分为硅酸盐岩和碳酸盐岩。硅酸盐岩在化学风化过程中吸收大气CO2,随后以CaCO3的形式封存CO2,形成地质时间尺度的碳汇效应(>100万年),而碳酸盐岩风化也能吸收大气中的CO2,以HCO3-的形式形成较短时间尺度的碳汇(<10万年)。

硅酸盐岩风化的简化模式:

CaSiO3+2H2O+2CO2  image.png  Ca2++2HCO3-+SiO2+H2

      Ca2++2HCO3-image.png CaCO3+H2O+CO2

碳酸盐岩风化的简化模式:

CaCO3+H2O+CO2  image.png  Ca2++2HCO3-


      Ca2++2HCO3-  image.png CaCO3+H2O+CO2   

作为广泛存在的表生地质过程,陆地岩石的化学风化与全球碳循环和气候变化之间存在着强烈的耦合关系:大气CO2浓度上升导致全球气候变暖,更高的气温导致岩石的化学风化增强,从大气中吸收CO2的量也会增加,从而抑制大气CO2的过快增长,导致全球降温,如此便形成一个负反馈机制。

另一方面,当地球温度较低时,化学风化强度也处于较低水平,吸收大气CO2的通量十分有限,因而火山活动和岩石变质作用排放的CO2得以累积,促使地球向变暖方向发展,防止地球温度过低。可以看出,地表岩石的化学风化(尤其是硅酸盐岩风化)是调节大气CO2浓度和推动全球气候变化的重要因素,是地球系统演化的“稳定器”,素有“地质空调”之称。

青藏高原是个大空调?

青藏高原高寒缺氧、地势高亢,有地球第三极之称。作为“亚洲水塔”,青藏高原发育了众多的冰川、湖泊与河流,远离人类活动中心,受人类活动影响较小,是研究地球系统各圈层间相互作用的“天然实验室”。科学家们通过采集青藏高原地表水比如河水、湖泊、冰川径流等水体,测定它们的化学成分来反映研究流域的化学风化过程,进而认识风化作用下对大气CO2的消耗量。

从空间分布来看,喜马拉雅山脉的隆升造成其南坡的降水丰沛,但由于地形阻挡,使得青藏高原腹地的气候较干旱。因此,虽然喜马拉雅山脉的隆升造成了南坡较高的化学风化速率,但其引起的内陆干旱对青藏高原整体的化学风化强度起到了负反馈作用。从年内变化来看,青藏高原内陆流域化学风化速率的季节差异十分显著,季风期远大于非季风期。

此外,科学家通过对比青藏高原内陆的冰川流域与非冰川流域化学风化过程及速率的差异,得到了青藏高原内陆的冰川作用促进了岩石化学风化的结论。也就是说,在青藏高原内陆,冰川流域的化学风化可能对大气中CO2浓度的上升起到负反馈的调节作用。

在全球气候变化背景下,青藏高原的增温速率是全球平均值的2倍。冰川作为气候的产物,气候变暖必然导致冰川融化速度加快,以流域为空间尺度的岩石化学风化作用可能也呈增强态势,进而加强流域碳循环过程。但是,上述理论推导还未得到野外实地观测数据的验证。在未来,仍需对青藏高原典型冰川流域的化学风化过程及其碳汇效应进行长期的定位观测,以解答冰川变化对岩石化学风化及其碳汇效应可能产生哪些影响的谜题。


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青藏高原东南部阿扎冰川冰舌末端的变化历史

如何利用好岩石风化?

那么,岩石化学风化具备的重要碳汇功能能否被人类利用呢?这个问题的答案很可能是正面的。

通过人为增强岩石化学风化来抑制大气CO2浓度的过快增长,部分研究已证明这一设想可行。如比尔林(Beerling)等人认为,将碾碎的玄武岩或其他硅酸盐矿物添加至土壤中,这些物质在化学风化过程中既能为植物生长提供必要的K和Si等营养元素,也能增强对大气CO2的吸收(每年多吸收5-20亿吨CO2)。这一技术操作简单,成本较低,因而在未来推广这一技术,可助力早日实现“碳中和”的宏伟目标。

根据美国国家海洋和大气管理局的观测数据,全球大气CO2浓度由工业革命前的280 ppm升高到2021年3月的416.74 ppm。采取多种手段降低大气中CO2浓度,阻遏全球气候变暖的势头已是刻不容缓。虽然普罗大众难以直接参与到相关的科学研究中,但仍可通过生活方式的调整为节能减排做出贡献,助力实现“碳中和”目标。

参考文献:

Beerling, D.J., Kantzas, E.P., Lomas, M.R. et al. Potential for large-scale CO2 removal via enhanced rock weathering with croplands. Nature583, 242–248 (2020).

Dupré B., Dessert C., Oliva P., et al. 2003. Rivers, chemical weathering and Earth's climate. Comptes Rendus Geoscience, 335(16): 1141-1160.

Viers J., Oliva P., Dandurand, J.L., et al. 2004. Chemical weathering rates, CO2 consumption, and control parameters deduced from the chemical composition of rivers. In: Drever, J.I. (Ed.),Surface and Ground Water, Weathering, and Soils. Holland, H.D., Turekian, K.K. (Exec. Eds),Treatise on Geochemistry, vol. 5. Elsevier Ltd.: 1-25.

Yu Z.L., Wu G.J., Keys L., et al. 2019. Seasonal variation of chemical weathering and its controlling factors in twoalpine catchments, Nam Co basin, central Tibetan Plateau. Journal of Hydrology, 576: 381–395.

Yu Z.L., Yan N., Wu G.J., et al.2021.Chemical weathering in the upstream and midstream reaches of the Yarlung Tsangpo basin, southern Tibetan Plateau,Chemical Geology,Volume 559.

IPCC报告,二氧化碳捕获和封存,决策者摘要和技术摘要。

刘海英,2013,化学风化作用能为变暖地球降温-英科学家认为气候复原时间比原设想缩短四倍,科技日报.

作者:

“亚洲水塔动态变化与影响”任务

中国科学院青藏高原研究所 燕妮 于正良 邬光剑 安宝晟