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研究發現地球的巖石可吸收大量碳,氣候改變迎來潛在解決方案

撰文:STEPHEN LEAHY
 
研究發現地球的巖石可吸收大量碳,氣候改變迎來潛在解決方案
通古拉瓦火山在黃昏時分噴發。地球將內部的碳釋放到地表的方式之一是通過火山噴發。
攝影:MIKE THEISS,NAT GEO IMAGE COLLECTION
 
  成年后我一直隨身攜帶著大約12公斤的碳。其實,你也一直在搬運著碳:你身體的近18%由碳原子組成。所有這些碳原子都來自我們曾經吃的食物,在那之前,碳存在于空氣、海洋、巖石和其他形式的生命中。碳是一種由爆炸的恒星產生的元素,對所有生命形式都是必不可少的,因此,你可能會對地球上90%以上的碳都在地下的事實感到吃驚。
 
  更值得注意的是,研究者發現,以微生物和細菌形式存在的生命,在我們腳下數公里處繁衍生息,其含碳總量是地球上77億人碳含量的400倍。地球上最大的生態系統之一位于地球深處,這只是為期10年的深碳觀測計劃(DCO)的眾多發現之一。DCO召集了來自55個國家的1200名研究人員,致力于探索地球的內部運作機制。
 
  當地時間10月24日至26日,來自世界各地的數百名科學家齊聚華盛頓參加DCO會議,共同分享和慶祝研究成果。
 
  “我們現在知道,地球的生物圈和巖石圈是一個完整而復雜的系統,碳是其中的關鍵,”卡內基科學研究所的DCO執行理事Robert Hazen說。“這是對地球的一種全新思考方式,” Hazen在一次采訪中表示。
 
  在過去的十年里,DCO啟動了268個項目,發表了1400項同行評審的研究。以下是幾十個關于地球深處的驚人新發現的重要部分,其中包括地球深處在孕育生命方面的作用。
 
吸收碳,釋放碳
 
  經過億萬年的俯沖運動過程,海洋板塊下沉到大陸板塊之下,動植物排放的碳隨之進入地球深處。研究者在地表以下410到660公里處形成的鉆石中發現了這種曾經存在的碳。只要有足夠的時間,這些以鉆石、巖石或火山釋放的二氧化碳形式存在的碳就會重返地表,再次接受太陽的照射。
 
  換句話說,就像我們一樣,地球也在不斷地吸收和釋放碳,通常以二氧化碳的形式。這個曾經穩定的碳循環已經因我們加速向地表輸送碳而遭破壞,主要原因是人類不斷挖掘和燃燒大量的碳氫化合物(石油、天然氣和煤炭)。與此同時,砍伐森林、修建城市和道路,以及以其他方式改變地球表面,都削弱了地球吸收碳的能力。
 
  Hazen說,對碳循環的破壞就是我們所謂的氣候危機。
 
研究發現地球的巖石可吸收大量碳,氣候改變迎來潛在解決方案
triazolite 是DCO的碳礦物挑戰項目發現的31種新的含碳礦物之一,該礦物發現于智利。triazolite被認為部分來源于鸕鶿的鳥糞。
供圖:JOY DESOR,MINERALANALYTIK ANALYTICAL SERVICES
 
  “氣候變化對人類的生存構成了威脅,不是在遙遠的未來,而是在未來一兩代人的時間里,”他說。
 
  在未來的20到40年里,來自化石燃料的二氧化碳排放必須被消除,大氣中已經存在的大量二氧化碳必須被清除,以防止全球變暖達到非常危險的水平。
 
  然而,DCO揭示的關于深層碳循環的新發現給了Hazen希望。他說,有些天然的碳封存方法“非常有效”。
 
觀測巖石形成
 
  其中一種固碳方法涉及很久以前從地球的上地幔中突起的一大片巖石,位于如今的阿曼。這些巖石被稱為塞馬伊勒蛇綠巖,其風化作用和內部的微生物可吸收空氣中的二氧化碳,并將其轉化為碳酸鹽礦物。
 
  Hazan說,這個過程非常高效,“你甚至可以親眼看到大氣中的二氧化碳被吸收,然后以巖石的形式堆積在你眼前。”
 
  科學家開展了將富含碳的流體注入到蛇綠巖巖層的實驗,結果發現碳酸鹽礦物形成非常迅速。這可能會有助于清除大氣中的數十億噸二氧化碳,不過這將是一個巨大的項目,對依賴石油收入的阿曼來說,情況將會大不相同,Hazan說。
 
  科學家在北美、非洲和其他地方也發現過蛇綠巖。另一種自然的碳封存方法涉及來自玄武巖巖層的巖石,就像科學家在夏威夷發現的那樣,當這類巖石被壓碎時,可從空氣中吸收二氧化碳。在冰島,DCO的另一個自然碳封存項目CarbFix曾將含碳液體注入玄武巖,觀測玄武巖向固體的轉變情況。
 
  關于地球吸收碳的能力的新發現“給了我巨大的信心,” Hazen說。
 
洞察外星生命
 
  DCO還增強了人們對其他星球上存在生命可能性的樂觀態度。純鉆石完全由碳元素構成,但大多數鉆石都含有少量雜質。這類鉆石可能只能做成廉價的珠寶,但在研究卻中是無價之寶。這些被稱為內含物的雜質表明“非生命的”甲烷是地球深處生命的能量來源。
 
  當水與無處不在的礦物橄欖石在高壓下相遇時,橄欖石會轉變成另一種礦物蛇紋石,同時產生非生物的甲烷。如果微生物能在如此的極端高溫和高壓下利用巖石中的化學能量生存,那么其他星球上的微生物也可能如此。
 
  這一發現也支持了生命最初起源、進化于地球深處的觀點,而不是像科學家普遍認為的最初的地點是海洋。
 
  阿爾弗雷德·P·斯隆基金會的科學顧問、洛克菲勒大學的Jesse Ausubel稱,“深碳觀測計劃為上述假說提供了重要證據。”
 
  鉆石也為DCO的研究人員提供了地球深處的水比地球上所有海洋含水量都要多的證據,只是大部分都以離子的形式封存于礦物晶體中,而不是以液態水的形式存在。研究者認為,和碳一樣,大陸和海洋板塊在俯沖過程中也把水帶到了地球深處。
 
地球的警報
 
  DCO對火山釋放的氣體進行了監測,結果首次探測到哥斯達黎加的一座火山在噴發之前二氧化碳與二氧化硫排放量的比率發生變化,從而提供了一個潛在的早期預警系統。
 
  圣安德魯斯大學的Sami Mikhail表示:“火山釋放的氣體比例可能在火山噴發前發生變化只是一種理論,但DCO使我們有機會去尋找答案。這就像一個門鈴,告訴我們是不是有人在敲門。”
 
  幾座位于人口稠密地區的火山目前都處于監測之中,其中包括厄瓜多爾的通古拉瓦火山、意大利的埃特納火山和蒙特色拉特島的蘇弗里埃爾山。這些和其他火山監測站也提供了確鑿的證據,表明與燃燒化石燃料相比,火山排放的二氧化碳只占很小的一部分。一些否認氣候變化的人一直將大氣中二氧化碳濃度的上升歸咎于火山。
 
DCO的未來
 
  雖然DCO的任務已經結束,但在NASA、美國國家科學基金會、德國研究基金會、加拿大高級研究所和其他機構的資助下,深碳觀測計劃的科學家將繼續開展現有的和新的研究。
 
  巴黎地球物理研究所將作為深碳觀測計劃的新總部。
 
(譯者:流浪狗)
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