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把石头碾成渣,就能应对气候变暖?

时间: 2020年08月24日 | 作者: 沈梦溪 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
为了应对全球气候变化,地质学家们通过研究地球过往历史,提出了一个具备可行性的方法:碾碎岩石,将粉末撒入土壤中。


8月8日,一则新闻冲上了加拿大各网站的头条:加拿大最后一个完整的北极冰架已经解体。


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解体的冰架前后对比图  图/GIZMODO


这并不是本年度关于气候变化的第一个新闻。2019年,因为高温和干旱,澳大利亚的山火从7月开始燃烧,一直到2020年2月才熄灭;到了2020年2月底,南极夏季温度首破20℃又开始刷屏;2020年6月,北极温度首破38℃,有科学家预计北极熊将在2070年灭绝……


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 澳大利亚蔓延的山火  图/见水印


这些不断发生的极端气候事件仿佛在不断提醒我们,气候变化正在给我们人类的生存带来巨大的挑战。在这些挑战中,我们最容易想到的就是海平面的上升。科学家们曾专门计算过,如果全球冰川全部融化,那么全球海平面将会上升60-70米,加拿大的这次冰架解体事件正是一个严重的警告。


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海平面上升后的亚洲,中国东部基本上都被淹没  图/National Geographic Society


另外的挑战就是生物大灭绝。进入工业革命以后,我们人类对于地球的改造能力以指数的方式上升,这就造成环境的快速变化。那些无法适应快速的环境变化的生物很容易因此而灭绝。很早之前就已经有科学家提出来,我们现在很可能正在面临第六次生物大灭绝。对我们来说,可怕的其实并不是其他生物的灭绝,而是这些生物灭绝以后带来的连锁效应。举个例子,我们有许多经济作物都需要蜜蜂的传粉才能够正常生长,但是现在全球都在面临蜜蜂大规模死亡的风险,要是蜜蜂灭绝,这些作物将会大减产,这无疑会造成全球性饥荒。


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不起眼的蜜蜂可能会影响到全球的粮食波动  图/pixabay


整个地球如同一个精密运行的系统,只要一点出了问题,其他我们很可能想都想不到的地方会随之停转,我们无法完全预知未来的发展,所以其实我们目前最好的选择就是尽可能的保持现在的状态。为了应对全球气候变化,科学家们提出了很多处理方式,最广为人知的就是在哥本哈根会议上提出的二氧化碳减排,但是在这种多国林立的状态下我们陷入的是囚徒困境,各国互不信任,相互提防,很难达成一致同意且会严格执行的减排方案。在这种情况下,人们不得不另辟蹊径寻找其他的解决方案。有地质学家们就通过研究地球过往历史,提出了一个具备可行性的方法:碾碎岩石,将粉末撒入土壤中。


很多人看到这个方案可能一脸懵,这是什么神仙操作?


但如果我们跟随地质学家们的脚步看一看地球过往的历史,可能就会对这个方案有更深刻的理解了。


在地球过往的45亿年历史中,大部分时间段内,地表的温度都比现在要温暖的多,那些时候地球温暖到什么程度呢?在地球南北极完全没有冰川的存在,像这种温暖的气候,我们把它叫做温室气候。而像现在这样,地球南北极覆盖着厚厚的冰盖的比较寒冷的气候,我们称之为冰室气候。从5.4亿年前的寒武纪开始,地球绝大部分的时候实际上都处于温室气候状态,只有极少数时间(17%)处于冰室气候中。


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5.4亿年以来,温室气候才是主流


但是我们现在这种冰室气候还不算非常冰的时候,在最最最极端的时候,整个地球表面都是厚厚的冰层,搞得地球看上去好像是打雪仗用的雪球一样,这个状态我们称之为雪球地球事件。


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雪球地球想象图  图/MIKKEL JUUL JENSEN


在整个地球历史中,地球至少经历了两个大的雪球地球事件,第一次是在24-21亿年之前,第二次是在7.4-6.2亿年之前。这两次雪球地球事件都是在较短的时间内(地质上,时间的基本单位是百万年),地球就从温室气候进入了冰室气候状态。在极端情况下,地表的平均温度可能在-50℃左右,而导致这种剧烈的气候变化的原因是全球二氧化碳含量的快速下降。是什么原因导致二氧化碳含量的快速降低的呢?地质学家们推测是因为板块运动导致的岩石风化作用加强。


我们以发生在7.4-6.2亿年之间的雪球地球事件为例。在9亿年前,地球上只有一个超大陆——罗迪尼亚大陆,到了大约7-6亿年之间,罗迪尼亚大陆因为地球板块活动而逐渐裂解,其中大部分板块集中分布在赤道的附近。


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9亿年前,地球上只有一块超大陆,罗迪尼亚大陆


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9-6.3亿年间,罗迪尼亚大陆解体,并都分布于赤道附近


一方面,裂解后的大陆形成了更大面积的浅海水域,在这些增加的浅海水域中,微生物爆发性增长,通过光合作用合成有机物,并被埋藏在海底形成有机质岩石,在这个过程中大量的二氧化碳被吸收;


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光合作用能够固定大气中的二氧化碳


另一方面,裂解过程造成了大陆内部火山活动和造山活动,火山活动喷发出大量玄武岩裸露于地表,造山活动让更多岩石被抬升到海拔较高的地方,这都让这些岩石更容易被风化。组成这些岩石的化学成分很复杂,但是其中包含有大量的硅酸盐(在地球上,硅酸盐矿物质量占地壳总质量的75%,玻璃、水泥都是硅酸盐矿物制成)和钙元素。岩石在风吹日晒雨淋中,有部分会被溶解在水中形成钙离子和硅酸根离子,这两种离子遇到二氧化碳都会发生化学反应沉淀下来↓


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风化中的岩石与风化的化学式


这些玄武岩在水中溶解,遇到二氧化碳后,最终的结果就是形成两种沉淀物:碳酸钙和二氧化硅,其中碳酸钙是灰岩的主要组成部分,二氧化硅则是一种极难溶解的化学成分,最近网传需要二百万年才能自然降解的玻璃就是由二氧化硅构成。


所以总结起来就是:生物通过光合作用,吸收了大量二氧化碳,这些生物被掩埋后形成有机质岩石,在这个过程中二氧化碳-1;岩石通过风化作用吸收了大量二氧化碳,二氧化碳-2。再考虑到这些板块都处于赤道附近,气候温暖潮湿,非常适合生物生长,也非常适合岩石风化,所以在这两者的共同作用下二氧化碳-1-2-3-4-5-6……最终降低到非常低的程度,导致了全球由暖转冷。


那么,要控制大气中的二氧化碳含量,就得从以上两个因素上想办法。第一个办法就是增加光合作用的量,无论是种树、种草、种藻类,还是开发人工光合作用的手段,在目前阶段来看,仿佛并不实际;第二个办法就是增加岩石风化的速率,这就回到我们上文所说,碾碎岩石,将粉末撒入土壤中这种方法了。


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正在往农田中喷撒岩石粉末  图/Iisa B Kantole


这个方法,无疑是目前技术条件下较为可行的一种方法了。首先,原材料是富含硅酸盐成分的岩石,比如玄武岩之类的火成岩(尤其是玄武岩,易破碎易风化,且含量巨大),这些岩石地球是不缺的,火成岩占地壳岩石的60%以上,挖出来就能用。


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典型玄武岩就是这种疏松多孔的样子  图/sandatlas


其次,碾成粉也没有技术难度,每个城市都可以见到大量的石灰窑,改改就能用。这些岩石粉末极大增加了岩石与空气的接触面积,能够在适宜条件下快速风化。


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在城镇周边,大规模的工业化石灰岩并不少见  图/pixabay


再次,在现代农田中普遍存在着营养元素的现象(农业中主要的肥料就是氮磷钾肥)以及土壤酸化的现象,这些岩石粉末一方面是偏碱性的,另一方面则富含钙、镁、氮、磷、钾等农业必备元素,所以向土壤中喷撒岩石粉末从这方面来看又是有利于农业的。


当然,世界上没有完美的方法,在有些岩石中可能存在某些重金属含量超标的情况,如果大规模喷撒,则有可能造成农田中重金属元素污染,如果真的要实施这种方法,我们可能还需要更多的风险评估。


根据科学家们的估计,如果仅仅在中国、印度、美国和巴西的范围内展开这项工作,我们可能每年能够通过这种方法吸收0.5-20亿吨二氧化碳,虽然2019年全球二氧化碳排放量达到了368亿吨,这个数据看上去好像有点杯水车薪的感觉,但如果全世界范围内都用这种方法,并对这种方法不断改进,我们可能真的能够控制大气中的二氧化碳含量。毕竟还是要对未来抱有希望,不是吗?


无标注图片来源网络。

参考资料储存于石墨:

https://shimo.im/docs/vKT8j8jqhYdKJqcK/