一个有效的气候变化解决方案可能躺在我们脚下的岩石上

一个有效的气候变化解决方案可能躺在我们脚下的岩石上
爱达荷州的这些玄武岩地层等岩石的风化会触发化学过程,从空气中清除二氧化碳。
马修·狄龙/弗里克, CC BY

Why has Earth's climate remained so stable over geological time?为什么地球的气候在整个地质时期都保持如此稳定? The answer just might rock you.答案可能会让您感到震惊。

岩石,特别是火山活动产生的岩石,在保持地球的长期气候稳定以及二氧化碳在陆地,海洋和大气之间循环方面起着至关重要的作用。

科学家们以 几十年 that rock weathering – the chemical breakdown of minerals in mountains and soils – removes carbon dioxide from the atmosphere and transforms it into stable minerals on the planet's surface and in ocean sediments.岩石风化-山区和土壤中矿物的化学分解-从大气中清除了二氧化碳,并将其转化为地球表面和海洋沉积物中的稳定矿物。 But because this process operates over millions of years, it is too weak to offset modern global warming from human activities.但是,由于该过程已经运行了数百万年,因此它太弱了,无法从人类活动中抵消现代全球变暖的影响。

酸雨对建筑物和纪念碑的破坏,例如德国德累斯顿的这座砂岩雕像,是化学风化的一种形式。酸雨对建筑物和纪念碑的破坏,例如德国德累斯顿的这座砂岩雕像,是化学风化的一种形式。 光滑/维基百科

但是,现在,新兴科学–包括加州气候变化解决方案合作组织(C4) 工作地创新中心 –表明可以加快岩石的风化速率。 Enhanced rock weathering could both slow global warming and improve soil health, making it possible to grow crops more efficiently and bolster food security.岩石风化的增强既可以减缓全球变暖,又可以改善土壤健康状况,从而可以更有效地种植农作物并增强粮食安全。

岩石化学

许多过程 天气岩石 on Earth's surface, influenced by chemistry, biology, climate and plate tectonics.受化学,生物学,气候和板块构造的影响。 The dominant form of chemical weathering occurs when carbon dioxide combines with water in the soil and the ocean to make carbonic acid.当二氧化碳与土壤和海洋中的水结合生成碳酸时,化学风化的主要形式就会发生。

大约95%的地壳和 披风 –地壳与其核心之间的厚层–由 硅酸盐矿物,是硅和氧的化合物。 Silicates are the main ingredient in most igneous rocks, which form when volcanic material cools and hardens.硅酸盐是大多数火成岩中的主要成分,它们是在火山岩材料冷却和硬化时形成的。 Such rocks make up about 15% of Earth's这样的岩石约占地球的XNUMX% 地表.


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当碳酸与某些硅酸盐矿物接触时,会触发称为 乌里反应。 This reaction pulls gaseous carbon dioxide from the atmosphere and combines it with water and calcium or magnesium silicates, producing two bicarbonate ions.该反应从大气中抽出气态二氧化碳,并将其与水和硅酸钙或硅酸镁结合,生成两个碳酸氢根离子。 Once the carbon dioxide is trapped in these soil carbonates, or ultimately washed into the ocean, it no longer warms the climate.一旦二氧化碳被困在这些土壤碳酸盐中,或最终被冲入海洋,它便不再温暖气候。

一个有效的气候变化解决方案可能躺在我们脚下的岩石上When carbonic acid dissolves calcium and magnesium silicate minerals, they break down into dissolved compounds, some of which contain carbon.当碳酸溶解钙和硅酸镁矿物质时,它们分解为溶解的化合物,其中一些包含碳。 These materials can flow to the ocean, where marine organisms use them to build shells.这些物质可以流到海洋,海洋生物利用它们建造贝壳。 Later the shells are buried in ocean sediments.后来,贝壳被埋在海洋沉积物中。 Volcanic activity releases some carbon back to the atmosphere, but much of it stays buried in rock for millions of years.火山活动将一些碳释放回大气中,但其中许多碳一直埋藏在岩石中达数百万年之久。 格雷沙姆/维基百科, 创用CC BY-SA

The Urey reaction runs at a higher rate when silicate-rich mountains such as the Himalayas expose fresh material to the atmosphere – for example, after a landslide – or when the climate becomes hotter and moister.当喜马拉雅山等富含硅酸盐的山脉将新鲜物质暴露在大气中时(例如,山体滑坡之后),或者气候变得越来越热和潮湿时,Urey反应的速率会更高。 Recent research demonstrates that humans can speed up the process substantially to help fight modern global warming.最近的研究表明,人类可以大大加快这一进程,以帮助对抗现代全球变暖。

加速风化

The biggest limit on weathering is the amount of silicate minerals exposed at any given time.风化的最大限制是在任何给定时间暴露的硅酸盐矿物的量。 Grinding up volcanic silicate rocks into a fine powder increases the surface area available for reactions.将火山硅酸盐岩石研磨成细粉会增加可用于反应的表面积。 Further, adding this rock dust to the soil exposes it to plant roots and soil microbes.此外,将这种岩尘添加到土壤中会将其暴露于植物根和土壤微生物。 Both roots and microbes produce carbon dioxide as they decompose organic matter in the soil.根和微生物分解土壤中的有机物都会产生二氧化碳。 In turn, this increases carbonic acid concentrations that accelerate weathering.反过来,这会增加碳酸浓度,从而加速老化。

英美两国科学家最近进行的一项研究表明,在中国,印度,美国和巴西的所有农田土壤中添加细碎的硅酸盐岩石(例如玄武岩),可能会引发风化,从而消除 超过2亿吨的二氧化碳 from the atmosphere each year.每年从大气中。 For comparison, the US emitted为了比较,美国排放了 约5.3亿吨 2018年的二氧化碳排放量

用岩石耕种

增强风化的一个令人信服的方面是,在涉及玄武岩土壤改良剂的受控环境研究中,谷物的产量通过 大致20%.

As basalt weathers, it increases vital plant nutrients that can boost production and increase crops yields.随着玄武岩的天气,它增加了重要的植物养分,可以促进产量并增加农作物的产量。 Mineral nutrients such as calcium, potassium and magnesium create healthier soils.钙,钾和镁等矿物质营养素可创造更健康的土壤。 Farmers have been农民已经 用岩石矿物改良土壤数百年,所以这个概念已经不新鲜了。

在英格兰德文郡的一个田野上撒石灰,以改善土壤质量。在英格兰德文郡的一个田野上撒石灰,以改善土壤质量。 马克·罗宾逊/维基百科, CC BY

在中国、德国、意大利、韩国和美国的 工作地创新中心,我们可能正在全球真实的农场上进行最大的增强型风化示范实验。 We are partnering with farmers, ranchers, government, the mining industry and Native American tribes in California on some 50 acres of cropland soil amendment trials.我们与加利福尼亚州的农民,牧场主,政府,采矿业和美国原住民部落合作,进行了约XNUMX英亩的农田土壤改良试验。 We are testing the effects of rock dust and compost amendments on greenhouse gas emissions from the soil, carbon capture, crop yields, and plant and microbial health.我们正在测试岩石粉尘和堆肥对土壤温室气体排放,碳捕获,农作物产量以及植物和微生物健康的影响。

我们的初步结果表明,添加玄武岩和 硅灰石,一种硅酸钙矿物,第一年使玉米单产提高了12%。 Working with与...合作 加利福尼亚的温室气体排放交易计划 and our state's diverse agricultural interests, we hope to establish a pathway that would offer monetary incentives to farmers and ranchers who allow enhanced rock weathering on their lands.以及我们州多样化的农业利益,我们希望建立一条途径,向农民和牧场主提供金钱激励,使他们的土地上的岩石风化程度得到提高。 We aim to create a protocol for farmers and ranchers to make money from the carbon they farm into the soil and help businesses and industry achieve their carbon neutrality goals.我们旨在为农民和牧场主创建一个协议,使他们从种植在土壤中的碳中赚钱,并帮助企业和工业实现其碳中和目标。

为什么负排放很重要

在下面 2015巴黎气候协议,各国已承诺将全球变暖限制在比工业化前水平低2摄氏度以下的水平。 This will require massive cuts in greenhouse gas emissions.这将需要大量减少温室气体排放。

为避免最恶劣的气候变化结果,从空气中吸收二氧化碳(也称为负排放)也是必要的,因为大气中的二氧化碳具有 平均寿命超过100年。 Every molecule of carbon dioxide that is released to the atmosphere through fossil fuel combustion or land clearing will remain there for many decades trapping heat and warming Earth's surface.通过化石燃料燃烧或土地清理释放到大气中的每个二氧化碳分子将保留在那里数十年,从而捕获热量并加热地球表面。

在增强风化的更快版本中,科学家将地下的超临界二氧化碳泵入玄武岩地层,在这里它与矿物反应形成新的固体岩石。

各国需要一套解决方案来创造 负排放。 Enhanced weathering is poised for rapid scale-up, taking advantage of farm equipment that's already in place, global mining operations and supply chains that currently deliver fertilizers and seeds worldwide.利用已经存在的农用设备,全球采矿业务和目前在全球范围内运送肥料和种子的供应链,增强风化能力可以快速扩大规模。 By addressing soil erosion and food security along with climate change, I believe rock weathering can help humans escape the hard place we find ourselves in today.通过解决水土流失和粮食安全以及气候变化问题,我相信岩石风化可以帮助人类摆脱我们今天所处的困境。谈话

关于作者

本杰明·霍尔顿(Benjamin Z. Houlton),总理府全球环境研究教授,约翰·缪尔环境研究所所长, 美国加州大学戴维斯分校

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.

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