一個有效的氣候變化解決方案可能躺在我們腳下的岩石上
愛達荷州這些玄武岩地層等岩石的風化會觸發化學過程,從空氣中清除二氧化碳。
馬修·狄龍/弗里克, CC BY

Why has Earth's climate remained so stable over geological time?為什麼地球的氣候在整個地質時期都保持如此穩定? The answer just might rock you.答案可能會讓您感到震驚。

岩石,特別是火山活動產生的岩石,在保持地球長期氣候穩定以及使二氧化碳在陸地,海洋和大氣之間循環方面起著至關重要的作用。

科學家們以 幾十年 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.岩石風化-山區和土壤中礦物的化學分解-從大氣中清除了二氧化碳,並將其轉化為地球表面和海洋沉積物中的穩定礦物。 But because this process operates over millions of years, it is too weak to offset modern global warming from human activities.但是,由於該過程已經運行了數百萬年,因此它太弱了,無法從人類活動中抵消現代全球變暖的影響。

酸雨對建築物和紀念碑的破壞,例如德國德累斯頓的砂岩雕像,是化學風化的一種形式。酸雨對建築物和紀念碑的破壞,例如德國德累斯頓的砂岩雕像,是化學風化的一種形式。 光滑/維基百科


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但是,現在,新興科學–包括加州氣候變化解決方案合作組織(C4) 工作地創新中心 –表明可以加快岩石的風化速率。 Enhanced rock weathering could both slow global warming and improve soil health, making it possible to grow crops more efficiently and bolster food security.岩石風化的增強既可以減緩全球變暖,又可以改善土壤健康狀況,從而可以更有效地種植農作物並增強糧食安全。

岩石化學

許多進程 天氣岩石 on Earth's surface, influenced by chemistry, biology, climate and plate tectonics.受化學,生物學,氣候和板塊構造的影響。 The dominant form of chemical weathering occurs when carbon dioxide combines with water in the soil and the ocean to make carbonic acid.當二氧化碳與土壤和海洋中的水結合生成碳酸時,化學風化的主要形式就會發生。

大約95%的地殼和 披風 –地殼與其核心之間的厚層–由 矽酸鹽礦物,是矽和氧的化合物。 Silicates are the main ingredient in most igneous rocks, which form when volcanic material cools and hardens.矽酸鹽是大多數火成岩中的主要成分,當火山岩材料冷卻並硬化時會形成矽酸鹽。 Such rocks make up about 15% of Earth's這樣的岩石約佔地球的XNUMX% 地表.

當碳酸與某些矽酸鹽礦物接觸時,會觸發稱為 烏里反應。 This reaction pulls gaseous carbon dioxide from the atmosphere and combines it with water and calcium or magnesium silicates, producing two bicarbonate ions.該反應從大氣中抽出氣態二氧化碳,並將其與水和矽酸鈣或矽酸鎂結合,生成兩個碳酸氫根離子。 Once the carbon dioxide is trapped in these soil carbonates, or ultimately washed into the ocean, it no longer warms the climate.一旦二氧化碳被捕獲在這些土壤碳酸鹽中,或最終被沖入海洋,它便不再溫暖氣候。

一個有效的氣候變化解決方案可能躺在我們腳下的岩石上When carbonic acid dissolves calcium and magnesium silicate minerals, they break down into dissolved compounds, some of which contain carbon.當碳酸溶解鈣和矽酸鎂礦物質時,它們分解為溶解的化合物,其中一些包含碳。 These materials can flow to the ocean, where marine organisms use them to build shells.這些物質可以流到海洋,海洋生物利用它們建造貝殼。 Later the shells are buried in ocean sediments.後來,貝殼被埋在海洋沉積物中。 Volcanic activity releases some carbon back to the atmosphere, but much of it stays buried in rock for millions of years.火山活動將一些碳釋放回大氣中,但其中許多碳一直埋藏在岩石中達數百萬年之久。 格雷沙姆/維基百科, 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.當喜馬拉雅山等富含矽酸鹽的山脈將新鮮物質暴露在大氣中時(例如,山體滑坡之後),或者氣候變得越來越熱和潮濕時,Urey反應的速率會更高。 Recent research demonstrates that humans can speed up the process substantially to help fight modern global warming.最近的研究表明,人類可以大大加快這一進程,以幫助對抗現代全球變暖。

加速風化

The biggest limit on weathering is the amount of silicate minerals exposed at any given time.風化的最大限制是在任何給定時間暴露的矽酸鹽礦物的量。 Grinding up volcanic silicate rocks into a fine powder increases the surface area available for reactions.將火山矽酸鹽岩石研磨成細粉會增加可用於反應的表面積。 Further, adding this rock dust to the soil exposes it to plant roots and soil microbes.此外,將這種岩塵添加到土壤中會將其暴露於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機物都會產生二氧化碳。 In turn, this increases carbonic acid concentrations that accelerate weathering.反過來,這會增加碳酸濃度,從而加速老化。

英美兩國科學家最近的一項研究表明,在中國,印度,美國和巴西的所有農田土壤中添加細碎的矽酸鹽岩(例如玄武岩),可能會引發風化作用,從而消除 超過2億噸的二氧化碳 from the atmosphere each year.每年從大氣中。 For comparison, the US emitted為了比較,美國排放了 約5.3億噸 2018年的二氧化碳排放量

用岩石耕種

增強風化作用的一個令人信服的方面是,在涉及玄武岩土壤改良劑的受控環境研究中,穀物的單產可以通過提高 約為20%.

As basalt weathers, it increases vital plant nutrients that can boost production and increase crops yields.隨著玄武岩的天氣,它增加了重要的植物養分,可以促進產量並增加農作物的產量。 Mineral nutrients such as calcium, potassium and magnesium create healthier soils.鈣,鉀和鎂等礦物質營養素可創造更健康的土壤。 Farmers have been農民已經 用岩石礦物改良土壤數百年,所以這個概念已經不新鮮了。

在英格蘭德文郡的一個田野上撒石灰,以改善土壤質量。在英格蘭德文郡的一個田野上撒石灰,以改善土壤質量。 馬克·羅賓遜/維基百科, CC BY

工作地創新中心,我們可能正在全球真實的農場上進行最大的增強型風化示範實驗。 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.我們正在與加利福尼亞州的農民,牧場主,政府,採礦業和美國原住民部落合作進行約XNUMX英畝的農田土壤改良試驗。 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.我們正在測試岩石粉塵和堆肥改良劑對土壤溫室氣體排放,碳捕獲,作物產量以及植物和微生物健康的影響。

我們的初步結果表明,添加玄武岩和 矽灰石, a calcium silicate mineral, increased corn yields by 12% in the first year.是矽酸鈣的一種礦物,第一年使玉米單產提高了XNUMX%。 Working with與...合作 加利福尼亞的溫室氣體排放交易計劃 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.以及我們州多樣化的農業利益,我們希望建立一條途徑,向農民和牧場主提供金錢激勵,使他們的土地上的岩石風化程度得到提高。 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.我們旨在為農民和牧場主創建一個協議,使他們從種植在土壤中的碳中賺錢,並幫助企業和工業實現其碳中和目標。

 

為什麼負排放很重要

2015巴黎氣候協議,各國已承諾將全球變暖限制在比工業化前水平低2攝氏度以下的水平。 This will require massive cuts in greenhouse gas emissions.這將需要大量減少溫室氣體排放。

為避免最惡劣的氣候變化結果,從空氣中吸收二氧化碳(也稱為負排放)也是必要的,因為大氣中的二氧化碳具有 平均壽命超過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.通過化石燃料燃燒或土地清理釋放到大氣中的每個二氧化碳分子都將保留在那里數十年,從而捕獲熱量並溫暖地球表面。

{veembed Y=4IUQn9uL6W0} 在增強風化的更快版本中,科學家將地下的超臨界二氧化碳泵入玄武岩地層,在這裡它與礦物發生反應,形成新的固體岩石。

各國需要一套解決方案來創造 負排放。 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.利用已經存在的農用設備,全球採礦業務和目前在全球範圍內運送肥料和種子的供應鏈,增強風化能力可以快速擴大規模。 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.通過解決水土流失和糧食安全以及氣候變化問題,我相信岩石風化可以幫助人類擺脫我們今天所處的困境。談話

關於作者

本傑明·霍爾頓(Benjamin Z. Houlton),總理府全球環境研究教授,約翰·繆爾環境研究所所長, 加利福尼亞大學戴維斯分校

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.

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