试试把二氧化碳埋进海底：模仿自然的藏气过程

                                   吉林大学：杨学祥，杨冬红

      气候变化是人类面临的最紧迫的挑战之一。为了应对其潜在的灾难性影响，科学家们正在寻找新的技术来帮助世界实现碳中和的目标。

　　一种潜在的解决办法吸引了科学家的注意力：在海底沉积物下以水合物的形式捕获和储存二氧化碳。这种水合物是由上方海水重量产生的自然压力保持的。然而，一个主要的问题是，这种形式的二氧化碳在储存期间能否保持稳定。

　　现在，新加坡国立大学化学和生物分子工程系的研究人员首次用实验证明了二氧化碳水合物在海洋沉积物中的稳定性，这是使这种碳储存技术可行的重要一步。

　　这项研究的首席研究员 Praveen Linga 教授说： “这是这类实验的首个证据，我们希望能够据此促进这种碳储存技术的进一步发展。”该研究团队的研究结果——作为新加坡能源中心资助项目的一部分——首次发表在科学期刊《化学工程杂志》上。

       事实上，上述方法不过是模仿大自然的储存温室气体的过程。

       甲烷去哪了？

       无论是二氧化碳还是甲烷，都在大气圈、海洋圈和岩石圈之间不断循环。集中在大气圈的温室气体，通过循环可以转移到海洋圈和岩石圈，也可以从海洋圈和岩石圈转移到大气圈。    

       路径之一：海底藏冷效应

      我们在1998、2006、2008、2009、2011、2013年撰文指出，赤道热两极冷是太阳能量纬度不均匀分布造成的。由于大气热容量低，大气热对流不能改变这一基本规律。海水则不同，其热容量大，热对流的传热效果十分显著。计算表明，每立方米的水和空气温度降低一度所释放的能量分别为4180000焦尔和1290焦尔，前者是后者的3240倍。这个巨大差别可从海洋性气候和大陆性气候的比较中看到。瓦伦西亚岛和赤塔同在北纬52度附近，前者位于爱尔兰的大西洋岸，属于海洋性气候，后者位于亚洲大陆内部，属于大陆性气候。虽然纬度相近，但温差在一年内的分布相差悬殊。一年内最冷和最热月份温度的差值，在瓦伦西亚只有7.9度，在赤塔则为46.1度，大于前者5.5倍之多。前者年均温度为摄氏10.3度，后者为零下3度，差值为13.3度。这说明海洋的内能多于大陆，海洋是大气热量的重要供应者。

　　海水因为含有平均约3.5%的盐分，所以它的最大密度约出现在摄氏负2度左右，恰好与海水开始结冰的温度很接近。两极临近结冰的海水密度最大，源源不断地沉入两极海底，自转离心力使较重的海水向赤道海底运动，形成全球巨厚的海底冷水层。由于太阳辐射不能进入这个领域，“冷”被安全地封存在海底，冷水领域还不断扩大。赤道海水表层热水在上、冷水在下，垂直方向只有热传导、没有热对流。随着海洋冷水区的不断扩大和赤道海洋表层热水区的不断缩小，赤道和两极的温差也不断加大，形成中、高纬度地区的冰盖和冰川。我们称这个过程为海底藏冷效应。它是海气相互作用的典型范例，大气中的“冷能”由此而进入海洋。冰雪反射太阳辐射，随着冰雪面积的不断扩大，地表接受到的太阳能量越来越少，使大气和海洋越来越冷，冰期有一个长期的“冷积累”过程。

      我们在2021年指出， 温室气体在海水溶解度随温度降低而升高，冷水在沉入海底时携带大量温室气体，在低温高压下形成干冰和甲烷冰。

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1325997.html

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1300365.html

参考文献

1. 杨冬红，杨学祥，刘财。2004年12月26日印尼地震海啸与全球低温[J]。地球物理学进展。2006，21（3）：1023～1027。

Yang Donghong,Yang Xxuexiang, Liu Cai. Global low temperature, earthquake and tsunami (Dec. 26, 2004) inIndonesia[J].Progress in Geophysics, 2006, 21（3）: 1023～1027.

2. 杨冬红，杨德彬，杨学祥. 2011. 地震和潮汐对气候波动变化的影响[J]. 地球物理学报， 54（4）：926-934

Yang D H,Yang D B, Yang X X, The influence oftidesandearthquakes in globalclimatechanges. Chinese Journal of geophysics (in Chinese),2011, 54(4): 926-934

3. 杨冬红，杨学祥。全球变暖减速与郭增建的“海震调温假说”。地球物理学进展。2008，23 (6): 1813～1818。YANG Dong-hong, YANGXue-xiang. The hypothesis of the ocesnic earthquakes adjusting climate slowdownof global warming. Progress in Geophysics. 2008, 23 (6): 1813～1818.

4. 杨冬红, 杨学祥. 北半球冰盖融化与北半球低温暴雪的相关性[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(2):610-615. YANG Dong-hong, YANG Xue-xiang. Studyon the relation between ice sheets melting and low temperature in NorthernHemisphere. Progress in Geophysics. 2014, 29 (1): 610～615.

5. 杨学祥, 陈震, 刘淑琴等. 地球内核快速旋转的发现与全球变化的轨道效应. 地学前缘, 1997, 4(1): 187-193.

Yang X X, Chen Z, Liu S Q, et al. The discovery of fast rotation of the earth’s inner core and orbital effect of global changes. Earth Science Frontiers (in Chinese), 1997, 4(1): 187-193.

6.  杨冬红，杨学祥. 全球气候变化的成因初探. 地球物理学进展. 2013, 28(4): 1666-1677. Yang X X, Chen D Y. Study oncause of formation in Earth’s climatic changes. Progress in Geophysics (inChinese), 2013, 28(4): 1666-1677.

7. 杨冬红. 2009. 潮汐周期性及其在灾害预测中应用[D][博士论文].长春:吉林大学地球探测科学与技术学院.

Yang Dong-hong. 2009.Tidal Periodicity and its Application in Disasters Prediction[D]. [Ph. D.thesis]. Changchun：College of Geo-exploration Science and Technology, Jilin   University.

8. 杨冬红, 杨学祥.2013.a 地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 28（1）：58-70。

Yang D H, Yang XX. 2013a. Study and model on variation ofEarth’s Rotation speed. Progress inGeophysics (in Chinese), 28（1）：58-70.

9. 杨冬红, 杨学祥. 2007b. 澳大利亚夏季大雪与南极海冰三个气候开关. 地球物理学进展, 22(5): 1680-1685.

Yang D H, Yang X X. 2007b. Australia snow in summer and three ice regulators for El Nino events. Progress in Geophysics (in Chinese), 22(5): 1680-1685.

10. 杨学祥, 陈殿友. 地球差异旋转动力学. 长春: 吉林大学出版社, 1998, 2, 99~104, 196~198

Yang X X, Chen D Y. Geodynamics of the Earth’s differential rotation and revolution (in Chinese). Changchun: Jilin University Press, 1998, 2, 99~104, 196~198

11. 杨学祥，陈殿友。火山活动与天文周期。地质论评。1999，45（增刊）：33~42                    YANG Xue-xiang, CHEN Dian-you. The Volcanoes and the Astronomical Cycles .Geological Review. 1999,45(supper):33~42.

12. 杨学祥.  2001年发生厄尔尼诺事件的天文条件[J]. 地球物理学报.2002,45(增刊):56-61

13. 杨学祥, 韩延本, 陈震, 乔琪源. 强潮汐激发地震火山活动的新证据[J]. 地球物理学报, 2004, 47（4）: 616-621

YANG X X, HAN Y B, CHEN Z, et al. New Evidence of Earthquakes and Volcano Triggering by Strong Tides. Chinese Journal of geophysics (in Chinese), 2004, 47(4): 616~621

14. 杨学祥，陈震，陈殿友，乔琪源。 厄尔尼诺事件与强潮汐的对应关系[J]。吉林大学学报(地球科学版)， 2003，33 （1）： 87-91。

15. 杨学祥，陈殿友，李守春。干旱、地震与月球赤纬角变化[J]。西北地震学报，1999，21（1）：44~47。

16.  杨学祥，宋秀环，刘淑琴。地球潮汐形变的数值评价[J]。地壳形变与地震，1997，17（2）：53-58。

17. 杨学祥，杨冬红。2014年1-2月潮汐组合与雾霾对应的检验。2014天灾预测学术研讨会议论文集。2014，224-237，万方数据库。

18. 杨冬红, 杨学祥.北半球冰盖融化与北半球低温暴雪的相关性[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(2): 610-615.YANG Dong-hong, YANG Xue-xiang. Studyontherelationbetween ice sheets melting and low temperature inNorthernHemisphere.Progressin Geophysics. 2014, 29 (1): 610～615.

二氧化碳排放太多怎么办？试试把它们埋进海底

2022年03月18日 11:16 新浪科技综合

　　来源： 我是科学家iScientist

　　气候变化是人类面临的最紧迫的挑战之一。为了应对其潜在的灾难性影响，科学家们正在寻找新的技术来帮助世界实现碳中和的目标。

　　一种潜在的解决办法吸引了科学家的注意力：在海底沉积物下以水合物的形式捕获和储存二氧化碳。这种水合物是由上方海水重量产生的自然压力保持的。然而，一个主要的问题是，这种形式的二氧化碳在储存期间能否保持稳定。

一种潜在的控制碳排放的方法是将二氧化碳封存在深海水合物中 | 参考资料[1]

　　现在，新加坡国立大学化学和生物分子工程系的研究人员首次用实验证明了二氧化碳水合物在海洋沉积物中的稳定性，这是使这种碳储存技术可行的重要一步。

　　这项研究的首席研究员 Praveen Linga 教授说： “这是这类实验的首个证据，我们希望能够据此促进这种碳储存技术的进一步发展。”该研究团队的研究结果——作为新加坡能源中心资助项目的一部分——首次发表在科学期刊《化学工程杂志》上。

Praveen Linga 教授与研究团队在实验室 | 参考资料[2]

　　研究团队使用了一种特别设计的反应器，证明二氧化碳水合物可以在海洋沉积物中保持稳定长达30天。研究小组表示，同样的方法还可以用来验证二氧化碳水合物在更长时间内的稳定性。

研究团队证明二氧化碳水合物能在海洋沉淀物中保持稳定长达30天 | 参考资料[3]

　　在海洋产生的低温高压条件下，二氧化碳会被困在水分子中，形成类似冰的物质。这种二氧化碳水合物形成的温度刚好高于水的冰点，可以在1立方米的水合物中储存多达184立方米的二氧化碳。

　　在世界各地类似的海洋环境中，都发现了稳定存在的甲烷水合物，这进一步支持了存储在深海沉淀物中的二氧化碳水合物能保持稳定与安全的论点。

　　研究团队表示，这项技术有希望发展成为具有一定商业规模的工艺，使得像新加坡这样的国家每年可以高效地将超过200万吨的二氧化碳固定为水合物，从而达到减排目标。

　　Linga教授和他的团队使用特殊设计的设备重现了深海海底的环境，那里的温度在2℃到6℃之间，压力是海平面的100倍。建立一个能够维持这种条件的大型反应器是一项挑战，这也是以前无法进行二氧化碳水合物稳定性试验的原因之一。新加坡国立大学的团队利用内部设计的加压容器克服了这一挑战，容器内衬有硅砂层，模拟海洋沉积物。

研究人员用硅砂层模拟海洋沉淀物 | 参考资料[3]

　　团队在仪器顶部和硅砂层内制得固体水合物，并将加压容器设置为模拟海洋条件，以观察形成的固体二氧化碳水合物在沉积物中的稳定性。在加压条件下，团队对水合物进行了14-30天的观察，发现水合物具有高度的稳定性。

　　这一水合物技术将使各国目前在枯竭油气储量和盐水层中的碳储存外，还可以在深海地质构造中封存大量的碳排放。对于像新加坡这样设定了在2050年前实现碳中和目标的国家来说，这项技术可能成为减少二氧化碳排放的重要方法。

　　“为了实现碳中和目标，我们必须考虑具备一定规模和速度的封存二氧化碳的新方法。像二氧化碳水合物这样封存在沉积物中是一个具有前景的解决方案。”。

　　研究团队的下一步研究计划，将是扩大实验的规模和时间尺度。

　　林加教授表示：“从实验的角度来看，我们计划将这项技术的规模扩大10倍，同时进一步创新开发可量化的工具和方法。”他还表示，展望未来，研究小组的目标是尽快证明二氧化碳水合物具备至少六个月的稳定性。

Linga教授展示能够重现海底环境的实验设备 | 参考资料[3]

　　该团队还在最近宣布，新加坡政府将在低碳能源研究基金倡议下提供资金，用于开发尖端的低碳能源技术解决方案，这将极大地支持这种储存技术的发展。通过未来计划中的实验，团队希望能开发出能够预测二氧化碳水合物在数千年后稳定性的模型。

　　参考文献

　　[1] Qureshi M F， Zheng J， Khandelwal H， et al。 Laboratory demonstration of the stability of CO2 hydrates in deep-oceanic sediments[J]。 Chemical Engineering Journal， 2022， 432： 134290。

　　[2]https：//www.eurekalert.org/news-releases/945561

　　[3]https：//news.nus.edu.sg/nus-research-shows-co2-could-be-stored-below-ocean-floor/

　　编译：矩阵星

　　编辑：酥鱼

　　排版：尹宁流

　　题图来源：图虫创意

　　研究团队

　　通讯作者 Praveen Linga：新加坡国立大学化学和生物分子工程系教授，2009年获不列颠哥伦比亚大学博士学位，主要研究方向为天然气水合物开发、二氧化碳储存与利用、能源储存与海水淡化等。

　　课题组主页 https：//blog.nus.edu.sg/lingalab/

　　第一作者 M Fahed Qureshi：新加坡国立大学化学和生物分子工程系博士后 ，主要研究方向为气体水合物、海洋二氧化碳截存等。

　　论文信息

　　发布期刊 《化学工程杂志》 Chemical Engineering Journal

　　发布时间 2022年3月15日

　　论文标题Laboratory demonstration of the stability of CO2 hydrates in deep-oceanic sediments

　　（DOI：10.1016/j.cej.2021.134290）

　　文章领域 化学工程，二氧化碳捕获与储存

https://finance.sina.com.cn/tech/2022-03-18/doc-imcwiwss6740848.shtml?cre=tianyi&mod=pchp&loc=20&r=0&rfunc=23&tj=cxvertical_pc_hp&tr=12

可怕的温室气体：甲烷去哪了？

已有 2597 次阅读 2021-8-18 18:58 |个人分类:全球变化|系统分类:论文交流

可怕的温室气体：甲烷去哪了？

        吉林大学：杨学祥，杨冬红

      财联社（上海，编辑阿乐）讯，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）周一（8月9日）对日益加深的气候紧急情况发出了有史以来最严厉的警告，并预测未来几十年全球所有地区的气候变化将加剧。

      这份报告警告称，“如果不立即、迅速和大规模地减少温室气体排放，将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在1.5°C至2°C之内（《巴黎协定》）的目标将无法实现。”

      IPCC报告明确指出，不仅仅是温度问题，气候变化正在给全球不同地区带来不同的变化。这些变化包括更剧烈的降雨和洪水、更剧烈的干旱、沿海地区持续的海平面上升、永久的冻土融化、海洋酸化等等。

      甲烷是最重要的温室气体。

      甲烷从哪来？

      最常见的温室气体是二氧化碳，但最危险的却是甲烷气体，它保留许多热量。科学家发现，近年来它的浓度在显着增加。

      据网上数据，甲烷的主要来源是农业、供暖系统和石油生产。根据研究人员的计算，地球上每头牛每天向空气中释放多达500升的甲烷——这种气体存在于它们的消化系统中。甲烷也被积极地用作各种熔炉的燃料。最后，甲烷是溶解在石油中的气体之一——提取“黑金”也会释放出大量的温室气体。

      全球碳项目团队研究了从2000年至2017年的甲烷排放量——在这段时间里，他们获得了最完整的数据。事实证明，在二十一世纪初，每年约有3.24亿吨甲烷排放到大气中。2017年，排放到空气中的二氧化碳数量显着增加——平均而言，人类产生了约3.64亿吨甲烷。根据科学家们的计算，在过去20年间，甲烷排放量增加了12%。最危险的来源是农场、垃圾填埋场和矿物燃料的开采。

       大多数甲烷产自于非洲、中东、南亚和大洋洲。据报道，近年来，这些地区向大气排放的甲烷量增加了100-150万吨。当然，随着时间的推移，甲烷的排放量将继续增加，那么地表的气温也将上升得更快。

       可燃冰（Methane ice，也称作甲烷水合物、甲烷冰、甲烷气水包合物或天然气水合物）是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以被称作“可燃冰”（Combustible ice）或者“固体瓦斯”“汽冰”。它是一种燃烧值高、清洁无污染的新型能源，分布广泛而且储量巨大。

       天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下，一单位体积的天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体。

       世界上海底天然气水合物已发现的主要分布区是大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东海岸外的布莱克海台等，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、中国南海海槽、苏拉威西海和新西兰北部海域等，东太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亚滨外和秘鲁海槽等，印度洋的阿曼海湾，南极的罗斯海和威德尔海，北极的巴伦支海和波弗特海，以及大陆内的黑海与里海等。

       在地球上大约有27%的陆地是可以形成天然气水合物的潜在地区，而在世界大洋水域中约有90%的面积也属这样的潜在区域。已发现的天然气水合物主要存在于北极地区的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中。由于采用的标准不同，不同机构对全世界天然气水合物储量的估计值差别很大。

       天然气水合物在给人类带来新的能源前景的同时，对人类生存环境也提出了严峻的挑战。天然气水合物中的甲烷，其温室效应为CO₂的20倍，而全球海底天然气水合物中的甲烷总量约为地球大气中甲烷总量的3000倍，若有不慎，让海底天然气水合物中的甲烷气逃逸到大气中去，将产生无法想象的后果。

       全球变暖，极地冻土融化，将面临甲烷大量释放的风险。即使我们控制了CO₂的人为排放，我们能控制天然气水合物的开采、使用和自然排放吗？

       甲烷去哪了？

       无论是二氧化碳还是甲烷，都在大气圈、海洋圈和岩石圈之间不断循环。集中在大气圈的温室气体，通过循环可以转移到海洋圈和岩石圈，也可以从海洋圈和岩石圈转移到大气圈。

       路径之一：海底藏冷效应

      赤道热两极冷是太阳能量纬度不均匀分布造成的。由于大气热容量低，大气热对流不能改变这一基本规律。海水则不同，其热容量大，热对流的传热效果十分显著。计算表明，每立方米的水和空气温度降低一度所释放的能量分别为4180000焦尔和1290焦尔，前者是后者的3240倍。这个巨大差别可从海洋性气候和大陆性气候的比较中看到。瓦伦西亚岛和赤塔同在北纬52度附近，前者位于爱尔兰的大西洋岸，属于海洋性气候，后者位于亚洲大陆内部，属于大陆性气候。虽然纬度相近，但温差在一年内的分布相差悬殊。一年内最冷和最热月份温度的差值，在瓦伦西亚只有7.9度，在赤塔则为46.1度，大于前者5.5倍之多。前者年均温度为摄氏10.3度，后者为零下3度，差值为13.3度。这说明海洋的内能多于大陆，海洋是大气热量的重要供应者。

　　海水因为含有平均约3.5%的盐分，所以它的最大密度约出现在摄氏负2度左右，恰好与海水开始结冰的温度很接近。两极临近结冰的海水密度最大，源源不断地沉入两极海底，自转离心力使较重的海水向赤道海底运动，形成全球巨厚的海底冷水层。由于太阳辐射不能进入这个领域，“冷”被安全地封存在海底，冷水领域还不断扩大。赤道海水表层热水在上、冷水在下，垂直方向只有热传导、没有热对流。随着海洋冷水区的不断扩大和赤道海洋表层热水区的不断缩小，赤道和两极的温差也不断加大，形成中、高纬度地区的冰盖和冰川。我们称这个过程为海底藏冷效应。它是海气相互作用的典型范例，大气中的“冷能”由此而进入海洋。冰雪反射太阳辐射，随着冰雪面积的不断扩大，地表接受到的太阳能量越来越少，使大气和海洋越来越冷，冰期有一个长期的“冷积累”过程。

       温室气体在海水溶解度随温度降低而升高，冷水在沉入海底时携带大量温室气体，在低温高压下形成干冰和甲烷冰。

       路径之二：海洋锅炉效应

      由于内核相对地壳地幔的差异旋转，太阳辐射达到最大值时使核幔角动量交换达到高峰，部分旋转动能转变为热能积累在核幔边界赤道区（此处核幔速度差最大，积累的热能最多）。超级热幔柱（羽）由核幔边界赤道热区升起，在海底赤道区喷发，加热了底层海水，并引发赤道和两极之间的海洋整体热循环，降低了赤道和两极大气的温差，使两极的海温和气温逐渐上升到冰点以上，消除了海洋藏冷效应的“冷源”，形成全球无冰温暖气候，产生晚白垩纪赤道海洋表层低温之谜（当时温度为摄氏21度，比现代低6.5度）。我们称这个过程为海洋锅炉效应。

      有证据表明，随着热幔柱喷发强度的减弱，近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15度，大气冷却了10~15度。这是典型的地、海、气相互作用。计算表明，一亿二千万年前形成翁通爪哇海台的海底热幔柱喷发，其释放的热量可使全球海水温度增高33度，喷发过程经历了几百万年时间。

      有证据表明,在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温4度以上。海底火山活动引发的深海热对流在全球气候变化中的作用不容忽视[2-8]。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-736985.html

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-521283.html

       海洋锅炉效应加热了海底冷水，形成全球海洋热循环，将温室气体释放到大气圈。这一方式包括二氧化碳和甲烷。事实上，煤炭自燃，沼气释放，冻土融化，可燃冰自燃等自然排放的温室气体不可避免。

 图1 海底藏冷效应和海洋锅炉效应

      地球气候存在不可否认的自然循环：海底藏冷效应——温室气体贮存在海洋中和岩石中——冰期形成——海平面下降海洋地壳上升导致海底张裂地震和火山活动——海底火山喷发造成海洋锅炉效应——海洋温室气体释放到大气——全球变暖导致的冰盖融化和海平面上升——地壳均衡导致挤压地震发生——降水增大形成酸雨使海洋酸度增大——在大陆地表和海洋底层增大二氧化碳形成碳酸盐的机会——温室气体浓度降低导致气候变冷。

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2021-08-09 18:28:18　来源: 财联社举报

https://www.163.com/dy/article/GGVRLRGM05198CJN.html?f=post2020_dy_recommends

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1300365.html