Nature Climate Change|绘制全球海洋碱度提升对二氧化碳清除效率的变化图

政务   2024-11-12 10:14   湖北  

自:地球平衡与稳态

文章摘要

要在 2100 年前将全球变暖控制在 2 °C 以下,就必须从大气中去除二氧化碳。海洋碱度增强(OAE)是实现大规模二氧化碳去除的一种可行方法,但由于海气二氧化碳平衡不完全,降低了碳去除的效率。在这里,我们展示了全球 OAE 效率图,并评估了效率的季节性变化。我们发现,平衡动力学有两个特征时间尺度:快速的表面平衡,随后是较慢的第二阶段,这代表了最初潜入的过量碱度的重新出现。这些动力学随纬度和碱度释放季节的不同而有很大差异,这是确定潜在 OAE 部署位置的关键因素。此外,我们还量化了诱导二氧化碳吸收的空间和时间尺度,这有助于确定在区域海洋模式中模拟 OAE 的要求。

文章概述

将全球气温相对于工业化前水平的上升限制在1.5或2 °C以下,除了迅速减少温室气体排放外,还需要在世纪结束前从大气中清除数千亿吨二氧化碳。海洋二氧化碳清除技术最近广受关注,因为它们有可能达到与气候相关的规模。

在此,我们根据 690 个碱度脉冲位置和四个季节,展示了利用大气环流模式模拟的全球多季节 OAE 效率图。这项研究的目的是确定海洋中对 OAE 部署最有效的区域和季节。虽然由于靠近基础设施、能源供应和人力资源,早期 OAE 部署最有可能在近海岸地区进行,但我们的研究覆盖全球,说明了对 OAE 效率的控制。这有助于理解和深入认识机理,对于推进 OAE 净碳清除的定量评估框架非常重要。我们进行的数值实验包括一系列脉冲响应函数(IRF)曲线,这些曲线描述了二氧化碳吸收对 OAE 的响应。我们用一个概念性的一个概念性的箱体模型来拟合二氧化碳吸收动力学,从而探索数据中的规律,并描述不同释放位置的二氧化碳吸收的空间和时间变化。

主要结果

OAE效率的空间和季节变化
一般来说,夏季与冬季添加碱度时,η 较高)。OAE 效率的空间模式及其季节变化在短时幅度上最为明显,亚极地纬度的短期效率最高。然而,随着模拟的继续,空间和季节变化减小。例如,模拟 15 年后,热带的效率与副极地纬度的效率基本相当。在极地纬度,如拉布拉多海和挪威海以及南大洋的威德尔海和罗斯海,效率持续偏低。15 年后,这些地区的效率增加很小,这与冬季深层混合基本上不可逆地去除表层海洋的碱度是一致的。最后,亚热带回旋区在短时上显示出相对较低的效率,虽然这些区域的效率在 15 年模拟期间持续上升,但仍低于热带和亚极地纬度的模拟效率。
图1:OAE效率的全球地图
代表性位置
下图给出了具有代表性的CO2吸收曲线和再平衡时间尺度的释放位置。当在拉布拉多海的一月份增加碱度时,其中很大一部分迅速俯冲到1,000米以下的深度,在那里它与大气保持不接触-可能长达数百年的时间尺度。如果在1月加入碱度,则所得的η(15)为0.2,但在7月为0.7,此时表面海洋分层允许大部分碱度保留在表层。
就快速二氧化碳再平衡而言,亚极地纬度是部署 OAE 的最佳区域之一。该地区的横向流动模式使增加的碱度保持在地表附近,最初的二氧化碳气体交换也很快。因此,在夏季添加碱度 8 年后,η 达到 0.8。该地点的 η 也表现出适度的季节性变化。
图2:在四个代表性位置模拟OAE
拉格朗日坐标系下的CO2平衡动力学
我们建立了一个简单的概念框模型,以提供一个启发式框架,解释模拟中出现的各种平衡动态。该模型旨在使用少量有意义的参数来描述碱度羽流拉格朗日框架中的二氧化碳平衡。在羽流扩散轨迹的早期,海气 CO2 平衡以电子折叠时间尺度 τa 进行。该模型的目的是用少量有意义的参数来描述CO2在碱性羽流的拉格朗日框架中的平衡。
图3:添加碱度后,CO2平衡动力学和表面碱度稀释的三箱模型示意图
图4:1月和7月脉冲释放的拟合参数与纬度的关系图
除了将概念模型直接拟合到效率曲线之外,我们还独立地计算与模型输出的诊断字段的参数类似的度量的时间演变。曲线拟合提供了摄取动态的简明摘要,而对这些明确指标的检查提供了验证性的机制见解。
图5:海气CO2平衡时间尺度的分解
CO2吸收的空间范围
全球模式的模拟可以解释 OAE 部署后的所有海气 CO2 交换,前提是模式集成的时间足够长。然而,人们对在区域模式中模拟 OAE 非常感兴趣,因为区域模式可以在有限的区域内以更高的保真度表示环流,但无法解释区域边界以外由 OAE 引起的二氧化碳吸收。对二氧化碳吸收的空间分布进行估算,有助于确定捕获不同区域大部分二氧化碳吸收所需的区域大小。图 6a-c 分别显示了半径为 500、1,000 和 2,000 千米时,在距离注入中心一定距离范围内 15 年二氧化碳吸收总量的百分比。在不同的分界线上,空间模式相似,局部受限最大的吸收发生在极地附近和亚极地地区,70%-90%发生在 1000 千米范围内。地理上最分散的吸收发生在热带和西部边界流,由于快速的水平传输,小于 60% 的平衡发生在 2,000 公里范围内。
图6:对CO2吸收的空间范围的评估

总结展望

在这里,我们展示了具有区域特异性的全球多季节 OAE 效率图。我们的研究结果表明,在许多地方,OAE 的效率不仅取决于气体传输速度,而且还对介导表层碱度保留量的俯冲和再上升动力学非常敏感。最重要的是,相当一部分 CO2 平衡发生在初始碱度变化事件发生多年之后,而且远离初始碱度变化事件。我们建立了一个启发式模型,该模型能够用几个参数概括吸收动态:快速和慢速交换时间尺度、表征这两种状态之间过渡的时间尺度以及最终吸收效率。一般来说,由于气体交换速度快,亚极地纬度的碱度部署会引起二氧化碳的快速吸收。随着部署时间的推移,不同季节的空间变化和效率差异会逐渐减小。虽然我们的整合时间只有15年,但我们预计几乎所有的亚极地和低纬度海洋都能在一到二十年内达到热力学上可行的 OAE 最大吸收量,只有亚热带涡旋可能例外,其效率会略有降低。相比之下,高纬度地区受到深度混合和表层碱度去除的影响,这种影响在十年时间尺度上基本上是不可逆的。除了这些广泛的模式外,我们还发现了以快速、局部二氧化碳再平衡和低季节性为特征的区域。具有这种动态变化的区域可能是首次部署实验性 OAE 的最佳地点。
此外,尽管研究仍然还有不足之处,但这项研究提供了关于OAE 效率的地理和季节变化的重要特征,再加上描述技术经济限制的数据,可以为评估部署OAE的可行性提供广泛的指导。一个运作良好的碳清除市场需要强有力的方法来量化干预措施实现的净碳清除量。我们的研究结果表明了所涉及的巨大时空尺度,这表明数值模型必须在验证方法中发挥关键作用。此外,我们进行的实验生成了一系列特定区域的 IRFs 曲线。这种性质的地图可能会在未来支持净碳清除特征描述的系统中发挥重要作用,用于市场质量监测、报告和验证。

文献来源

Zhou, M., Tyka, M.D., Ho, D.T. et al. Mapping the global variation in the efficiency of ocean alkalinity enhancement for carbon dioxide removal. Nat. Clim. Chang. (2024).
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