碳

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一个最近在南大西洋的发现揭示了一个无声但决定性的气候机制：海底火山碎屑可以储存的碳量是固体岩石的40倍。 这一发现由南安普顿大学领导，为理解深层碳循环和海洋在地球气候调节中的隐藏角色提供了关键线索。 火山碎屑：真正的矿物海绵 碎裂的熔岩碎屑，称为火山角砾岩，如同真正的海绵，能够在数百万年内保留二氧化碳。 海水缓慢渗透到破碎材料的缝隙中。 存在的离子与岩石反应，促进碳酸盐矿物的形成。 二氧化碳被封存在石头中，形成一个长期的地质档案。 研究负责人罗莎琳德·科根指出，新颖之处在于首次回收了这些角砾岩的完整岩芯，经过数千万年的海洋板块运动。这使得观察这些沉积物随时间演变成为可能。 与致密玄武岩的比较 完整的玄武岩也可以储存碳，但速度较慢： 其内部表面积有限。 流体需要更长时间才能到达新鲜区域以启动反应。 相比之下，火山角砾岩天生就已碎裂，拥有大量的空隙，促进水的循环并增加反应机会。 新的数据证实，这些角砾岩储存的碳量是先前分析的致密熔岩的两到四十倍。 深层碳循环 深层碳循环在长期内调节地球气候： 在海洋中脊，板块运动产生新的火山地壳，并将二氧化碳释放到海洋和大气中。 当地壳冷却并远离中脊时，开始作为一个化学过滤器，将碳捕获在其内部。 这一过程虽然不可见且缓慢，但在过去对气候的稳定起到了关键作用。 发现的影响 这一发现并未提供当前气候危机的即时解决方案，因为涉及的过程以板块构造和矿化的速度进行，远低于人类时间尺度。然而，它为以下方面提供了宝贵的信息： 重建古代大气二氧化碳水平，这是评估地球气候敏感性的关键。 改进全球气候规划模型，整合海洋地壳的作用。 设计基于自然过程的碳储存策略。 潜在应用 这一发现为创新开辟了新途径： 快速矿化：利用陆地上的玄武岩形成在几年内固定二氧化碳。 海洋地质保护：保护海底山脉和中脊，因为它们在碳循环中起作用。 海洋地球化学研究：更好地理解这些沉积物如何演变，以优化减缓策略。 海洋不仅通过洋流、冰或直接吸收二氧化碳来调节气候。它还通过海洋地壳，从下方通过无形的过程不懈地工作。认识到这一隐藏的角色对于想象一个更平衡的未来以及设计整合地球地质动态的气候政策至关重要。

刚果雨林，历来被认为是地球上主要的碳汇之一，正经历着令人担忧的变化。 从2010年到2017年，这个广阔的生态系统从吸收二氧化碳转变为排放源，释放的二氧化碳多于其捕获的量。 这一剧变对全球抗击气候变化的努力构成了巨大的挑战。 刚果盆地，世界上第二大热带雨林，如今失去了作为抵御全球变暖的天然屏障的功能。 刚果雨林警报：从碳汇到排放源 非洲森林历来吸收了全球植被捕获的20%的二氧化碳。 刚果雨林曾是主要的碳汇，每年从大气中提取约6亿吨二氧化碳。 然而，在2011年至2017年间，这些森林不仅没有增加生物量，反而开始减少。 记录显示每年损失1.06亿吨的生物量，相当于每年释放约2亿吨的二氧化碳。 这一现象由英国莱斯特大学的Heiko Balzter领导的团队记录。 Balzter警告说，这一变化“基本上迫使我们更快地减少来自燃烧化石燃料的温室气体排放，以实现接近零排放”。 伐木和采矿：主要破坏者 人类活动推动了刚果雨林的这种环境变迁。在那里，有两个因素被认为是主要的破坏者： 手工和工业采矿：黄金和钶钽铁矿的开采，后者对电子设备至关重要 非法砍伐珍贵木材：如非洲柚木和珊瑚木，主要供应国际市场 冲突和经济困境：小型矿工破坏森林以获取矿产资源 在刚果民主共和国，大片地区被破坏以进行关键矿产的开采。 此外，还有非法开采珍贵木材，通常由外国公司进行。 这种双重压力导致了加速的森林砍伐和持续的生物量损失，直接影响碳平衡。 Balzter认为，“刚果热带雨林的砍伐”是非洲森林碳平衡变化的关键因素。 气候斗争的新要求 森林作为碳汇的丧失对全球抗击气候变化的斗争提出了严峻的要求。 这些森林群体角色的变化大大减少了它们作为减缓措施盟友的回旋余地。 为了描述非洲森林的状态，研究人员借助了卫星技术。 Balzter和他的同事们“通过卫星测量森林冠层的颜色和湿度含量以及某些点的高度来估算生物量。” 尽管在非洲大部分地区的地面数据仍然有限，这些方法提供了一个有用的近似。 研究承认未包括如湿地泥炭地等因素，这些泥炭地在刚果雨林的地表下保留了约300亿吨的古老碳。

最近关于二氧化碳 (CO₂) 转化的一系列研究将重点放在一种能够通过光化学过程生产清洁燃料的人工叶片上。 这项技术利用太阳光和有机成分，提供了一种创新的场景来转化资源并制造对环境影响较小的化学投入品。 剑桥的开发：甲酸盐作为能源载体 最新的进展来自剑桥大学，由Erwin Reisner教授领导的团队创造了一种人工叶片，能够再现自然光合作用并生成甲酸盐，这是一种通过二氧化碳、光和水的结合而得的清洁燃料。 该研究发表在Cell杂志上，描述了一种由有机半导体和细菌酶组成的生物混合系统。这些结构使设备能够自主运行，并在不需要化学添加剂的情况下保持稳定的性能。 最显著的成就包括： 由于辅助酶被安置在多孔钛基质中，连续24小时以上的操作稳定性。 使用简单的碳酸氢盐溶液作为反应介质。 高效生产甲酸盐，随后整合到药物合成中，无额外残留。 这是有机半导体首次在这种生物混合系统中发挥光捕获功能。 对化学工业的影响 甲酸盐的生产为化学投入品的制造提供了一种不同的操作模式。这种清洁燃料可以作为无排放的能源基础，非常适合需要纯化合物的合成链。 细菌酶的选择性避免了竞争性反应，并确保了获得产品的更高质量。 研究人员强调，化学工业约占全球排放的6%，并在很大程度上依赖于石油衍生的投入品。在这种情况下，一个能够将CO₂转化为可用燃料的自主系统可以减轻对化石资源的压力，并简化目前需要短寿命无机催化剂或有毒材料的过程。 技术创新和环境优势 最相关的新颖之处包括： 有机半导体作为光吸收剂，可调节属性且污染较少。 无副产品，这使得设备易于适应未来能够制造不同化学化合物的变体。 更大的可扩展性潜力，面向基于可再生资源的化学炼油厂。 伯克利的研究方向 另一项由MIT Technology Review传播的研究描述了在加州大学伯克利分校开发的太阳能装置，由Peidong Yang领导。 该系统通过金属“花”状铜结构将CO₂和水转化为烃类，如乙烯和乙烷。它使用硅纳米线来捕获光，并以甘油代替水运行，从而提高效率并生成甘油酸盐、乳酸或乙酸盐等副产品，在化妆品和制药行业中有应用。 挑战和前景 尽管取得了进展，专家警告说，当前的性能不足以大规模实施。催化剂的耐久性和过程的稳定性需要在纳入生产基础设施之前进行优化。 负责的团队认为，从空气或能源工厂捕获CO₂可能允许生成具有碳中和平衡的清洁燃料，将人工光合作用定位为减少对化石原料依赖的关键工具。 研究人员预计，通过更精确的设计技术和新的方法来稳定酶和有机半导体，将能够延长这些设备的使用寿命，并根据行业需求调整生成不同的化合物。 人工光合作用被认为是全球能源和化学转型中最有前途的技术之一。人工叶片和太阳能装置的进步表明，将CO₂转化为清洁和有用的燃料是可能的，从而减少排放并为可再生化学炼油厂铺平道路。

美国河流系统的一项新分析揭示了一个令人惊讶的行为。远非总是作为碳源，一些位于干旱地区的河流实际上是天然的 CO₂ 汇。 这项研究利用人工智能模型显示，西部的多个河道吸收的碳多于释放的碳。这一模式挑战了关于全球碳动态的数十年假设。 研究结果迫使人们重新考虑如何计算地球的气候平衡，并强调半干旱环境在大气调节中的重要性。 捕获碳的河流 多年来，人们假设所有的河流释放 CO₂是由于有机物的分解。这一观点主要来源于对美国东北部的研究，那里的河道穿过密集的森林。 在那种环境中，微生物呼吸远远超过光合作用，导致碳的持续排放。这种动态被视为全球模型。 然而，新的分析表明，河流生态系统并不统一，其条件决定了其气候行为。 光和有机物的决定性作用 西部的河流流经开阔的空间，阳光充足，而叶子和植物废物的输入最小。这种组合促进了比生物呼吸更强烈的光合作用过程。 因此，水捕获 CO₂ 而不是释放它，成为一个天然汇。这种对比表明，碳流动深受景观和可用能量的影响。 研究估计，约 25% 的西部河段履行这一功能，是东部相应河段的两倍多，东部的比例仅为 11%。 利用人工智能理解河流动态 为了获得更全面的碳活动地图，研究团队整合了水文数据并使用机器学习模型。 这些工具分析了温度、光线、营养物和水速等变量，以预测每个河段的行为。 然后，这些模型被应用于全国数千条河道，揭示了传统方法无法察觉的模式。 一个更干旱的星球和可能的气候盟友 尽管在全国范围内，河流仍然排放的 CO₂ 多于吸收的 CO₂，但差异小于预期。在一个干旱和半干旱地区覆盖约 65% 的地球表面的世界中，这一发现尤为重要。 流经这些地区的河道可能在大气碳调节中发挥比预期更重要的作用。这一发现为研究和评估高太阳辐射景观中的河流生态系统开辟了新途径。 这一发现的环境影响 作为碳汇的河流为改善全球气候模型提供了机会。纳入其行为可能会调整对全球变暖进程的估计。 这些系统还强调了保护干旱地区河道的重要性，这些河道可能在默默地为CO₂ 缓解做出贡献。 此外，了解哪些条件允许碳捕获可以指导河流恢复战略，增强河流清洁大气的自然能力。