科学家希望将铁纳米颗粒倾倒入海洋以拯救地球

减少碳排放可能不足以扭转气候变化的最坏影响。捕获和掩埋二氧化碳可能是必要的。
一个想法是用铁纳米颗粒“施肥”海洋，引发浮游植物的大量繁殖，浮游植物像其他植物一样从空气中吸收二氧化碳。
研究是有争议的，并且产生了不同的结果，但新的证据表明，调整铁的输送方式可能是提高海洋肥沃化功效的关键。
深海储存：根据气候专家的说法，削减我们向大气中排放的新温室气体的数量对于防止气候变化的最坏影响至关重要，但这本身是不够的 - 我们还需要捕获一些已经在空气中的碳。
一种方法是最大限度地发挥地球海洋的碳捕获潜力——它们已经吸收了人类25%的二氧化碳排放，主要是由于浮游植物的活动。
这些微小的单细胞植物生长在海洋表面附近，吸收阳光和二氧化碳通过光合作用产生能量。其中一些碳后来被困在深海中，当浮游植物死亡和沉没时。

虽然浮游植物中的大部分碳在植物分解或被吃掉时仍留在地表附近，但有些沉入深海。（圖片來源：NASA / A New Wave of Ocean Science / U.S. JGOFS）
铁器时代： 像其他植物一样，浮游植物需要的不仅仅是阳光和二氧化碳为了茁壮成长——它们还需要营养物质，包括铁，这在海洋的某些地方自然是稀缺的。
我们从过去的自然事件中知道，增加这些海域中的铁含量可以显着增加浮游植物的生长。当火山喷发产生的富含铁的火山灰落在海洋表面时，它引发了浮游植物的大量繁殖，足以从太空看到。
“给我半罐铁，我给你一个冰河时代。”
约翰·马丁
这些知识促使海洋学家约翰·马丁（John Martin）提出了一种叫做“铁假说”的东西，该假说认为，用铁“施肥”海洋可以增加吸碳浮游植物的数量——理论上足以冷却整个地球。
“给我半罐铁，我会给你一个冰河时代，”他在1988年的一次演讲中打趣道。
1993年，马丁去世后不久，他在莫斯登陆海洋实验室的同事通过增加太平洋64平方公里的铁浓度来验证这一假设。然后，他们观察了该地区10天，看到植物生物量翻了一番。
“所有生物指标都证实了浮游植物的产量增加，以响应铁的添加，”他们在一篇详细介绍实验的论文中写道。

2022年1月15日，洪加-汤加-洪加-哈派火山喷发，导致该地区浮游植物的数量在两天内增加了10倍。（图片来源：B. Barone 等人，地球物理学研究，2022 年）
从那时起，已经进行了十几次其他海洋肥沃化实验，但即使它们似乎确实导致浮游生物大量繁殖，目前尚不清楚这种方法是否真的有助于应对气候变化。
2009年，能源部劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员通过测量该地区水面以下800米的碳颗粒，追踪了新西兰和南极洲之间南大洋一项重大海洋肥沃化实验的影响，他们的发现并不令人鼓舞。
“仅仅向海洋中添加铁并没有被证明是储存大气碳的好计划，”研究员吉姆毕晓普说。“重要的是到达深海的碳，浮游生物大量繁殖中的许多碳似乎不会下沉得很快或很远。
虽然研究人员仍在试图找出原因，但有许多理论，包括以浮游植物为生的生物的摄食习惯以及海水中铁结合有机化合物的存在。
粒子效率：不过，一些气候科学家还没有准备好放弃海洋肥沃化的想法。
2022 年 11 月，由利兹大学和美国能源部太平洋西北国家实验室的科学家领导的一个国际研究小组发表了一项研究表明，改变我们输送肥料的方式可能是使其发挥作用的关键。
这些研究人员建议我们设计铁纳米颗粒，而不是简单地将硫酸铁添加到海洋表面，这些纳米颗粒具有有助于克服目前阻碍海洋肥沃化发挥其潜力的问题。
我们可以将纳米颗粒涂覆在聚合物中，使它们具有浮力，例如，将它们保持在表面附近以增强浮游植物的吸收。或者赋予它们吸光特性，帮助浮游植物更好地吸收阳光进行光合作用。
研究人员写道，我们甚至可以用铁以外的其他东西来粘合纳米颗粒 - 例如，包括其中的二氧化硅会增加摄入颗粒的浮游植物的密度，并且密度仅增加1%就足以使它们的下沉速度增加一倍。
“检查我们所有的选择，包括将海洋用作CO2下沉，给了我们冷却地球的最佳机会。
迈克尔·霍切拉
虽然研究人员承认，工程纳米颗粒的生产成本明显高于通常用于海洋肥沃化实验的硫酸铁，但它们也将更有效。
“我们的研究表明，在海洋肥沃化中使用几种类型的工程纳米颗粒在生产和交付过程中的成本和二氧化碳排放方面是有希望的，”研究员Peyman Babakhani说。
大局：虽然最近美国能源部支持的研究为海洋肥沃化指明了一条有希望的前进道路，但向海洋中添加足够的铁纳米颗粒以影响气候将是一项艰巨的任务，需要更多的研究来确定它如何影响海洋生态系统。
“大规模施肥可能不仅在局部产生意想不到的和难以预测的影响，而且在空间和时间上也会产生远距离的影响，”深海管理倡议的研究人员说。
与地球工程摆脱气候变化的其他想法一样，也需要考虑公众接受度和政府监管的问题。
目前，还有其他风险较小的方法来封存大气中的碳 - 我们可以种植更多的树木，使农场土壤更加碳需求，并部署在化学过滤器中捕获碳的机器 - 但海洋肥沃化的支持者敦促其他人研究这种选择，以便我们将知道最安全，最有效的部署方法，如果将来需要采取严厉措施。
“在这一点上，时间至关重要，”最近研究的作者Michael Hochella说。“为了应对气温上升，我们必须减少一氧化碳2全球范围内的水平。检查我们所有的选择，包括将海洋用作 CO2下沉，给了我们冷却地球的最佳机会。