Перевод и рерайт статьи Carbon Sequestration 101: Everything You Need to Know
За последние 150 лет количество углекислого газа в атмосфере увеличилось на 30%, что привело к повышению глобальных температур.
Связывание углерода — это процесс улавливания атмосферного углекислого газа и его хранения на Земле. Существует 3 типа связывания углерода:
- Биологическое связывание — это хранение углекислого газа в растительности, обнаруженной в океанах, почвах, лесах и лугах.
- Геологическое связывание — хранение углерода, например, в горных породах.
- Технологическое связывание — это методы с применением новых технологических инноваций, включающие в себя исследования способов использования углерода в качестве ресурса.
Что такое углеродный цикл и почему он важен?
Углерод — это химический элемент, который присутствует во всех живых организмах.
Углерод остается на Земле в неизменном количестве, перемещаясь из атмосферы обратно на Землю, где используется, хранится и высвобождается обратно в атмосферу — это и есть углеродный цикл.
Большая часть углерода Земли хранится в отложениях и горных породах, в то время как остальная часть содержится в атмосфере, океане и живых существах. Природные среды, способные поглощать углекислый газ из атмосферы и хранить его, называются поглотителями углерода. Они поглощают больше углерода, чем выделяют, а значит, снижают концентрацию углекислого газа в атмосфере, сдерживая глобальное потепление.
Избыток углекислого газа возникает при сжигании ископаемого топлива (состоящего из доисторических растений и животных, которые умерли и со временем были встроены в слои горных пород), сжигании биомассы, извержениях вулканов, а также гибели и разложении растительного и животного вещества и других процессах. Это ведет к повышению глобальных температур, подкислению океана и разрушению экосистем Земли.
Почему связывание углерода важно?
Менее чем за 200 лет человечество увеличило уровень углекислого газа в атмосфере на 50%. Около 45% углекислого газа, выделяемого деятельностью человека, все еще находится в атмосфере.
Поэтому технологии связывания углерода весьма актуальны: они могут предотвратить дальнейшее глобальное потепление. Оно уже привело к росту числа лесных пожаров и засух, к более экстремальным погодным явлениям, таянию льдов, повышению уровня моря и другим климатическим бедствиям.
Биологическое связывание углерода
Увеличение биоразнообразия растений значительно повышает связывание углерода.
У растений в экосистемах есть естественная способность накапливать углерод: он может храниться в корневых системах, коре деревьев и стволах, листьях, ветвях и в слоях морских водорослей. Углерод хранится в растительности, найденной в океанах, прибрежных водно-болотных угодьях, лесах, лугах, почвах, торфяных болотах и засушливых регионах, таких как пустыни. Когда растения отмирают или их ветви или листья опадают, углерод, хранящийся в них, либо выбрасывается в атмосферу, либо поглощается почвой.
Леса поглощают атмосферный углекислый газ путем фотосинтеза и хранят его как в живых, так и в мертвых деревьях, их корневых системах, самой лесной подстилке, подлеске и почвах. В совокупности эти углеродные хранилища называются углеродными пулами. Самая высокая плотность углерода наблюдается в живых деревьях, почвах и лесной подстилке.
Обезлесение и лесные пожары нарушают лесные экосистемы, что приводит к выделению связанного углерода обратно в атмосферу.
Леса, пастбища и фермы традиционно захватывают около 25% выбросов углерода.
На пастбищах хранится около 12% наземного углерода Земли, из которых около 81% хранится в почве. Поскольку большая часть углерода, поглощаемого пастбищами, хранится под землей, во время лесных пожаров и засухи поглощенный углерод не так подвержен разрушению и выбросу обратно в атмосферу. Когда сами растения сжигаются, накопленный ими углерод безопасно остается в корнях и почве.
Леса могут хранить больше углерода, чем пастбища. Однако пастбища более устойчивы перед лицом непредсказуемых и часто суровых условий, связанных с изменением климата. Именно поэтому климатические проекты по связыванию углерода в почве более эффективны, чем лесоклиматические.
Каждый год торфяными угодьями планеты поглощается 307 мегатонн углерода, что больше, чем общее накопление углерода всех типов растительности на Земле.
Торфяники состоят из воды и густой растительности и играют решающую роль в хранении углерода. 3% поверхности планеты состоит из торфяников.. Торфяные болота поглощают наибольшее количество углерода из всех типов торфяников.
Запасы углерода в торфяниках могут находиться на глубине до 20 м под землей, и их формирование могло занять тысячи лет. Этим природным сокровищам угрожают повышение температуры, лесные пожары и разработки территорий (например, перевод в сельскохозяйственные угодья). В этих случаях накопленный углерод выбрасывается обратно в атмосферу.
Поскольку в местах, где сосредоточены торфяники температура повышается в 2 раза быстрее, чем в среднем по миру, торфяники высыхают и создают идеальные условия для пожаров.
В почвах углерод хранится в органическом веществе, которое состоит из различных углеродных соединений, содержащихся в разлагающихся тканях животных и растений, грибах, бактериях, нематодах, простейших и углероде из минералов в почве. В органическом веществе почвы углерод хранится в течение нескольких десятилетий.
В пустынных и засушливых регионах мира в результате растворения углекислого газа в воде и просачивания в почву на протяжении тысяч лет образуются карбонаты. Смешиваясь с магнием и кальцием, они образуют минеральные месторождения. Карбонаты способны хранить углерод более 70 000 лет. Ученые добавляют пылевидные силикаты в почву, ускоряя образование карбонатов, чтобы углерод мог храниться дольше.
Поверхностный слой океана поглощает до 30% углекислого газа, выделяемого при сжигании ископаемого топлива.
Фитопланктон, морские водоросли и другие организмы, такие как микроскопические растения, собирают органический углерод и хранят его в отложениях на дне океана. Атмосферный углерод, захваченный и хранящийся прибрежными водно-болотными угодьями, экосистемами и океанами, называется голубым углеродом.
Части океана, которые холоднее и богаты питательными веществами, способны поглощать больше углерода, чем более теплые части океана. Считается, что к 2100 году большая часть мирового океана станет поглотителем углерода, что может изменить химический состав океана и снизить рН воды, в результате чего она станет более кислой.
Геологическое связывание углерода
Этот тип улавливания и хранения углерода предполагает его ввод в геологические образования, такие как пористые породы, чтобы использовать глубокую подземную среду планеты для длительного хранения.
Типы участков геологического связывания углерода включают угольные пласты, глубокие засоленные образования и бывшие резервуары нефти и газа.
Технологическое улавливание и хранение углерода
Улавливания и хранения углекислого газа из ископаемого топлива, производимого деятельностью человека, необходимо, чтобы предотвратить его накопление в атмосфере Земли.
Углерод первоначально улавливается из источника энергии, где он создается, например, с завода по переработке природного газа, электростанции или нефтеперерабатывающего завода, или промышленного источника, такого как цементный или сталелитейный завод.
Как только углекислый газ оказывается в достаточно высокой концентрации, чтобы его можно было отделить, сжать и охладить, он улавливается и транспортируется в виде жидкости по трубопроводу в подходящее место хранения. Затем углерод вводится в геологические образования под землей для длительного хранения. Такая технология именуется Carbon Capture & Storage (CCS).
Кроме улавливания и хранения, углерод можно использовать для производства ряда продуктов, от бетона и пластмасс до топлива для транспортных средств и самолетов, производства графена (материал для изготовления экранов смартфонов) и даже газированных напитков. Этот процесс — улавливание углерода и изготовление из него материалов — называется Carbon Capture, Utilization & Storage (CCUS).
Использование CCUS может способствовать тому, чтобы миллиарды тонн углерода были использованы в широком спектре секторов, вместо того, чтобы выпустить его обратно в атмосферу.
При использовании в производстве таких материалов, как пластик или бетон, углерод может сохраняться в течение десятилетий или столетий. Если он используется для производства топлива или напитков, то вскоре будет выброшен обратно в атмосферу — не самое благоприятное для климата применение. Однако в случае с ископаемым топливом для реактивных двигателей это все же может быть лучшей альтернативой.
Здоровые почвы как способ поглощения углерода
Биологическое связывание углерода является наиболее надежным способом удаления углекислого газа из воздуха. Высокое содержание органического углерода в почве:
- улучшает удержание влаги, дренаж и аэрацию,
- снижает риск потери питательных веществ, эрозии и деградации почвы,
- повышает производительность сельского хозяйства.
Увеличению органического углерода в почве способствуют:
- использование методов земледелия с низкой или нулевой обработкой почвы,
- посадка многолетних культур и севооборот,
- внесение растительных остатков или компоста,
- регулируемый выпас скота.
Более здоровые почвы не нуждаются в столь большом количестве удобрений, чтобы быть продуктивными, т.к. уже имеют достаточный баланс питательных веществ, необходимых для роста растений. Синтетические удобрения, которые были расщеплены почвенными микробами, также могут выделять закись азота — мощный парниковый газ.
Здоровые почвы означают богатую питательными веществами пищу, продуктивный урожай и необходимое хранилище для связанного углерода.
Преимущества биологического связывания углерода очевидны, однако чрезмерные выбросы парниковых газов требуют применения технологических методов — вынужденных и на сегодняшний день весьма дорогостоящих мер
Лучший способ поддержать улавливание углерода — это:
- Сохранять леса, водно-болотные угодья, торфяники и их экосистемы при одновременной рекультивации сельскохозяйственных угодий для восстановления лесов и восстановления дикой среды;
- Сокращать использование пластмасс и других токсичных загрязнителей и предотвращать их попадания в наши океаны, озера и другие водные объекты;
- Совершенствовать методы управления земельными ресурсами и содействовать регенеративному сельскому хозяйству при поэтапном отказе от промышленного сельского хозяйства. Здоровые почвы хранят больше углерода, могут поглощать и удерживать больший объем воды, что делает их более устойчивыми к изменениям климата.
- Выбирать осознанное потребление, многоразовые альтернативы, раздельный сбор отходов, использование возобновляемых источников энергии и т.д.
Таким образом, важно помнить: чтобы предотвратить изменение климата - важен симбиоз науки и практики, государства и бизнеса, а также личная ответственность каждого человека.
Автор: Татьяна Павлова