随着全球变暖的威胁日益严峻，仅靠减少温室气体排放可能不足以应对未来的挑战。为防止全球变暖的最糟糕后果，科学家们在探索并实施从大气中直接移除二氧化碳的方法。一些科学家认为，要避免到2100年气候变化带来的极端影响，大气中的碳移除技术有望成为本世纪末降低全球温度的关键，而这一目标的实现，或许可以借助海洋的巨大潜力。
巨大的潜力
温度的每一次上升都会增加灾难性后果的风险，包括致命的热浪、更强烈的风暴以及由于冰层融化和海平面上升而导致的沿海城市的洪水泛滥等。
陆地上的二氧化碳移除技术，如植树造林、恢复沿海生态系统以及建立直接从空气中捕获二氧化碳的设施，是人类实现减排目标的重要途径。这些陆地方法的碳吸收能力每年总计大约只有100亿吨。当然，在进行这样的计算时，必须确保有足够的土地用于食物生产、水资源保护和生物多样性的维持。这或许足以让我们达到2050年的目标，但之后又该如何呢？
科学家们认为，海洋巨大的碳储存能力或许能发挥重要作用。海洋能够储存的碳量是陆地的19倍，为了提升海洋的碳吸收能力，增加海洋中进行光合作用的生物数量；提高水的碱性，使其能够吸收更多的二氧化碳；在海上建造大型设施，直接从海水中提取碳等方法将有助于更有效地利用海洋这一天然碳汇，为应对气候变化提供新的解决方案。
海洋能够储存的碳量是陆地的19倍，有效地利用这一天然碳汇，或许可以为应对气候变化提供新的方案。视觉中国|图
2023年发表在《自然》（Nature）上的研究揭示，海洋水域可以捕获和储存比之前估计更多的二氧化碳。目前，海洋自然地吸收了世界大约四分之一的碳排放量。这相当于每年将时钟倒回大约三个月。例如，从1万年前到工业革命前夕，大气中的二氧化碳浓度约为280ppm（百万分之一）。但在上次冰河期的高峰，大约2万年前，这个浓度仅为180ppm。冰河期“缺失”的100ppm二氧化碳都被储存在了海洋中。大约在60年前，大气中的二氧化碳水平也比今天低100ppm。换句话说，自然海洋吸收有能力将时钟倒退多达60年。有了基于海洋的二氧化碳移除，时钟甚至可以倒退得更远。但潜力并不是证据，二氧化碳移除技术大都处于早期阶段。
不确定性问题
虽然海洋的碳储存能力是巨大的，但海洋中的二氧化碳移除技术在很大程度上尚未经过测试——从这个意义上说，海洋的浩瀚既是一个优势，也是一个劣势。海水复杂且始终处于运动状态，使得化学变化极其难以监测。而且，对于海洋的大片区域，科研人员几乎没有基线数据，这将使得评估碳去除效果变得困难。此外，极端天气也会给海洋除碳带来一定的影响。
得克萨斯大学奥斯汀分校领衔的一项研究发现，极端的全球变暖可能会削弱海洋吸收二氧化碳的能力，导致温室气体在大气中积累，从而加速全球变暖。这种下降发生的原因是，在极端变暖期间出现的低碱性表层水阻碍了海洋吸收二氧化碳的能力。
研究人员对最坏排放情景进行了气候模拟，结果发现，如果不采取任何抑制措施，到2100年，海洋吸收二氧化碳的能力将达到峰值，到2300年，吸收这种温室气体的效率将降至原来的一半。这种下降发生的原因是海洋表面出现了一层低碱性的表层水，阻碍了海洋吸收二氧化碳的能力。尽管研究中使用的排放情景，在全球努力限制温室气体排放的努力下不太可能发生，但研究结果揭示了一个以前未知的转折点。该研究中提到，需要考虑这些最坏的情况，以了解二氧化碳排放可能如何影响海洋，不仅仅是在这个世纪，还有下个世纪和随后的世纪。这项研究2023年发表在《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）上。
目前，海洋吸收了人类产生的大约三分之一的二氧化碳排放。此前的气候模拟已经显示，海洋会随着时间减慢对二氧化碳的吸收，但没有人考虑过碱性问题。
得克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员重新计算模拟了450年的变化情况，结果发现碱性是减缓的关键原因。根据研究结果，这种效应始于极端气候变化，加剧了降雨并减慢了洋流。这使得海洋表面被一层温暖的淡水覆盖，这就导致表层水不容易与下面较冷、碱性更强的水混合。随着表层对二氧化碳的饱和度增加，其碱性下降，随之其吸收二氧化碳的能力也下降。最终结果是形成了一个像屏障一样的表层，阻碍了二氧化碳的吸收。这意味着更少的温室气体进入海洋，更多的气体留在了大气中。这反过来又产生了更快的变暖，维持并加强了低碱性表层。
这一发现是一个有力的提醒，世界需要减少其二氧化碳排放，以避免越过这个和其他的转折点。其次，气候变化问题可能因尚未知晓的因素而加剧，但是这项特定研究揭示的海洋气候反馈机制将开辟新的研究途径，这将帮助科学家更好地理解碳循环、过去的气候变化，并可能为未来的问题提出解决方案。
无独有偶，麻省理工学院的研究人员2024年7月发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的研究也发现，随着气候变化的加剧，预计海洋的翻转环流将减弱，这将导致海洋从大气中吸收的二氧化碳量减少。这种环流放缓可能不仅减少了二氧化碳的吸收，还会因为深海碳的释放而加剧大气中的二氧化碳积累。这种变化与海洋中铁的可用性、上升的碳和营养物质、表层微生物以及一类称为“配体”的分子之间的复杂反馈机制有关。当海洋环流减慢时，这些因素相互作用，形成自我维持的循环，最终导致海洋向大气中释放更多的碳。这些发现要求科研人员重新考虑海洋环流和其储存碳能力的长期关系。
人类不能依赖海洋在未来环流变化时在深海中储存碳的能力，而应该立即积极减少排放，而不是依赖自然过程来争取时间缓解气候变化。该研究团队在2020年发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）的另一项研究中，通过“盒子”模型探讨了海洋营养物质、铁和配体如何影响全球浮游植物的生长。模型显示，即使向海洋中添加额外的铁，由于配体的限制，对全球浮游植物生长的影响也有限。铁只有在与配体结合时才具有可溶性，可供浮游植物吸收。向一个区域添加铁会减少其他区域的营养物质，影响配体的生产，从而限制了海洋从大气中吸收额外碳的能力。
该团队的持续研究通过分析不同海洋环流强度下的生物活动和关键物质浓度，揭示了一个重要的反馈机制：当海洋环流减弱时，从深海上升的碳和营养物质减少，导致表层的浮游植物生长资源匮乏，进而减少了它们产生的配体等副产品。配体的减少又导致表层铁的可用性降低，这进一步抑制了浮游植物的数量，减少了它们吸收大气中二氧化碳和消耗从深海上升的碳的能力。
这些发现揭示出海洋生物学与气候变化之间的关系比我们之前认识的要复杂得多。一些气候模型预计，由于冰盖融化，特别是南极洲周围的冰盖，海洋环流可能会减缓30%。这种环流的大幅减缓可能会导致海洋吸收大气中人为排放的二氧化碳的能力下降，并且由于深海碳的净释放，这种减少可能会被放大，从而导致大气中二氧化碳含量意外增加，引起意料之外的进一步气候变暖。因此，需要更加仔细地研究海洋生物学如何影响气候，并积极采取措施减少温室气体排放，以应对这些潜在的气候问题。