Удобрение железом - Iron fertilization

Цветение океанического фитопланктона в южной части Атлантического океана у побережья Аргентины занимает площадь около 300 на 50 миль (500 на 80 км).

Удобрение железом - это преднамеренное введение железа в бедные железом районы поверхности океана для стимулирования производства фитопланктона . Это предназначено для повышения биологической продуктивности и / или ускорения выбросов углекислого газа ( CO
2
) изоляция
от атмосферы.

Железо - это микроэлемент, необходимый для фотосинтеза растений. Он очень нерастворим в морской воде и в различных местах является ограничивающим питательным веществом для роста фитопланктона. Обильное цветение водорослей может быть вызвано поступлением железа в океанские воды с дефицитом железа. Эти цветы могут питать другие организмы.

Множество океанских лабораторий, ученых и предприятий изучали оплодотворение. Начиная с 1993 года тринадцать исследовательских групп завершили океанские испытания, демонстрирующие, что цветение фитопланктона может быть стимулировано увеличением содержания железа. Споры остаются по поводу эффективности атмосферного CO.
2
секвестрация и экологические последствия. Последние испытания удобрения океаническим железом в открытом океане проводились в 2009 году (с января по март) в Южной Атлантике в рамках проекта Lohafex , а в июле 2012 года в северной части Тихого океана у побережья Британской Колумбии , Канада, компанией Haida Salmon Restoration Corporation ( HSRC ).

Оплодотворение происходит естественным путем, когда апвеллинг выносит на поверхность богатую питательными веществами воду, как это происходит, когда океанские течения встречаются с берегом океана или морской горой . Эта форма удобрения создает крупнейшие в мире морские ареалы . Удобрение также может происходить, когда погода переносит пыль, переносимую ветром, на большие расстояния над океаном или когда богатые железом минералы переносятся в океан ледниками , реками и айсбергами.

История

Рассмотрение важности железа для роста фитопланктона и фотосинтеза восходит к 1930-м годам, когда английский биолог Джозеф Харт предположил, что огромные «пустынные зоны» океана (области, явно богатые питательными веществами, но не имеющие активности планктона или другой морской жизни) могут быть дефицитными по железу. Небольшие научные дискуссии велись до 1980-х годов, когда океанограф Джон Мартин из Морских лабораторий Moss Landing возобновил полемику по этой теме своим анализом питательных веществ в морской воде. Его исследования подтвердили гипотезу Харта. Эти «пустынные» районы стали называть зонами «с высоким содержанием питательных веществ и низким содержанием хлорофилла» ( HNLC ).

Джон Гриббин был первым ученым, который публично предположил, что изменение климата можно уменьшить, добавив в океаны большое количество растворимого железа. Колкая шутка Мартина 1988 года, сделанная четырьмя месяцами позже в Океанографическом институте Вудс-Хоул : «Дайте мне половину цистерны с железом, и я дам вам ледниковый период» , - потребовала десятилетия исследований.

Полученные данные свидетельствуют о том, что дефицит железа ограничивает продуктивность океана, а также предлагают подход к смягчению последствий изменения климата . Возможно, наиболее убедительным подтверждением гипотезы Мартина стало извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году . Ученый-эколог Эндрю Уотсон проанализировал глобальные данные об этом извержении и подсчитал, что в результате этого извержения в океаны попало около 40 000 тонн железной пыли . Этому единственному удобрению предшествовало легко наблюдаемое глобальное снижение содержания CO в атмосфере.
2
и параллельное импульсное повышение уровня кислорода .

В 2008 году стороны Лондонской конвенции о сбросах отходов приняли необязательную резолюцию по удобрению (обозначенную как LC-LP.1 (2008)). В резолюции говорится, что деятельность по удобрению океана, кроме законных научных исследований, «должна рассматриваться как противоречащая целям Конвенции и Протокола и в настоящее время не подпадающая под какое-либо исключение из определения сброса». Схема оценки научных исследований, связанных с удобрением океана, регулирующая сброс отходов в море (обозначенная как LC-LP.2 (2010)), была принята договаривающимися сторонами Конвенции в октябре 2010 года (LC 32 / LP 5).

Методы

Есть два способа проведения искусственного удобрения железом: с корабля прямо в океан и атмосферное развертывание.

Развертывание на кораблях

Испытания удобрения океана с использованием сульфата железа, добавляемого непосредственно в поверхностные воды с судов, подробно описаны в разделе экспериментов ниже.

Атмосферный источник

Богатая железом пыль, поднимающаяся в атмосферу, является основным источником удобрения океана железом. Например, уносимая ветром пыль из пустыни Сахара удобряет Атлантический океан и тропические леса Амазонки . Встречающийся в природе оксид железа в атмосферной пыли реагирует с хлористым водородом из морских брызг с образованием хлорида железа, который разлагает метан и другие парниковые газы, осветляет облака и, в конечном итоге, выпадает с дождем в низкой концентрации на обширной территории земного шара. В отличие от корабельного развертывания, никаких испытаний по увеличению естественного уровня атмосферного железа не проводилось. Расширение этого атмосферного источника железа могло бы дополнить развертывание на кораблях.

Одно из предложений - повысить уровень железа в атмосфере с помощью аэрозоля соли железа . Хлорид железа (III), добавленный в тропосферу, может усилить эффекты естественного охлаждения, включая удаление метана , осветление облаков и удобрение океана, помогая предотвратить или обратить вспять глобальное потепление.

Эксперименты

Мартин предположил, что усиление фотосинтеза фитопланктона может замедлить или даже обратить вспять глобальное потепление за счет секвестрации CO.
2
в море. Вскоре после этого он умер во время подготовки к Ironex I, доказательству концептуального исследовательского рейса, который был успешно проведен у Галапагосских островов в 1993 году его коллегами из Moss Landing Marine Laboratories . После этого это явление было изучено в 12 международных океанографических исследованиях:

  • Ironex II, 1995 г.
  • SOIREE (Эксперимент по высвобождению железа в Южном океане), 1999 г.
  • EisenEx (Железный эксперимент), 2000
  • SEEDS (Субарктический Тихоокеанский эксперимент с железом для изучения динамики экосистем), 2001 г.
  • SOFeX (эксперименты с железом в Южном океане - Север и Юг), 2002 г.
  • СЕРИЯ (Реакция субарктической экосистемы на исследование обогащения железом), 2002 г.
  • СЕМЕНА-II, 2004
  • EIFEX (Европейский эксперимент по удобрению железом). Успешный эксперимент, проведенный в 2004 году в мезомасштабном океаническом водовороте в Южной Атлантике, привел к цветению диатомовых водорослей , большая часть которых погибла и опустилась на дно океана, когда оплодотворение закончилось. В отличие от эксперимента LOHAFEX, который также проводился в мезомасштабном водовороте, океан в выбранной области содержал достаточно растворенного кремния, чтобы диатомовые водоросли могли процветать.
  • CROZEX (CROZet Natural Iron Bloom and Export Experiment), 2005 г.
  • Пилотный проект, запланированный американской компанией Planktos , был отменен в 2008 году из-за отсутствия финансирования. Компания обвинила в провале экологические организации.
  • LOHAFEX ( Индийский и немецкий эксперимент по внесению железных удобрений), 2009 г. Несмотря на широкую оппозицию LOHAFEX, 26 января 2009 г. Федеральное министерство образования и исследований Германии (BMBF) дало разрешение. Эксперимент проводился в воде с низким содержанием кремниевой кислоты , необходимого питательного вещества для роста диатомовых водорослей. Это повлияло на эффективность секвестрации . Часть юго-западной Атлантики площадью 900 квадратных километров (350 квадратных миль) была удобрена сульфатом железа . Спровоцировано крупное цветение фитопланктона. В отсутствие диатомовых водорослей было секвестрировано относительно небольшое количество углерода, потому что другой фитопланктон уязвим для хищничества зоопланктона и не тонет быстро после смерти. Эти неудовлетворительные результаты по связыванию привели к предположению, что удобрение не является эффективной стратегией снижения выбросов углерода в целом. Однако предыдущие эксперименты по удобрению океана в местах с высоким содержанием кремнезема показали гораздо более высокие скорости связывания углерода из-за роста диатомовых водорослей. Подтвержденный LOHAFEX потенциал секвестрации сильно зависит от подходящего места.
  • Haida Salmon Restoration Corporation (HSRC), 2012 г. - финансируемая группой Old Massett Haida и управляемая Рассом Джорджем - сбросила 100 тонн сульфата железа в Тихий океан в водоворот в 200 морских милях (370 км) к западу от островов Хайда-Гвайи . Это привело к увеличению роста водорослей на площади более 10 000 квадратных миль (26 000 км 2 ). Критики утверждали, что действия Джорджа нарушают Конвенцию Организации Объединенных Наций о биологическом разнообразии (CBD) и Лондонскую конвенцию о сбросе отходов в море, которая запрещает такие геоинженерные эксперименты. 15 июля 2014 г. полученные научные данные были опубликованы.

Наука

Максимально возможный результат от удобрения железом, при условии наиболее благоприятных условий и без учета практических соображений, составляет 0,29 Вт / м 2 глобального усредненного отрицательного воздействия, что компенсирует 1/6 нынешних уровней антропогенного CO.
2
выбросы. Эти преимущества были поставлены под сомнение исследованиями, предполагающими, что удобрение железом может истощать другие важные питательные вещества в морской воде, вызывая снижение роста фитопланктона в других местах - другими словами, концентрация железа ограничивает рост в более локальном масштабе, чем в глобальном масштабе.

Роль железа

Около 70% поверхности мира покрыто океанами. Часть их, куда может проникать свет, населена водорослями (и другими морскими обитателями). В некоторых океанах рост и размножение водорослей ограничивается количеством железа. Железо является жизненно важным микроэлементом для роста фитопланктона и фотосинтеза , который исторически был доставлен в пелагиали моря от пыльных бурь из засушливых земель. Эта эоловая пыль содержит 3–5% железа, и за последние десятилетия ее осаждение сократилось почти на 25%.

Отношение Редфилда описывает относительные атомные концентрации критических питательных веществ в биомассе планктона и обычно обозначается как «106 C: 16 N: 1 P.» Это выражает тот факт, что один атом фосфора и 16 азота необходимы для « фиксации » 106 атомов углерода (или 106 молекул CO.
2
). Исследования расширили эту константу до «106 C: 16 N: 1 P: 0,001 Fe», что означает, что в условиях дефицита железа каждый атом железа может зафиксировать 106 000 атомов углерода, или в пересчете на массу каждый килограмм железа может зафиксировать 83 000 кг. диоксида углерода. Эксперимент EIFEX 2004 года показал, что отношение экспорта углекислого газа к железу составляет почти 3000: 1. Атомное соотношение будет примерно: «3000 C: 58000 N: 3600 P: 1 Fe».

Следовательно, небольшое количество железа (измеряемое в массовых частях на триллион) в зонах HNLC может вызвать крупное цветение фитопланктона, порядка 100 000 килограммов планктона на килограмм железа. Размер частиц железа имеет решающее значение. Частицы размером 0,5–1 мкм или меньше кажутся идеальными как с точки зрения скорости оседания, так и с точки зрения биодоступности. Такие маленькие частицы легче усваиваются цианобактериями и другим фитопланктоном, а взбалтывание поверхностных вод удерживает их на эвфотических или освещенных солнцем биологически активных глубинах, не опускаясь на длительное время.

Атмосферное осаждение - важный источник железа. Спутниковые изображения и данные (такие как PODLER, MODIS, MSIR) в сочетании с анализом обратной траектории позволили идентифицировать естественные источники железосодержащей пыли. Железосодержащая пыль вымывается из почвы и переносится ветром. Хотя большинство источников пыли расположены в Северном полушарии, самые крупные источники пыли расположены в Северной и Южной Африке, Северной Америке, Центральной Азии и Австралии.

Гетерогенные химические реакции в атмосфере изменяют состав железа в пыли и могут влиять на биодоступность осажденного железа. Растворимая форма железа в аэрозолях намного выше, чем в почве (~ 0,5%). Несколько фотохимических взаимодействий с растворенными органическими кислотами увеличивают растворимость железа в аэрозолях. Среди них важное значение имеет фотохимическое восстановление связанного с оксалатом Fe (III) из железосодержащих минералов. Органический лиганд образует поверхностный комплекс с металлическим центром Fe (III) железосодержащего минерала (такого как гематит или гетит ). Под воздействием солнечного излучения комплекс переходит в возбужденное энергетическое состояние, в котором лиганд, действуя как мостик и донор электронов , поставляет электрон на Fe (III), образуя растворимый Fe (II). В соответствии с этим, исследования документально подтвердили отчетливую разницу концентраций Fe (II) и Fe (III), при которой дневные концентрации Fe (II) превышают концентрации Fe (III).

Вулканический пепел как источник железа

Вулканический пепел играет важную роль в снабжении мирового океана железом. Вулканический пепел состоит из осколков стекла, пирогенных минералов, каменных частиц и других форм пепла, которые выделяют питательные вещества с разной скоростью в зависимости от структуры и типа реакции, вызванной контактом с водой.

Увеличение количества биогенного опала в осадках связано с увеличением накопления железа за последний миллион лет. В августе 2008 года в результате извержения на Алеутских островах в северо-восточной части Тихого океана с ограниченным содержанием биогенных веществ образовался пепел. Это осаждение золы и железа привело к одному из самых масштабных цветений фитопланктона, наблюдаемых в субарктике.

Связывание углерода

Обмен CO между воздухом и морем
2

Предыдущие случаи биологического связывания углерода вызвали серьезные климатические изменения, понизив температуру планеты, такие как событие Азолла . Планктон, образующий скелеты карбоната кальция или кремния , такие как диатомовые водоросли , кокколитофориды и фораминиферы , вызывает наибольшее прямое связывание. Когда эти организмы умирают, их карбонатные скелеты относительно быстро опускаются и образуют основной компонент богатых углеродом глубоководных осадков, известных как морской снег . Морской снег также содержит гранулы рыбных фекалий и другой органический детрит, и он неуклонно опускается на тысячи метров ниже уровня активного цветения планктона.

Из богатой углеродом биомассы, генерируемой цветением планктона, половина (или более) обычно потребляется пастбищными организмами ( зоопланктон , криль , мелкая рыба и т. Д.), Но 20-30% опускается ниже 200 метров (660 футов) в более холодную воду. пласты ниже термоклина . Большая часть этого фиксированного углерода уходит в бездну, но значительная его часть повторно растворяется и реминерализуется. Однако на этой глубине этот углерод теперь взвешен в глубоких течениях и на века эффективно изолирован от атмосферы. (Время цикла от поверхности до бентоса в океане составляет примерно 4000 лет.)

Анализ и количественная оценка

Оценка биологических эффектов и проверка количества углерода, фактически поглощенного каким-либо конкретным цветением, включает в себя множество измерений, сочетающих отбор проб с судов и дистанционный отбор проб, подводные фильтрующие ловушки, спектроскопию с отслеживающими буями и спутниковую телеметрию . Непредсказуемые океанические течения могут удалить экспериментальные железные пятна из пелагиали, сделав эксперимент недействительным.

Потенциал удобрений в борьбе с глобальным потеплением иллюстрируется следующими цифрами. Если фитопланктон преобразовал все нитраты и фосфаты, присутствующие в поверхностном смешанном слое по всему циркумполярному течению Антарктики, в органический углерод , образовавшийся дефицит диоксида углерода можно было бы компенсировать за счет поглощения из атмосферы примерно от 0,8 до 1,4 гигатонн углерода в год. Это количество сравнимо по величине с годовым объемом сжигания ископаемого топлива в результате антропогенного воздействия, составляющим примерно 6 гигатонн. Район антарктического циркумполярного течения - один из нескольких регионов, в которых можно было бы проводить удобрение железом, - районы Галапагосских островов - еще одно потенциально подходящее место.

Диметилсульфид и облака

Схематическая диаграмма гипотезы CLAW (Charlson et al. , 1987)

Некоторые виды планктона производят диметилсульфид (ДМС), часть которого попадает в атмосферу, где окисляется гидроксильными радикалами (ОН), атомарным хлором (Cl) и монооксидом брома (BrO) с образованием частиц сульфата и потенциально увеличивает облачность. . Это может увеличить альбедо планеты и, таким образом, вызвать охлаждение - этот предполагаемый механизм является центральным в гипотезе CLAW . Это один из примеров, который Джеймс Лавлок использовал для иллюстрации своей гипотезы Гайи .

Во время SOFeX концентрации ДМС внутри удобренного участка увеличивались в четыре раза. Широкомасштабное удобрение железом Южного океана может привести к значительному похолоданию, вызванному серой, в дополнение к тому, что из-за CO
2
поглощение и это из-за увеличения альбедо океана, однако степень охлаждения этим конкретным эффектом очень неопределенна.

Финансовые возможности

Начиная с Киотского протокола , несколько стран и Европейский Союз создали рынки компенсации выбросов углерода, на которых торгуются сертифицированные кредиты на сокращение выбросов (ССВ) и другие типы инструментов углеродного кредита. В 2007 г. ССВ продавались примерно по цене 15–20 евро за тонну CO.e
2
. Внесение железных удобрений относительно недорогое по сравнению с очисткой , прямым впрыском и другими промышленными подходами и теоретически может изолировать менее 5 евро за тонну CO.
2
, создавая значительную прибыль. В августе 2010 года Россия установила минимальную цену зачетов в размере 10 евро за тонну, чтобы снизить неопределенность для поставщиков зачетов. Ученые сообщили о снижении мирового производства планктона на 6–12% с 1980 года. Полномасштабная программа восстановления планктона может восстановить примерно 3-5 миллиардов тонн улавливающих мощностей на сумму 50-100 миллиардов евро в качестве компенсации выбросов углерода . Тем не менее, исследование 2013 года показывает, что соотношение затрат и выгод от железных удобрений ставит их за улавливание и хранение углерода, а также за налоги на углерод.

Определения секвестрации

Углерод не считается «изолированным», если он не оседает на дно океана, где он может оставаться в течение миллионов лет. Большая часть углерода, который опускается под цветение планктона, растворяется и реминерализуется над морским дном и в конечном итоге (от нескольких дней до столетий) возвращается в атмосферу, сводя на нет первоначальную пользу.

Защитники утверждают, что современные климатологи и политики Киотского протокола определяют секвестрацию в гораздо более короткие сроки. Например, деревья и луга считаются важными поглотителями углерода . Лесная биомасса улавливает углерод в течение десятилетий, но углерод, который опускается ниже морского термоклина (100–200 метров), удаляется из атмосферы в течение сотен лет, независимо от того, реминерализован он или нет. Поскольку глубоководным океанским течениям требуется так много времени, чтобы всплыть на поверхность, содержание углерода в них эффективно улавливается критерием, используемым сегодня.

Дебаты

В то время как удобрение океана железом может представлять собой мощное средство замедлить глобальное потепление, текущие дебаты вызывают множество опасений.

Принцип предосторожности

Принцип предосторожности (PP) гласит, что если действие или политика предполагают риск причинения вреда при отсутствии научного консенсуса , бремя доказательства того, что это не вредно, ложится на тех, кто будет принимать меры. Побочные эффекты крупномасштабного удобрения железом еще не определены количественно. Создание цветения фитопланктона в бедных железом районах похоже на полив пустыни: по сути, он меняет один тип экосистемы на другой. Этот аргумент можно применить в обратном порядке, рассматривая выбросы как действие, а восстановление как попытку частично компенсировать ущерб.

Сторонники удобрения отвечают, что цветение водорослей происходило в естественных условиях в течение миллионов лет без каких-либо наблюдаемых негативных последствий. Событие Azolla произошло около 49 миллионов лет назад и сделал то , что оплодотворение предназначено для достижения (но в большем масштабе).

Уменьшение фитопланктона в ХХ веке

В то время как сторонники утверждают, что добавление железа поможет обратить вспять предполагаемое сокращение фитопланктона, это снижение может быть нереальным. В одном исследовании сообщалось о снижении продуктивности океана по сравнению с периодами 1979–1986 и 1997–2000 годов, но в двух других было обнаружено увеличение фитопланктона. Исследование прозрачности океана с 1899 года и измерения хлорофилла in situ в 2010 году пришли к выводу, что медианы океанического фитопланктона уменьшались на ~ 1% в год в течение этого столетия.

Экологические проблемы

Цветение водорослей

«Красный прилив» у побережья Ла-Хойи, Сан-Диего, Калифорния .

Критики обеспокоены тем, что удобрение приведет к вредоносному цветению водорослей (ВЦВ). Виды, которые наиболее сильно реагируют на оплодотворение, различаются в зависимости от местоположения и других факторов и, возможно, могут включать виды, вызывающие красные приливы и другие токсические явления. Эти факторы влияют только на прибрежные воды, хотя они показывают, что увеличение популяции фитопланктона не всегда благоприятно.

Большинство видов фитопланктона безвредны или полезны, учитывая, что они составляют основу морской пищевой цепи. Внесение удобрений увеличивает фитопланктон только в открытых океанах (вдали от берега), где дефицит железа значительный. Большинство прибрежных вод изобилуют железом, и добавление большего количества не имеет никакого полезного эффекта.

Однако исследование 2010 года по удобрению железом в океанической среде с высоким содержанием нитратов и низким содержанием хлорофилла показало, что удобренные виды Pseudo-nitzschia diatom spp., Которые , как правило, не токсичны в открытом океане, начали производить токсичные уровни домовой кислоты . Даже недолговечные цветы, содержащие такие токсины, могут иметь пагубные последствия для морских пищевых сетей.

Экосистемные эффекты

В зависимости от состава и времени доставки, инфузии железа могут предпочтительно благоприятствовать определенным видам и изменять поверхностные экосистемы с неизвестным эффектом. Взрывы популяций медуз , которые нарушают пищевую цепочку, влияя на популяции китов или рыболовство, маловероятны, поскольку эксперименты по удобрению железом проводятся в водах с высоким содержанием питательных веществ и низким содержанием хлорофилла, которые способствуют росту более крупных диатомовых водорослей, а не мелких жгутиконосцев. Было показано, что это приводит к увеличению численности рыб и китов над медузами. Исследование 2010 года показало, что обогащение железом стимулирует производство токсичных диатомовых водорослей в областях с высоким содержанием нитратов и низким содержанием хлорофилла, что, по мнению авторов, вызывает «серьезные опасения по поводу чистой выгоды и устойчивости крупномасштабных удобрений железом». Азот, выделяемый китообразными, и хелат железа являются значительным преимуществом для морской пищевой цепи в дополнение к улавливанию углерода в течение длительных периодов времени.

Закисление океана

В исследовании 2009 года была проверена способность удобрения железом снижать выбросы CO 2 в атмосфере и кислотность океана с использованием глобальной модели углерода в океане. Исследование показало, что оптимизированный режим внесения питательных микроэлементов снизит прогнозируемое увеличение содержания CO 2 в атмосфере более чем на 20 процентов. К сожалению, воздействие на подкисление океана будет раздельным: подкисление поверхностных вод снизится, но подкисление глубин океана усилится.

Смотрите также

использованная литература

Изменение океанических процессов

Микроэлементы железа и продуктивность океана

Связывание углерода биомассой океана

Моделирование углеродного цикла океана

дальнейшее чтение

Секретариат Конвенции о биологическом разнообразии (2009 г.). Научный синтез воздействия удобрения океана на морское биоразнообразие. Монреаль, Техническая серия № 45, 53 страницы

Техника

Контекст

Дебаты