Введение

Экологическая концепция
информация о схемах оплодотворения океана в целом (не только железом)

Оплодотворение океана железом – это намеренное внесение соединений, содержащих железо (например, сульфата железа), в районы поверхности океана с низким содержанием железа для стимуляции производства фитопланктона. Это делается с целью повышения биологической продуктивности и/или ускорения секвестрации углекислого газа из атмосферы. Железо – это микроэлемент, необходимый для фотосинтеза растений. Оно плохо растворимо в морской воде и во многих районах является лимитирующим питательным веществом для роста фитопланктона. При добавлении железа в дефицитные океанские воды можно создать крупные вспышки водорослей. Эти вспышки могут служить пищей для других организмов. Оплодотворение океана железом является примером геоинженерной технологии. Оно направлено на стимулирование роста фитопланктона, который удаляет углерод из атмосферы, по крайней мере, на определенный период времени. Этот метод вызывает споры, поскольку недостаточно изучены его полные последствия для морской экосистемы, включая побочные эффекты и возможные значительные отклонения от ожидаемого поведения. К таким последствиям потенциально относятся выбросы оксидов азота и нарушение баланса питательных веществ в океане. С 1990 года было проведено 13 крупных экспериментов для оценки эффективности и возможных последствий оплодотворения океана железом. Исследование 2017 года показало, что эффективность данного метода не доказана; эффективность секвестрации низкая, иногда эффект отсутствует, а количество отложений железа, необходимое для незначительного сокращения выбросов углерода, составляет миллионы тонн в год. Примерно 25% поверхности океана содержит достаточное количество макроэлементов, но при этом биомасса растений (определяемая по содержанию хлорофилла) невелика. Производство в этих водах с высоким содержанием питательных веществ и низким содержанием хлорофилла (HNLC) в основном ограничено микроэлементами, особенно железом. Затраты на распределение железа по обширным океанским районам велики по сравнению с ожидаемой стоимостью углеродных кредитов. Исследования начала 2020-х годов показали, что он может постоянно секвестрировать лишь небольшое количество углерода.

Роль железа в углеродных поглощениях

Океанское внесение железа является примером геоинженерной технологии, включающей намеренное введение богатых железом отложений в океаны с целью повышения биологической продуктивности организмов в океанических водах для увеличения поглощения углекислого газа из атмосферы, что потенциально может способствовать смягчению последствий глобального потепления. Железо – это микроэлемент в океане, и его присутствие необходимо для фотосинтеза растений, особенно фитопланктона, поскольку доказано, что дефицит железа может ограничивать продуктивность океана и рост фитопланктона. Именно поэтому в конце 1980-х годов Мартин выдвинул "железную гипотезу", согласно которой изменение поступления железа в обеднённые железом морские воды может стимулировать рост планктона и существенно повлиять на концентрацию атмосферного углекислого газа, изменяя скорость секвестрации углерода. На самом деле, удобрение – это важный процесс, происходящий естественным образом в океанических водах. Например, восходящие течения могут поднимать на поверхность богатые питательными веществами отложения. Другой пример – перенос железных минералов, пыли и вулканического пепла на большие расстояния реками, ледниками или ветром. Более того, предполагается, что киты могут переносить богатую железом океанскую пыль на поверхность, где планктон использует её для роста. Показано, что сокращение численности кашалотов в Южном океане привело к уменьшению поглощения углерода из атмосферы на 200 000 тонн в год, возможно, из-за замедления роста фитопланктона.

Захват углерода фитопланктоном

Фитопланктон фотосинтезирует: для роста ему необходим солнечный свет и питательные вещества, при этом он поглощает углекислый газ. Планктон способен поглощать и секвестировать атмосферный углерод, формируя карбонат кальция или кремния. Когда эти организмы погибают, они опускаются на дно океана, где их карбонатные скелеты могут стать основной составляющей богатых углеродом глубоководных осадков, образующихся на глубине тысяч метров под цветением планктона, известным как "морской снег". Тем не менее, согласно определению, углерод считается "секвестированным" только после отложения на дне океана, где он может сохраняться в течение миллионов лет. Однако большая часть богатой углеродом биомассы, образующейся из планктона, обычно потребляется другими организмами (мелкой рыбой, зоопланктоном и т.д.), а существенная часть оставшихся отложений, опускающихся из-под цветения планктона, может повторно растворяться в воде и переноситься на поверхность, откуда в конечном итоге возвращается в атмосферу, тем самым сводя на нет любые потенциальные эффекты, связанные с секвестрацией углерода. Тем не менее, сторонники идеи обогащения железом считают, что секвестрацию углерода следует переопределить, рассматривая более короткие временные рамки, и утверждают, что поскольку углерод находится во взвешенном состоянии в глубоких слоях океана, он эффективно изолирован от атмосферы на протяжении сотен лет, и, следовательно, секвестрация углерода возможна.

Эффективность и проблемы

При идеальных условиях, верхняя оценка возможного эффекта от удобрения океана железом в замедлении глобального потепления составляет около 0,3 Вт/м² в среднем отрицательного воздействия, что может компенсировать примерно 15–20% текущих антропогенных выбросов. Однако, несмотря на то, что этот подход может показаться простым способом снижения концентрации в атмосфере, удобрение океана железом остается весьма спорным и активно обсуждаемым из-за возможных негативных последствий для морских экосистем. Исследования в этой области показали, что внесение больших количеств железосодержащей пыли на дно океана может существенно нарушить баланс питательных веществ в океане и вызвать серьезные осложнения в пищевой цепи для других морских организмов.

Методы

Существуют два способа проведения искусственного оплодотворения железом: непосредственное внесение в океан с корабля и атмосферное рассеивание.

Развертывание на судне

Испытания по оплодотворению океана с использованием сульфата железа, добавляемого непосредственно в поверхностные воды с кораблей, подробно описаны в разделе "Эксперименты", представленном ниже.

IRONEX I

За этим экспериментом последовал более масштабный полевой эксперимент (IRONEX I), в ходе которого 445 кг железа было добавлено в участок океана вблизи Галапагосских островов. Концентрация фитопланктона в экспериментальной зоне увеличилась в три раза. Успех этого и других экспериментов привел к предложениям использовать эту технологию для удаления углекислого газа из атмосферы.

Изоль

В 2000 и 2004 годах сульфат железа был выпущен из EisenEx. От 10 до 20 процентов образовавшейся в результате цветения водорослей погибли и опустились на морское дно.

Коммерческие проекты

Planktos была американской компанией, которая отказалась от планов проведения 6 экспедиций по внесению железа в океан с 2007 по 2009 год, в ходе каждой из которых планировалось растворить до 100 тонн железа на площади 10 000 км2. Их судну Weatherbird II было отказано во входе в порт Лас-Пальмас на Канарских островах, где оно должно было загрузить провизию и научное оборудование. В 2007 году коммерческие компании, такие как Climos и GreenSea Ventures, а также австралийская Ocean Nourishment Corporation, планировали реализовывать проекты по удобрению океана. Эти компании привлекали экологически ориентированных спонсоров для финансирования своей деятельности в обмен на предоставление углеродных кредитов для компенсации выбросов CO2 инвесторами.

Лохафекс

LOHAFEX был экспериментом, инициированным Федеральным министерством исследований Германии и проведенным немецким Институтом Альфреда Вегенера (AWI) в 2009 году для изучения удобрения в Южной Атлантике. Индия также принимала участие. В рамках эксперимента немецкое исследовательское судно "Полярстерн" внесло 6 тонн сульфата железа на площадь 300 квадратных километров. Предполагалось, что вещество распространится в верхних слоях воды и вызовет вспышку фитопланктона. Значительная часть углекислого газа, растворенного в морской воде, должна была быть поглощена растущей вспышкой и осесть на дно океана. Федеральное министерство охраны окружающей среды потребовало остановить эксперимент, частично из-за опасений экологов о возможном ущербе морским растениям. Другие предсказывали долгосрочные последствия, которые не удастся обнаружить в ходе краткосрочных наблюдений, или что это может стимулировать масштабные манипуляции с экосистемой. Ненадежный источник: дата=май 2021

2012 год

В 2012 году исследование внесло железное удобрение в вихрь вблизи Антарктиды. В результате возникшей вспышки водорослей значительное количество углерода было отправлено в глубоководные слои океана, где, как ожидалось, оно останется на протяжении столетий или тысячелетий. Вихрь был выбран, поскольку он представлял собой в значительной степени замкнутую систему для проведения испытаний. К 24-му дню содержание питательных веществ, включая азот, фосфор и кремниевую кислоту, используемую диатомовыми водорослями для построения их панцирей, снизилось. Концентрация растворенного неорганического углерода уменьшилась ниже равновесия с атмосферным. В поверхностных водах увеличилось количество взвешенных органических веществ (остатков водорослей), включая кремнезем и хлорофилл. Предполагалось, что воды, ранее испытывавшие дефицит железа, произведут больше фитопланктона, который, в свою очередь, послужит "пастбищем" для кормления лосося. Тогда генеральный директор Расс Джордж надеялся продать углеродные кредиты для возмещения затрат. Проект сопровождался обвинениями в ненаучных методах и опрометчивости. Джордж утверждал, что 100 тонн – это незначительное количество по сравнению с тем, что поступает в океан естественным путем. Некоторые экологи назвали сброс "вопиющим нарушением" двух международных мораториев. Джордж заявил, что Совет деревни Олд Массет и его юристы одобрили эту инициативу, и как минимум семь канадских агентств были о ней осведомлены. Однако многие эксперты утверждают, что изменения в запасах рыбы после 2012 года не обязательно можно связать с внесением железа в 2012 году; на прогностические модели влияет множество факторов, и большая часть данных, полученных в ходе эксперимента, считается имеющей сомнительную научную ценность. 15 июля 2014 года данные, собранные в ходе проекта, были опубликованы в открытом доступе под лицензией ODbL.

Эксперименты с железопокрытой рисовой кожурой в Аравийском море

В 2022 году исследовательская группа из Великобритании и Индии планирует разместить покрытые железом рисовые шелухи в Аравийском море, чтобы проверить, может ли увеличение времени пребывания на поверхности стимулировать цветение водорослей при использовании меньшего количества железа. Железо будет ограничено пластиковым мешком, простирающимся от поверхности на несколько километров вглубь, до морского дна. Центр восстановления климата Кембриджского университета совместно с Институтом морских исследований Индии оценили воздействие внесения железа в ходе другого эксперимента. Они рассыпали покрытые железом рисовые шелухи на определенной площади Аравийского моря. Железо является лимитирующим питательным веществом во многих океанических водах. Они надеялись, что железо удобрит водоросли, что укрепит основу морской пищевой цепи и секвестирует углерод по мере отмирания несъеденных водорослей. Эксперимент был сорван штормом, что привело к неопределенным результатам.

Наука

Максимально возможный эффект от внесения железа, при самых благоприятных условиях и без учета практических соображений, составляет 0,29 Вт/м² в среднем по планете в виде отрицательного воздействия, что компенсирует 1/6 текущего уровня антропогенных выбросов. Эффективность этого подхода подверглась сомнению в исследованиях, показывающих, что внесение железа может истощать другие необходимые питательные вещества в морской воде, приводя к снижению роста фитопланктона в других районах, то есть концентрация железа может ограничивать рост скорее локально, чем в глобальном масштабе. Океанское удобрение происходит естественным образом, когда апвеллинг поднимает богатую питательными веществами воду к поверхности, например, когда океанические течения наталкиваются на континентальный шельф или подводную гору. Эта форма удобрения создает крупнейшие морские экосистемы в мире. Удобрение также может происходить, когда погода переносит пыль, поднятую ветром, на большие расстояния над океаном, или когда железосодержащие минералы доставляются в океан ледниками, реками и айсбергами.

Роль железа

Около 70% поверхности Земли покрыто океанами. Часть этих океанов, куда проникает свет, заселена водорослями (и другими морскими организмами). В некоторых океанах рост и размножение водорослей ограничены количеством железа. Железо – жизненно важный микроэлемент для роста фитопланктона и фотосинтеза, который исторически доставлялся в пелагическую зону моря пылевыми бурями из засушливых регионов. Эта эолийская пыль содержит 3–5% железа, и ее осаждение сократилось почти на 25% в последние десятилетия. Отношение Редфилда описывает относительные атомные концентрации ключевых питательных веществ в биомассе планктона и обычно записывается как "106 C: 16 N: 1 P". Это отражает тот факт, что для "фиксации" 106 атомов углерода (или 106 молекул CO2) требуется один атом фосфора и 16 атомов азота. Исследования расширили эту константу до "106 C: 16 N: 1 P: 0,001 Fe", указывая на то, что в условиях дефицита железа каждый атом железа может фиксировать 106 000 атомов углерода, или, в пересчете на массу, каждый килограмм железа может фиксировать 83 000 кг углекислого газа. Эксперимент EIFEX 2004 года показал соотношение экспорта углекислого газа к железу, близкое к 3000:1. Атомное соотношение будет приблизительно следующим: "3000 C: 58 000 N: 3600 P: 1 Fe". Следовательно, небольшие количества железа (измеряемые в частях на триллион по массе) в зонах HNLC могут вызывать крупные вспышки фитопланктона, порядка 100 000 килограммов планктона на килограмм железа. Размер частиц железа имеет решающее значение. Частицы размером 0,5–1 микрометр или меньше представляются оптимальными как с точки зрения скорости осаждения, так и с точки зрения биодоступности. Такие мелкие частицы легче усваиваются цианобактериями и другим фитопланктоном, а перемешивание поверхностных вод удерживает их в эуфотической, или освещенной, биологически активной зоне, предотвращая быстрое осаждение. Один из способов добавления небольшого количества железа в зоны HNLC – удаление атмосферного метана. Атмосферные отложения являются важным источником железа. Спутниковые снимки и данные (такие как PODLER, MODIS, MSIR) в сочетании с анализом траекторий переноса выявили природные источники железосодержащей пыли. Железосодержащая пыль вымывается из почвы и переносится ветром. Хотя большинство источников пыли расположены в Северном полушарии, крупнейшие источники находятся 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 осевшего железа. Содержание растворимого железа в аэрозолях значительно выше, чем в почве (~0,5%). Ряд фотохимических взаимодействий с растворенными органическими кислотами повышают растворимость железа в аэрозолях. Среди них важно фотохимическое восстановление оксалата, связанного с Fe(III), из железосодержащих минералов. Органический лиганд образует поверхностный комплекс с металлическим центром Fe(III) железосодержащего минерала (например, гематита или гоетита). Под воздействием солнечного излучения комплекс переходит в возбужденное энергетическое состояние, в котором лиганд, выступая в качестве моста и донора электронов, передает электрон Fe(III), образуя растворимый Fe(II). В соответствии с этим, исследования зафиксировали отчетливую суточную изменчивость концентраций Fe(II) и Fe(III), при которой дневные концентрации Fe(II) превышают концентрации Fe(III).

Вулканический пепел как источник железа

Вулканический пепел играет значительную роль в обеспечении мирового океана железом. Вулканический пепел состоит из стеклянных осколков, пирогенных минералов, литогенных частиц и других форм пепла, которые высвобождают питательные вещества с разной скоростью в зависимости от их структуры и типа реакции, вызванной контактом с водой. Рост содержания биогенного опала в осадочном слое связан с увеличением накопления железа за последний миллион лет. В августе 2008 года извержение в Алеутских островах привело к выпадению пепла в северо-восточной части Тихого океана, испытывающей дефицит питательных веществ. Это выпадение пепла и железа вызвало одно из самых масштабных цветений фитопланктона, наблюдаемых в субарктической зоне.

Задержка углерода

Предыдущие случаи биологической секвестрации углерода вызывали значительные климатические изменения, приводя к понижению температуры планеты, как, например, событие Азолла. Планктон, образующий скелеты из карбоната кальция или кремния, такие как диатомовые водоросли, коколитофоры и фораминиферы, обеспечивает большую часть прямой секвестрации. Когда эти организмы погибают, их карбонатные скелеты относительно быстро опускаются на дно и формируют основную составляющую углеродосодержащих глубоководных осадков, известных как «морской снег». «Морской снег» также включает в себя фекальные гранулы рыб и другой органический детрит, и медленно опускается на тысячи метров ниже зон активного цветения планктона. Из богатой углеродом биомассы, образующейся при цветении планктона, около половины (или более) обычно потребляется организмами, питающимися планктоном (зоопланктоном, крилем, мелкой рыбой и т.д.), но 20–30% опускается в более холодные слои воды под термоклин. Большая часть этого фиксированного углерода продолжает поступать в глубоководные зоны, однако значительная его часть повторно растворяется и реминерализуется. Тем не менее, на этой глубине углерод находится во взвешенном состоянии в глубоководных течениях и эффективно изолирован от атмосферы на протяжении столетий.

Анализ и количественное определение

Оценка биологических эффектов и подтверждение количества углерода, фактически секвестрированного каким-либо конкретным цветением, требует проведения разнообразных измерений, сочетающих в себе бортовые и дистанционные отборы проб, подводные фильтрационные ловушки, спектроскопию с использованием буев-трекеров и спутниковую телеметрию. Непредсказуемые океанические течения могут вынести экспериментальные участки с добавлением железа из пелагической зоны, делая эксперимент недействительным. Потенциал удобрения для решения проблемы глобального потепления иллюстрируется следующими данными. Если бы фитопланктон преобразовал все нитраты и фосфаты, присутствующие в поверхностном смешанном слое вдоль всего Антарктического циркумполярного течения, в органический углерод, образовавшийся дефицит углекислого газа мог бы быть компенсирован поглощением из атмосферы в объеме примерно 0,8–1,4 гигатонны углерода в год. Эта величина сопоставима с годовым антропогенным сжиганием ископаемого топлива, составляющим около 6 гигатонн. Район Антарктического циркумполярного течения – один из нескольких, где возможно проведение фертилизации железом; район Галапагосских островов – еще одно потенциально подходящее место.

Диметилсульфид и облака

[[Файл:График гипотезы CLAW 1 AYool.png|thumb|right|Схематическая диаграмма гипотезы CLAW (Charlson et al., 1987). Это один из примеров, используемых Джеймсом Лавлоком для иллюстрации его гипотезы Гайи. Во время SOFeX концентрация DMS увеличилась в четыре раза внутри удобренной области. Широкомасштабное внесение железа в Южный океан может привести к значительному охлаждению, вызванному серой, в дополнение к охлаждению, вызванному поглощением углекислого газа, и увеличению альбедо океана. Однако величина охлаждения, обусловленного именно этим эффектом, весьма неопределенна.

Финансовые возможности

Начиная с Киотского протокола, несколько стран и Европейский Союз создали рынки углеродных компенсаций, на которых торгуются сертифицированные кредиты на сокращение выбросов (CER) и другие виды инструментов углеродных кредитов. В 2007 году CER продавались по цене примерно 15–20 евро за тонну CO2e. Железное удобрение относительно недорого по сравнению с улавливанием, прямым внедрением и другими промышленными методами и теоретически может обеспечивать секвестрацию менее чем за 5 евро за тонну, что создает значительную прибыль. В августе 2010 года Россия установила минимальную цену в 10 евро за тонну для компенсаций, чтобы снизить неопределенность для поставщиков компенсаций. Ученые сообщили о снижении глобального производства планктона на 6–12% с 1980 года. Полномасштабная программа восстановления планктона может восстановить примерно 3–5 миллиардов тонн потенциала секвестрации, что эквивалентно 50–100 миллиардам евро в качестве стоимости углеродных компенсаций. Однако исследование 2013 года показывает, что соотношение затрат и выгод от использования железного удобрения делает его менее выгодным, чем улавливание и хранение углерода и углеродные налоги.

Обсуждение

Хотя удобрение океана железом может представлять собой действенный способ замедлить глобальное потепление, в настоящее время существуют дебаты относительно эффективности этой стратегии и возможных негативных последствий, которые она может вызвать.

Принцип предосторожности

Принцип предосторожности – это предлагаемое руководство в области охраны окружающей среды. Согласно статье, опубликованной в 2021 году, принцип предосторожности (ПП) – это концепция, утверждающая: «ПП означает, что если научно обосновано предположение о том, что деятельность человека может привести к морально неприемлемому вреду, необходимо принять меры для предотвращения или уменьшения этого вреда: неопределенность не должна служить оправданием для отсрочки действий». Исходя из этого принципа, и учитывая недостаток данных, позволяющих количественно оценить последствия обогащения железом, на лидеров в этой области возлагается ответственность за предотвращение вредных последствий этой процедуры. Данный подход является одним из аргументов против широкого применения обогащения железом, по крайней мере, до тех пор, пока не будет собрано больше данных для анализа его последствий.

Экологические вопросы

Критики обеспокоены тем, что внесение удобрений вызовет вредное цветение водорослей (HAB), поскольку многие токсичные водоросли часто процветают при поступлении железа в морскую экосистему. Однако исследование 2010 года по внесению удобрений железом в океанической среде с высоким содержанием нитратов и низким содержанием хлорофилла показало, что удобренные диатомовые водоросли Pseudo nitzschia spp., которые обычно не токсичны в открытом океане, начали вырабатывать токсичные уровни домоевой кислоты. Даже кратковременные вспышки, содержащие такие токсины, могут оказать негативное воздействие на морские пищевые сети. Большинство видов фитопланктона безвредны или полезны, поскольку они составляют основу морской пищевой цепи. Внесение удобрений увеличивает количество фитопланктона только в открытом океане (вдали от берега), где наблюдается значительный дефицит железа. В большинстве прибрежных вод железа достаточно, и добавление его большего количества не дает полезного эффекта. Более того, было показано, что внесение удобрений железом часто приводит к более высоким темпам минерализации, что вызывает обновление производимых масс планктона. Это не дает никаких положительных результатов и фактически приводит к увеличению концентрации CO2. Наконец, исследование 2010 года показало, что обогащение железом стимулирует производство токсичных диатомовых водорослей в районах с высоким содержанием нитратов и низким содержанием хлорофилла, что, по мнению авторов, вызывает "серьезные опасения относительно чистой выгоды и устойчивости крупномасштабного внесения удобрений железом". Азот, выделяемый китообразными, и хелат железа приносят значительную пользу морской пищевой цепи, помимо долгосрочного секвестирования углерода.

Окисление океана

Исследование 2009 года протестировало потенциал внесения железа для снижения как концентрации CO2 в атмосфере, так и кислотности океана, используя глобальную океаническую модель углерода. Исследование показало, что "наши моделирования демонстрируют, что внесение железа в океан, даже в экстремальном сценарии, путем снижения глобальной поверхностной концентрации макроэлементов до нуля в любой момент времени, оказывает незначительное влияние на смягчение подкисления, вызванного CO2, в поверхностных водах океана". К сожалению, влияние на подкисление океана, вероятно, не изменится из-за слабого эффекта внесения железа на уровни CO2. За четыре месяца после этого, в 1988 году, в Океанографическом институте Вудс-Холл Мартин остроумно заметил: "Дайте мне полтанкера железа, и я обеспечу вам ледниковый период", что стимулировало десятилетие исследований. Полученные данные показали, что дефицит железа ограничивает продуктивность океана и предлагает подход к смягчению изменения климата. Наиболее убедительным подтверждением гипотезы Мартина стало извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году. Эколог Эндрю Уотсон проанализировал глобальные данные, полученные в результате этого извержения, и подсчитал, что в океаны всего мира было выброшено около 40 000 тонн железной пыли. Это единичное внесение железа предшествовало заметному глобальному снижению концентрации CO2 в атмосфере и параллельному резкому увеличению уровня кислорода. Стороны Лондонской конвенции о предотвращении загрязнения моря сбросами отходов и других материалов приняли в 2008 году не имеющую юридической силы резолюцию о внесении удобрений (обозначенную LC LP.1(2008)). В резолюции говорится, что деятельность по внесению удобрений в океан, за исключением законных научных исследований, "должна рассматриваться как противоречащая целям Конвенции и Протокола и в настоящее время не подпадает ни под одно исключение из определения сброса отходов". Оценочная структура для научных исследований, связанных с внесением удобрений в океан, регулирующая сброс отходов в море (обозначенная LC LP.2(2010)), была принята Договаривающимися сторонами Конвенции в октябре 2010 года (LC 32/LP 5). Многочисленные океанографические лаборатории, ученые и компании изучали внесение удобрений. Начиная с 1993 года, тринадцать исследовательских групп завершили океанские испытания, продемонстрировавшие, что цветение фитопланктона может быть стимулировано добавлением железа.