حقن ثاني أكسيد الكربون مباشرة في أعماق البحار

يتطلب حقن ثاني أكسيد الكربون المخفف الحقن على أعماق تسمح بتشتيت ثاني أكسيد الكربون بفعل التيارات المحيطية واختلاط المياه. عند الحقن، تتفاعل المياه وتختلط بناءً على كثافتها، مما يخفف تركيز ثاني أكسيد الكربون. ^{[ 2 ]} يعمل حقن ثاني أكسيد الكربون من القوارب على توزيع تراكيز منخفضة من ثاني أكسيد الكربون في المياه المفتوحة أثناء تحركها لزيادة مساحة انتشاره. كما يمكن نشر ثاني أكسيد الكربون عبر القوارب من خلال أنبوب متصل بالسفينة يحقن مزيجًا مخففًا من ثاني أكسيد الكربون في عمود الماء. يُحقن ثاني أكسيد الكربون على عمق 1000 متر للحد من تسرب فقاعات ثاني أكسيد الكربون . ومع صعود فقاعات ثاني أكسيد الكربون المحقونة، يزداد انتشاره في عمود الماء. ^{[ 11 ]}

تشير الدراسات إلى أن نقل ثاني أكسيد الكربون السائل عبر خط أنابيب مجرور (متصل بقارب يسير عموديًا على التيار) يمكن أن يقلل من تجمعات ثاني أكسيد الكربون عالية التركيز. أما النقل عبر أنبوب ثابت فسيكون محصورًا في منطقة صغيرة من المحيط، مما قد يؤدي إلى نفوق فوري للأنواع الحساسة التي تعيش في تلك المنطقة. ويتفق العلماء على أن عزل ثاني أكسيد الكربون في المحيطات ليس خطة طويلة الأمد يُعتمد عليها، ولكنه قد يحل بعض المشاكل الجوية العاجلة إذا طُبق مؤقتًا. ويعتقد العلماء أنه من الممكن ابتكار طرق هندسية لتصريف ثاني أكسيد الكربون بمعدلات تحاكي التذبذب الطبيعي له في المحيطات. ^{[ 12 ]}

يمكن تخزين ثاني أكسيد الكربون في المحيطات عن طريق حقنه في الحالة الصلبة أو على شكل هيدرات صلبة . تبلغ كثافة ثاني أكسيد الكربون في الحالة الصلبة حوالي 1.5 ضعف كثافة مياه البحر، ولذلك يميل إلى الغرق إلى قاع المحيط. يبلغ معدل ذوبانه على السطح حوالي 0.2  سم/ساعة، مما يسمح بذوبان كمية صغيرة منه تمامًا قبل وصوله إلى قاع البحر. ^{[ 2 ]} بالإضافة إلى حقن ثاني أكسيد الكربون الصلب، تُعد هيدرات ثاني أكسيد الكربون ^{[ 13 ]} طريقة شائعة أخرى للتخزين. يتشكل الهيدرات عندما يكون تركيز ثاني أكسيد الكربون السائل المذاب حوالي 30% وعلى عمق 400 متر تحت سطح البحر. تتشكل الهيدرات كطبقة خارجية حول قطرات ثاني أكسيد الكربون السائل أو ككتلة صلبة. ^{[ 14 ]} يتكون التركيب الجزيئي من ثاني أكسيد الكربون والماء، أي ثاني أكسيد الكربون•nH₂O ₍ حيث n  ≈ 5.75). ^{[ 8 ]} وتكون الكثافة الناتجة أعلى من كثافة مياه البحر بنحو 10%. بالمقارنة مع ثاني أكسيد الكربون السائل، يذوب الشكل الهيدراتي ببطء شديد في مياه البحر، بمعدل 0.2  سم/ساعة تقريبًا. ^{[ 14 ]} إضافةً إلى ذلك، يبقى الهيدرات ثابتًا في قاع البحر، مُشكِّلًا غطاءً هيدراتيًا، مما يُجبر ثاني أكسيد الكربون السائل على الحركة الجانبية فقط. ^{[ 15 ]}

يعتمد الاستقرار الجزيئي العام على درجة حرارة وضغط البيئة المحيطة، ولا تتفكك الهيدرات إلا عند تعرضها المباشر للحرارة والماء بتراكيز أقل من تركيزها عند التوازن. ^{[ 16 ]} ومع ذلك، ونظرًا لبنيتها البلورية، لا تنتقل الهيدرات النقية عبر الأنابيب. وبما أن تحقيق كفاءة بنسبة 100% أمر بالغ الصعوبة، فإن التجارب المخبرية والميدانية تشير في الواقع إلى أن كفاءة تفاعل الغمر تتراوح بين 15 و25% تقريبًا. ^{[ 8 ]} ومن المرجح أن يؤدي أي نوع من عدم استقرار الهيدرات إلى ذوبانها وتشتتها أثناء عملية الغمر أو الحقن. ^{[ 15 ]}

تمكن الباحثون من إثبات، من خلال تجارب مخبرية وتجارب ميدانية صغيرة، إمكانية حقن ثاني أكسيد الكربون في المحيطات على شكل أعمدة صاعدة أو هابطة. ^{[ 2 ]} يغوص العمود إذا كانت كثافته أعلى من كثافة مياه البحر. ويحدث هذا عند حقن العمود، وهو مزيج من ثاني أكسيد الكربون ومياه البحر، على عمق 3  كيلومترات. ^{[ 8 ]} ومع تحرك العمود عموديًا، يذوب جزئيًا على الأقل بفعل انتقال الكتلة بالحمل الحراري مع مياه البحر المارة. ويزداد الذوبان مع ازدياد التيارات العمودية على عمود الماء الرأسي الذي يحتوي على العمود، نتيجةً لزيادة انتقال الكتلة بالحمل الحراري. بالنسبة للأعمدة الهابطة، يُفضل وجود تيارات أفقية ضئيلة حتى تتمكن من الغوص إلى قاع المحيط لعزل ثاني أكسيد الكربون على المدى الطويل. أما بالنسبة للأعمدة الصاعدة، فيُفضل عكس ذلك، إذ تعتمد، على غرار تقنيات تخزين المحيطات المخففة الأخرى المذكورة سابقًا، على الانتشار لجعل التغير في تركيز ثاني أكسيد الكربون في المحيط منخفضًا بما يكفي لعدم التأثير بشكل كبير على المحيط الحيوي البحري. ^{[ 17 ]}

تتمثل طريقة الحقن المقترحة في قطرات من ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج ممزوجة بمياه البحر. ويمكن هندسة أعمدة ثاني أكسيد الكربون لتذوب بمعدلات مختلفة بناءً على حجم وتركيز ومعدل حقن قطرات ثاني أكسيد الكربون/مياه البحر. بالنسبة للأعمدة الصاعدة التي تعتمد على الذوبان لعزل ثاني أكسيد الكربون، يُفضل استخدام قطرات أصغر حجماً بمعدل حقن أعلى، لأن ذلك يؤدي إلى ذوبان أسرع. أما الأعمدة الهابطة، فمن الناحية المثالية، تُشكل بحيرات من ثاني أكسيد الكربون في قاع المحيط لعزله على المدى الطويل. ^{[ 2 ]}

تتشكل بحيرات ثاني أكسيد الكربون في قيعان المحيطات، ضمن منخفضات أو خنادق في قاع البحر. تعمل هذه البحيرات على عزل ثاني أكسيد الكربون وتخزينه. يتميز قاع المحيط بمعدل اختلاط بطيء للغاية مع سطحه. إضافةً إلى ذلك، يُشكّل سطح بحيرة ثاني أكسيد الكربون طبقة من الهيدرات البلورية التي تُبطئ ذوبان ثاني أكسيد الكربون في المحيط. وتزيد الحركة الحملية فوق سطح البحيرة، الناتجة عن عواصف قاع المحيط أو التيارات البحرية العادية، من معدل الذوبان. في غياب أي تدفق كبير فوق البحيرة، يبلغ زمن تخزين ثاني أكسيد الكربون 10,000 عام لبحيرة بعمق 50 مترًا. ويقل هذا الرقم بأكثر من 25 ضعفًا مع تيارات عواصف قاع المحيط. ^{[ 2 ]}

سيتم اختيار المواقع بناءً على عمق قاع المحيط، والنشاط الزلزالي والبركاني، ووجود رواسب كربونات الكالسيوم _التي قد تزيد من معدل تمعدن الكربون. ^{[ 18 ]} تشمل بعض المواقع المقترحة للتخزين على أعماق تزيد عن 6 كيلومترات خندق سوندا  الإندونيسي ، وخندق ريوكيو الياباني ، وخندق بورتوريكو . ^{[ 16 ]}

يمكن استخدام هيدرات الكلاثرات لتقليل سرعة ذوبان ثاني أكسيد الكربون. ^{[ 19 ] [ 20 ]} تُكسب هذه الهيدرات ثاني أكسيد الكربون طفوًا سلبيًا، مما يسمح بحقنه على سطح الماء بدلًا من أنابيب المياه. ^{[ 21 ]} أظهرت التجارب أن استخدام هيدرات الكلاثرات يقلل من معدل انتشار ثاني أكسيد الكربون المحقون في قاع المحيط. ^{[ 12 ]} وقد ثبت أن هذا المعدل يقلل من تأثيره على الكائنات الحية في أعماق البحار. ^{[ 19 ]} يعتمد بقاء الهيدرات سليمًا بشكل كبير على قوة تيار المحيط في موقع الحقن. ^{[ 20 ]} يذوب ثاني أكسيد الكربون في المياه السطحية قبل أن تتمكن الهيدرات من الغوص إلى أعماق المحيط (يبقى ما بين 10 و55% من ثاني أكسيد الكربون عالقًا بالهيدرات على عمق 1500 متر في المحيط). ^{[ 19 ]} لم يتم بعد تحقيق تدفقات مستمرة من الهيدرات في التجارب المخبرية. ^{[ 12 ]}

يُمكن أن يؤثر احتجاز ثاني أكسيد الكربون في رواسب أعماق البحار على الحياة البحرية فيها. فالتركيب الكيميائي والفيزيائي لأعماق البحار لا يتغير بنفس طريقة تغير المياه السطحية. ^{[ 2 ]} ونظرًا لقلة احتكاكها بالغلاف الجوي، فقد تطورت معظم الكائنات الحية في ظل اضطرابات فيزيائية وكيميائية طفيفة، وتعرضت لمستويات ضئيلة من ثاني أكسيد الكربون. ^{[ 2 ]} وتستمد معظم هذه الكائنات طاقتها من التغذي على الجسيمات العالقة التي تهبط من المياه السطحية للمحيط وأنظمته البيئية. ^{[ 2 ]} ولا تتميز النظم البيئية لأعماق البحار بمعدلات تكاثر سريعة، كما أنها لا تُنجب أعدادًا كبيرة من الصغار بسبب محدودية وصولها إلى الأكسجين والمغذيات. ^{[ 2 ]} وعلى وجه الخصوص، تتميز الأنواع التي تسكن  أعماق المحيط التي تتراوح بين 2000 و3000 متر بصغر حجمها وتنوعها. ^{[ 2 ]} ويمكن أن يؤدي إدخال كميات قاتلة من ثاني أكسيد الكربون إلى بيئة هذه الأنواع إلى تأثير خطير على حجمها، وسيستغرق تعافيها وقتًا أطول مقارنةً بأنواع المياه السطحية. ^{[ 21 ]}

إذا أصبح عزل ثاني أكسيد الكربون في أعماق المحيط ممارسة شائعة، فسيستمر البحث في الآثار طويلة المدى للتنبؤ بالسيناريوهات المستقبلية لتأثيرات ثاني أكسيد الكربون على أعماق البحار. ^{[ 21 ]} لن يؤثر عزل ثاني أكسيد الكربون السائل في المحيط على النظم البيئية في أعماق البحار فحسب، بل سيبدأ على المدى الطويل في التأثير على أنواع الكائنات الحية في المياه السطحية. ^{[ 21 ]}

على الرغم من أن فهم الآثار طويلة المدى هو الأهم، إلا أنها الأصعب في التنبؤ بها بدقة نظرًا لاتساع المحيط وتنوع حساسية الأنواع لمستويات ثاني أكسيد الكربون المرتفعة. وقد دُرست كائنات سطح البحر بشكل أفضل من حيوانات أعماق البحار من حيث عواقب التعرض المطول لثاني أكسيد الكربون، وثبت أنها تعاني من انخفاض في التكلس وتلف في هياكلها العظمية. ^{[ 2 ]} وهذا يؤثر بشكل خطير على معدل وفيات الحيوانات ذات الأصداف ومعدل نموها. ^{[ 2 ]} أظهرت الأسماك البالغة تحملًا ملحوظًا لمستويات ثاني أكسيد الكربون المرتفعة، فقط عندما كان ذوبان ثاني أكسيد الكربون بطيئًا. ^{[ 21 ]} أظهرت الأسماك النامية تحملًا أقل من نظيراتها البالغة. ^{[ 21 ]}

يجادل مؤيدو عزل ثاني أكسيد الكربون في المحيطات بأن حجم المحيطات الهائل يجعل حقن ثاني أكسيد الكربون المخفف غير كافٍ لإحداث تأثير فعلي على النظم البيئية، وأن الكائنات الحية قادرة على التكيف مع هذه المستويات المتزايدة من ثاني أكسيد الكربون في نهاية المطاف. ^{[ 2 ]} لم تُدرس بعد قدرة كائنات أعماق البحار على التأقلم مع حقن ثاني أكسيد الكربون، كما أن فرضية تطورها مع مرور الوقت تفتقر إلى الدعم العلمي. ^{[ 2 ]} تُظهر الأبحاث العلمية أن مواقع الحقن محددة مكانيًا، وأن النظم البيئية التي تتواجد في موقع الحقن قد تعاني من عواقب فورية. ^{[ 24 ]} ستشهد المناطق المتأثرة تحمضًا نتيجة ارتفاع مستويات البيكربونات، وبالتالي انخفاض مستويات كربونات الكالسيوم. ^{[ 24 ]} سيؤدي ذلك إلى ذوبان الرواسب وأصداف الكائنات الحية بسرعة أكبر. ^{[ 2 ]}