Deep Dive
Shownotes Transcript
这是斯坦福大学工程学院的《万物未来》节目,我是主持人 Russ Altman。在新的一年开始之际,我认为回顾一下节目的初衷会很好。2017 年节目开播时,我们希望创建一个论坛,深入探讨和讨论我的同事们在校园内进行的科学、技术、工程、医学和其他主题方面的动机和研究。
斯坦福大学以及大多数大学都有着悠久的历史,致力于开展对世界产生重大影响的重要工作。我很高兴与大家分享这项工作是如何由努力为所有人创造更美好未来的工作人员推动的。本着这种精神,我希望您在收听每一集节目后,都能对正在进行的工作有更深入的了解,并与您的朋友、家人、邻居、同事分享。
海洋占地球表面的 70%,这是一个巨大的潜在碳汇。因此,许多战略都在考虑如何利用海洋。因此,海藻养殖就是其中之一。♪
这是斯坦福大学工程学院的《万物未来》节目,我是主持人 Russ Altman。如果您喜欢《万物未来》播客,请在您现在收听的任何应用程序上关注它。这将保证您不会错过任何一集,并且您完全了解万物的未来。
今天,Kristen Davis 将告诉我们,海藻可能是解决大气中二氧化碳过量问题的一部分解决方案。事实证明,海洋可能能够利用海藻吸收二氧化碳,然后我们可以在海底长期储存它。这是海藻的未来。在我们开始之前,请记住通过按下您正在收听的应用程序上的关注按钮来关注该节目,并确保您永远不会对任何事情的未来感到惊讶。
您知道,我们已经听说过温室气体,特别是二氧化碳 (CO2),它是全球变暖的主要问题。我们所有人都在努力做的事情之一是减少我们的碳排放,以帮助解决目前正在导致地球变暖的过量排放问题。
但是,除了减少我们的产量外,增加我们的消耗量也很重要。树木就是这样的一种方式。树木吸收 CO2,并通过光合作用的奇迹(我的确是指奇迹),将其转化为糖、树皮和树叶等有机物质。猜猜看?您可以在海洋中种植海藻,它在储存 CO2 和将其转化为有机物方面可以做一些类似的事情。
然后可以将这种有机物保留在海洋中,可以收获供我们食用(美味),或用于许多其他用途。Kristen Davis 是斯坦福大学的海洋学教授,也是海洋生物物理学的专家,她越来越多地关注海洋与 CO2 的相互作用。
她将告诉我们,海藻可能是解决或部分解决消耗更多 CO2 并改善全球变暖和温室气体问题的答案。
Kristen,您研究全球 CO2 及其相互作用,特别是与海洋的相互作用。在我们讨论您对管理这个问题的一些令人兴奋的想法之前,您能否解释一下什么是 CO2 问题?它从哪里来?我知道这有点争议。现在有多紧急?你好,Russ。谢谢你的提问。你知道,我认为我们大家都
明白我们的大气中二氧化碳过多,有时它们被称为温室气体。但我认为有时会被忽视的是,关注大气层的同时,海洋实际上
以一种非常重要的方式与大气层相互作用。历史上,海洋在吸收部分二氧化碳以及缓冲或减轻我们星球上的变暖方面发挥了重要作用。因此,了解海洋如何循环非常重要,因为这会影响它们吸收二氧化碳的方式。海洋对于输送热量非常重要,这对我们的气候也很重要。我的背景是物理海洋学家。所以我研究海洋是如何运动的,
我非常感兴趣的是这对我们未来的气候意味着什么。很好。空气中二氧化碳过多,我们需要采取措施。据我了解,这是一个相当紧迫的问题。紧迫性是否是您将注意力转向这个问题的原因?
当然。我认为对于那些了解气候系统的人来说,我们感到担忧,并认为这是紧迫的。作为一名物理海洋学家,我认为我已经将我的工作转向试图了解海洋在其中的作用。我认为作为一名海洋学家的令人兴奋的事情之一是
我的意思是,在某些方面,我们对海洋知之甚少,这给我们留下了很大的差距需要填补。我们对大气层了解很多,因为我们可以将传感器送入空中。这并不容易。这并不便宜,但在海洋中工作要困难得多。海洋是巨大的。它是一个巨大的热量和碳储存库,而且很难研究。
从观测来看,盐水会腐蚀我们所有的传感器。是的,当然。海浪试图破坏我们的传感器,因此很难研究海洋。好的,很好。所以谢谢。因此,我们现在已经确定了这个问题,现在您有一个非常令人兴奋的假设或工作理论,即操纵海洋的部分区域,特别是海藻,可能是有意义的,
当然。我认为......
最重要的是,我们必须首先减少温室气体排放。如果我们想避免气候变化的一些最严重影响,这绝对是必要的。但最近的一些全球气候模型也已经认识到,除了减少排放外,
我们还需要考虑从大气中主动去除二氧化碳的方法。因此,很多人都在考虑陆地战略,这就是我们考虑种植树木等事物的方式。对。喜欢树木。海洋占地球表面的 70%。因此,它是一个巨大的,
潜在的碳汇。因此,许多战略都在考虑如何利用海洋。因此,海藻养殖就是其中之一。所以是的,告诉我,海藻有什么作用?我的意思是,我知道它是一种植物。那么,我应该把它想象成水下树木吗?还是比这更复杂?
它们有一些相似之处,因为它正在固定无机碳。因此,二氧化碳是将其体内质量中的无机碳转化为有机碳。它是一种藻类。它是大型藻类。因此,它正在利用光合作用来固定碳。
然后与树木不同,如果树木没有被火烧毁,它们通常会持续存在,这是一个问题,它们可以持续几十年或几百年。碳储存在树木体内或其下面的土壤中。
海藻有点不同。海藻有很多种类,但大多数情况下,它们的寿命短得多,碳通量很高。因此,它们正在固定其结构中的碳,对吧?
然后这种碳会被其他海洋生物分解和利用。这本身并不是一个汇。这是一种流通。因此,如果您想将海藻视为碳汇,则必须考虑这种碳的最终归宿。
好,所以让我们......好的,我喜欢这个,所以让我们去那里,所以海带我想它会被鱼类、微藻、细菌......也许是我们吃掉,我们可以谈谈这个,但是......因为它是吞吐量,因为它不是一个大的......你知道,一棵大树只是为了将来使用而储存碳......
我想在你开始做出改变之前,你需要有一个关于最终结果的理论。我们会过度生长吗?我们会发生藻华吗?我是在编造这个。我真的不知道我在说什么。但这会对海洋的化学、光照和生物组成产生令人担忧的变化吗?
不,这些都是很好的问题,Russ。我认为,你知道,这个理论本质上是它可能会以与海洋生物泵相同的方式捕获碳。因此,我们有很多被称为浮游植物的微观藻类,它们是海洋食物链的基础。
它们在水面附近生长。它们被浮游动物吃掉,浮游动物也很小。然后浮游动物被鱼和更大的鱼吃掉。你们都可以脑补这个卡通画面。然后最终当较大的生物死亡时,
它会随着它沉入海洋而携带碳。它将碳带入深海,深海无法进入大气层。因此,这实际上是海洋从大气中去除碳的一种方式。好的。所以有——对不起,打断一下,但这意味着有一些类似于树木的东西。你刚才说它位于根系和——
树木的主要部分,以及这种长期储存的沉到底部,这是一种等效物。公平吗?没错。因此,深海就像长期储存一样,就像土壤。好的。好的。
对。所以我认为然后你需要了解,好吧,那么,如果你要扩大海藻养殖,比如说,超出它自然生长的范围,试图提高这种生物泵的效率,有多少海藻可以到达深海?有些人实际上正在进行一些实验,甚至在加州这里,
测试了这一点。如果我们要将......你知道......养殖的海藻送到海洋非常深的地方,你知道......海藻分解需要多长时间?碳释放需要多长时间?它需要多长时间才能回到大气中?然后当然我们想知道,你
我们现在通过放置这个东西改变了海底的情况,也许它不是外来物质,海藻自然会出现在那里,但也许数量不会那么多。
好的,所以这是......所以现在我的......我很兴奋,我的脑袋里充满了问题。所以,想法是在海岸附近种植海藻,靠近人们的地方,然后把它带出去?我认为你刚才画的图像是,我有一船或其他什么东西的海藻,我把它带到......到海洋非常深的地方。
我把它种下去。我是把它种在上面,希望它掉下去,还是把它推下去?带我了解一下这可能如何运作。对。我认为这个想法有点像这样。在您可以将船开回港口或其他地方的地方种植东西更容易。
你知道,回到港口或其他地方。因此,在岸边种植更容易,但您也希望靠近非常深的地方,以便您可以将生物量,即海藻生物量带到深处。
所以这是一个妥协,对吧?而且,你不能到处种植海藻。它不喜欢到处生长。事实上,海洋的近地表通常营养物质很少。嗯,原因是所有这些微藻,这些浮游植物一直在使用它们。因此,嗯,
至少在加利福尼亚州,海藻在海岸附近生长得非常好,因为风力驱动上升流,深水上升。这就是为什么我们在加利福尼亚州的海滩上感觉这么冷的原因。我最大的遗憾之一。它在岸边生长得非常好,但如果您将其运送到近海并尝试在水面附近种植......
好的。这就是我想问你的,如果我们开始养殖海带,这是一个令人兴奋的——顺便说一句,海带是一种海藻,我想。我知道你写过所有海藻,但你也写过海带。如果我们种植它,那么我们不能到处种植它。事实上,作为对生物学略知一二的人,我猜海藻几乎在任何可以生长的地方都在生长,因为这正是生命形式所做的。是的。
这是真的吗?所以有没有一个巨大的未种植海带或未种植海藻的区域?或者我们是否正在处理一种有限的资源,我们只需要更好地管理和优化它?不,我认为你说的对,对于海藻可以生长的自然沿海栖息地,这些海藻可以生长的岩石礁区域,历史上它在那里生长过。有些地区的人们正在努力恢复这些地区。
呃,你知道,海带生态系统,例如,在加利福尼亚州这里,呃,在过去的几年里,我们经历了一些非常温暖的条件,并且,呃,在许多地方,海带的丰度并不像以前那样。现在,由于年代际海洋周期,这其中有一些自然变化,但总的来说,我们看到一些地区的大型海带和巨藻的数量大幅减少。
所以这是我们西海岸的两种主要海藻海带物种。所以从某种奇怪的角度来看,这是一个好消息,因为尽管我们失去了海带,但我们知道在其他情况下它在那里生长过。所以也许它只需要一点点推动。有没有什么活动试图对海带进行生物工程改造以增加其范围?我带着一些谨慎这么说,因为......
我们并不总是非常擅长操纵自然系统,但是人们是否在考虑,哦,如果我们只是在这个海带或海藻中添加一些基因,它就能做一些非常有用的事情?当然,人们一直在考虑海藻的遗传学。事实上,
我认为农业中的绿色革命激发了很多,显然,正如你所说,其中一些是意外后果。并非所有这些都是好的,但我们对陆地作物的遗传学了解很多。我们对海藻知之甚少,我们才刚刚开始......
认识到我们需要更多地了解。我一直在与南加州大学的其他科学家合作,他们开始储存不同的巨型海带变种,他们一直在研究
试图看看其中一些变种是否具有耐热性,因此能否承受更高的温度。如果我们要恢复海带区域,我们可能需要考虑使用已被证明对高温更具抵抗力的变种。
温度。所以我们就像,看到一些更温暖的温度。很好,很好。我想到的另一件事是,你说过,你知道,我们将拥有这些可以种植海带的特殊区域。然后我们,一个模型是,你把它们带到海洋中,它们以我们认为可能对树木有益的方式下沉。那么将它们带到陆地上的想法呢?有没有模型表明海藻产品可以作为陆地生态系统中有用的部分,无论是
人类食用它,动物食用它作为肥料,还是我甚至没有想到的东西。这些可信的选项有哪些?是的,绝对的。事实上,我们......我们做了一些建模......一种动态的海带......生长模型......基本上......
虚拟种植不同类型的海藻在海洋的每一个角落。然后不是我们提倡这样做,而更多的是作为第一步,如果我们试图种植它,我们可以种植多少?然后这些热点在哪里?
然后我们将它与技术经济模型配对,以真正了解在这些看起来不错、生物学上有利的位置种植它需要多少成本。然后产品的价值是多少?无论是抵消在海洋这部分种植它的成本所需的碳信用额,还是如果您将这种
生物质转化为生物燃料、食物或动物饲料,您可以获得多少。因此,有一些有趣的工作正在研究某些类型的海藻,当喂给奶牛时,可以在一段时间内减少它们打嗝中的甲烷。
嗯,当然你可以想象创造一种净碳为零的生物燃料,嗯,因为种植它需要从大气中吸收碳,当你燃烧它时,你又把它加了回去。所以这是零的部分。嗯,
除了将其沉入海底外,海藻还有许多其他潜在用途。事实上,许多人认为这些更现实,因为我们真的不了解将大量生物质沉入深海的一些环境影响。我们真的可能会对我们的底栖生态系统造成一些损害,你知道,通过沉入大量的
生物质在那里,它会消耗氧气,我们可能会使我们的一些低氧区恶化,诸如此类的事情。——这是《万物未来》。我是 Russ Altman,我们将在下一期节目中与 Kristen Davis 继续讨论。欢迎回到《万物未来》。我是 Russ Altman,我正在与斯坦福大学的 Kristen Davis 谈话。在上一个部分中,我们了解了二氧化碳 (CO2) 的基础知识,为什么我们需要停止生产它并找到减少它的方法,为什么海藻是一个潜在的答案。
在下一部分中,Kristen 将告诉我们内波是海洋动力学的重要组成部分。它与 CO2 问题相互作用,而且了解它对于了解海洋如何达到温度以及与洋流和海洋地理位置相互作用也至关重要。她还将告诉我们,我们拥有令人惊叹的新型测量技术,包括一些基于光纤的技术,可以对长距离的温度进行令人惊叹的测量。
好的,我想问你关于海洋本身的问题,与海藻分开。我知道您是海洋、海洋物理和动力学的专家,这与整个 CO2 问题有关,因为正如您在谈话的第一部分中提到的那样,存在内在的缓冲能力,全球范围内会发生热传递,而您的论文中经常提到一个概念是内波。所以我只想问你一个简单的问题。什么是内波的概念?
什么是内波?因为它听起来很酷。作为对海洋感兴趣的人,我为什么要关心它?
当然。不,这是一个有趣的问题。嗯,内波正如它们......听起来一样,是在海洋内部发生的波浪。这是什么意思?我认为我们都非常熟悉海洋中波浪的概念,因为我们去海滩并看到这些波浪在海洋表面,它们在海滩上破碎。对。而且,而且所以
这是通常由风吹过水面而产生的波浪,扰乱了水面,然后来自风的能量随着波浪传播。
这种波浪的出现是因为空气和水之间存在非常强的密度差异。当您扰乱该表面时,重力会想要将该表面恢复原状。它会过度补偿,您会得到这种能量传播。那么,海洋内部水面附近的海洋水密度也存在差异。
在水面附近,我们有被太阳加热的温暖水域,在深海中,我们有来自极地的非常冷的水域,最初......你知道......是在极地形成的,然后向下流动。因此,海洋中存在密度差异。当......我们有扰乱这种密度界面的东西时,那么您就可以得到内波。所以
所以我知道每个人可能都在湖里游泳过,他们的脚悬在冷水中。是的。在表面。也许你漂浮着待在温水中。绝对的。顶部八英寸。当你......
没错。所以当你在下面用脚踢冷水时,你可能正在产生从你的位置向外传播的内波。所以就像你把一块石头扔进湖里一样,水面......那些环会传播开来。你用脚和底部做了同样的事情。所以
我们不经常看到内波,因为它们不在海洋表面,但它们极其重要。事实上,它们可能是物理海洋学中最大谜团之一的答案。当海洋学家第一次开始研究能量的分布时,
以及海洋中的盐分,他们意识到一定需要一定程度的混合才能产生观察到的结构。但每次他们乘船出去测量时,他们总是发现混合水平比海洋结构所暗示的低几个数量级。而且
而且很长一段时间以来,一直存在一个谜团,即所有这些导致海洋结构的混合发生在哪里?事实证明,答案是内波,这些波浪通常是在散布在整个海洋中的地形上产生的。海洋中实际上有水下山脉。对,对。陆地附近有很多陡峭的地形。是的,海沟。我们都对海沟感到兴奋。绝对的。
对,没错。因此,在这些区域会产生许多内波,它们驱动着大量的混合。但这在时间上是偶然的,在空间上是分散的,因此实际上很难测量。所以让我问你一个非常基本的问题,那就是我们也听说过海洋中的洋流。洋流和内波之间有什么关系?因为它们听起来有点相似,就像你看不到洋流一样,你可能会感觉到它们在你的脚下,等等。所以告诉我关于洋流和内波,它们之间的区别或相似之处。
对。因此,当我们谈论洋流时,我们通常谈论的是持续时间更长且朝特定方向运动的水的运动。对。著名的水流。对。像墨西哥湾流或加利福尼亚洋流。因此,我们倾向于将这些视为洋流,但洋流可以产生内波。事实上,它们是
许多内波是由潮汐驱动的洋流产生的。因此,潮汐会来回驱动洋流。当您拖动分层的水(我的意思是密度变化)超过地形时,您实际上可以在该密度界面中产生扰动。就像你在湖里踢脚一样。然后能量作为内波传播开来。很好。
很好。因此,我们现在对内波有了相当好的了解。谢谢。还有一个快速的问题,那就是这些内波的动力学是否会影响你之前谈到的海藻项目?事实上,确实如此。因为内波对于混合能量回升——或者说,混合营养物质实际上回升到地表——非常重要——
在那里它们可以用于光合作用。我们还在探索,将海藻养殖场放置在有内波的地方是否更好,因为这样您就可以获得更多营养物质来种植海藻,同时也可以靠近地表,以便您可以获得阳光来生长。我会说一些......
你可能也会受益,你之前谈到过这是对混合这个大谜团的解决方案,我们可能会以类似的方式获得一定程度的海藻混合。对。实际上,海藻......对于海藻来说,有......流动......
呃......海藻的流动非常重要。它......有助于海藻从周围的水柱中吸收营养物质,以便处于有流动的地方。所以很好。因此,这是我们正在研究的主要领域,以便了解海洋......
如何与自身以及陆地相互作用。多年来,这是一个缺失的概念。你如何测量这些东西?我的意思是,在过去的几分钟里,你是一名工程师,你去了这些令人惊叹的地方,研究海洋。你已经说过,你知道,盐水很烦人。它会生锈你的设备并腐蚀它。你或其他人正在研究哪些新的测量技术,这些技术可以让你比以前更好地访问这些现象?
当然。好吧,你知道,我们最近测量内波并了解它们的一种非常令人兴奋的方式是......通过光纤仪器,本质上是一根光纤电缆......我们可以测量电缆沿线的温度。因此,我们基本上会将激光脉冲发送到光纤电缆中......
而反向散射光在光谱中有一些特征,即其反向散射位置的温度。因此,如果我们了解光速(我们知道),并且我们知道电缆的长度,我们基本上可以将光纤电缆变成连续的温度传感器。所以我们以前用过一根这样的电缆。
在世界上内波最大的一些地方之一,有一根 5 公里长的电缆。所以我知道我们之前刚刚谈到过......你知道......海滩上的表面波。你知道,对我来说,一个重要的日子,我是一个非常业余的冲浪者,在海滩上会......如果你不是冲浪者,我会很失望的,但这是一种单独的讨论。对?是的。
任何超过大约一米的东西,我都害怕。但在南海,我们一直在研究这些内波的地方,这些内波的振幅可以超过 100 米。所以真的,真的很大。原因是温水和冷水之间的密度差异远小于空气和水。所以这些波浪可以非常大。
但它们驱动着巨大的水流。事实上,我们设置它的地点在一个珊瑚礁上,在那里它们驱动着冷水。它们将冷水输送到珊瑚礁。因此,我们一直在使用其中一根光纤电缆来了解破碎、变浅以及最终的情况。你五公里的分辨率是多少?你是每10米或每100米进行一次测量吗?你的温度测量的分辨率是多少?
在那次部署中,我们的分辨率达到每米一次,对吧?所以这就像拥有5000个温度传感器,一个接一个地排列,它们的测量是协调一致的。那将是很多工作。
安装这条光纤电缆并非易事,但它提供了......我本来想说南海可能不是在地理政治上最稳定的、放置光纤电缆的最佳地点,但听起来你已经找到了方法。是的,这确实有点挑战性,但我们实际上是从台湾的一个名为东沙的国家公园工作的。这是一个非常令人兴奋的工作场所。
那么,梦想是铺设这些电缆,或者利用这些电缆在世界各地进行多次测量,或者建立一套固定的传感器以便进行监测?你对这项非常强大的技术的梦想是什么?是的,我的意思是,我想在其他地点使用相同的仪器,看看我们发现的关于这些内波在变浅时的一些情况,这
正如我所讨论的,这个区域是一个极端的例子。这些都是巨大的波浪。我们想看看这些相同的情况是否适用于其他地方,因为我们真正想要建立的是一种普遍的理解,一种对内波物理学、驱动这些混合动力学的动力学的根本性理解。所以我认为这种仪器非常有前景。它为我们提供了一个全新的视角。
我很容易想象,鉴于这些测量的成功,你一定非常渴望携带那根电缆或复制它,并将其带到许多地方,以对正在发生的事情进行调查。你可以看到,你很聪明。你去了你预期测量值差异很大的地方。现在你要得到,再说一次,我只是在推断和猜测。
现在你说,好吧,让我们贪心一点,尝试测量更小的波浪。让我们在全球范围内有系统地进行测量,并绘制波浪空间的地图。没错。
感谢克里斯汀·戴维斯。那是海藻的未来。感谢收听本期节目。你知道,我们的节目库中有超过250集节目。因此,您可以访问与各个领域的专家进行的各种有趣的对话,所有这些都与未来相关。如果您喜欢这个节目,请记住告诉您的朋友、家人和同事。口碑是传播播客新闻的好方法。我们希望能够病毒式传播。
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