化学与地球系统科学伦理（地球工程）联系试题

化学与地球系统科学伦理（地球工程）联系试题一、选择题平流层气溶胶注入（SAI）技术中，常用的化学物质是（）A.二氧化硫B.二氧化碳C.甲烷D.氧气海洋施肥技术通过添加铁盐促进浮游植物光合作用，其主要化学原理是（）A.铁是叶绿素合成的关键辅酶B.铁能直接吸收二氧化碳C.铁盐可降低海水pH值D.铁与碳酸盐反应生成沉淀下列哪种地球工程技术可能导致海洋酸化加剧？（）A.人工增云B.碳捕获与封存（CCS）C.海洋碱化D.地表反照率增强地球系统科学中，“碳循环”的核心化学反应是（）A.2CO₂+2H₂O→2CH₃OH+3O₂B.CO₂+H₂O⇌H₂CO₃⇌H⁺+HCO₃⁻C.6CO₂+6H₂O→C₆H₁₂O₆+6O₂D.CO₂+CaO→CaCO₃伦理学家反对地球工程的核心理由不包括（）A.技术不确定性可能引发不可逆生态损害B.发达国家可能将环境责任转嫁发展中国家C.地球工程会减缓减排行动的政治意愿D.化学物质成本过高导致经济不可行某团队计划向海洋投放氧化钙以吸收CO₂，其化学反应方程式正确的是（）A.CaO+CO₂→CaCO₃B.CaO+H₂O→Ca(OH)₂，随后Ca(OH)₂+CO₂→CaCO₃↓+H₂OC.CaO+2CO₂→Ca(C₂O₄)D.CaO+CO₂+H₂O→Ca(HCO₃)₂碳捕获与封存（CCS）技术中，若封存的CO₂发生泄漏，可能对地下水造成的化学影响是（）A.使地下水pH值升高B.导致钙、镁离子浓度下降C.生成有毒的碳酸铅沉淀D.增加水中碳酸氢盐含量“太阳辐射管理”技术的化学风险不包括（）A.平流层臭氧分解B.酸雨频率增加C.全球碳循环失衡D.土壤营养元素淋溶二、简答题简述人工海洋碱化技术的化学原理，并分析其可能引发的跨区域伦理争议。人工海洋碱化通过向海洋投放碱性物质（如氢氧化钙、碳酸钠）提高海水pH值，促进HCO₃⁻转化为CO₃²⁻，进而与Ca²⁺结合生成CaCO₃沉淀，实现碳封存。化学方程式可表示为：Ca(OH)₂+CO₂→CaCO₃↓+H₂ONa₂CO₃+CO₂+H₂O→2NaHCO₃伦理争议在于：碱性物质生产过程可能伴随高碳排放（如石灰煅烧），导致“碳足迹抵消”悖论；富营养化海域可能因碱化引发藻类暴发性繁殖，剥夺其他生物生存资源；发展中国家可能被迫接受发达国家主导的海洋改造计划，丧失对沿海资源的自主管理权。分析二氧化硫注入平流层的短期降温效果与长期生态风险。短期来看，SO₂与O₂、H₂O反应生成硫酸盐气溶胶（2SO₂+O₂+2H₂O→2H₂SO₄），通过散射太阳辐射降低地表温度。但长期风险包括：平流层臭氧分解：硫酸气溶胶表面可催化ClO与O₃的反应，加剧臭氧层空洞；酸雨加剧：气溶胶沉降至地表会增加降水酸性，损害陆地生态系统；全球碳循环干扰：降温可能抑制植物光合作用，反而降低自然碳汇能力。某公司计划在热带海域进行大规模铁施肥实验，从化学与伦理角度提出两项关键评估指标。化学指标：铁盐浓度与浮游植物生长的剂量效应关系，避免过量铁引发有毒藻类（如甲藻）繁殖；海水中溶解氧变化速率，防止浮游植物死亡分解消耗氧气导致“死亡区”。伦理指标：实验区域是否涉及原住民传统渔场，是否获得当地社区知情同意；铁施肥产生的碳捕获效益是否真正用于减排，而非成为企业继续排放的“道德许可”。三、论述题结合化学原理与代际伦理，论证“碳捕获与封存（CCS）技术”的争议性。CCS技术通过将工业排放的CO₂压缩为超临界流体，注入深部地质构造（如枯竭油田、盐矿）封存。化学层面，CO₂可与岩石矿物发生矿化反应（如CO₂+Mg₂SiO₄→2MgCO₃+SiO₂），实现长期稳定存储。但争议在于：技术不确定性：若封存库发生泄漏，CO₂可能通过地下水扩散，与Ca²⁺、Mg²⁺结合形成碳酸盐沉淀，堵塞含水层孔隙，影响地下水资源安全；代际公平：CCS将当前碳排放的环境成本转移给未来世代，一旦发生泄漏，后代将面临更严重的气候风险，却未参与决策过程；社会正义：发展中国家可能因技术成本过高被排除在CCS部署之外，而发达国家通过CCS继续维持高碳生活方式，加剧全球气候治理的不平等。某国际组织提议通过“人工火山”工程（SAI）应对全球变暖，设计一组对照实验验证其化学安全性。实验设计需包含以下变量：实验组：在封闭大气模拟舱中注入不同浓度SO₂（0.1-10ppm），监测O₃浓度变化（SO₂与O₃的光化学反应）、酸雨pH值（H₂SO₄生成量）及植物叶片硫积累量；对照组：相同条件下注入等量氮气，排除气压、温度等无关变量干扰；伦理对照组：在实验前需公示潜在风险，如SO₂泄漏对周边社区的健康影响，并设立第三方监督机构评估实验终止阈值（如O₃浓度下降超过10%时立即停止）。从“技术乐观主义”与“风险预防原则”的对立角度，分析化学地球工程的伦理困境。技术乐观主义认为，通过精准调控化学剂量（如SAI中SO₂的年排放量控制在500万吨以内），可在避免生态副作用的前提下实现降温。例如，模型预测显示，若将平流层硫酸盐气溶胶浓度维持在1991年皮纳图博火山喷发后的1/10水平，可使全球温度降低0.5℃。风险预防原则则强调，化学物质在地球系统中的迁移转化具有不可预测性。例如，海洋施肥实验发现，铁诱导的浮游植物bloom可能释放二甲硫醚（DMS），通过大气化学反应间接影响云形成，导致区域降水模式改变。这种“蝴蝶效应”可能对依赖季风的农业区造成灾难性后果。伦理困境的核心在于：是否允许以“拯救地球”为名，将全人类置于未经验证的化学实验中？四、案例分析题案例：2025年某科技公司在北大西洋实施“海洋碱化”项目，向海水中投放氢氧化钙粉末，计划每年吸收1亿吨CO₂。项目实施后，周边海域出现贝类死亡、浮游生物群落结构改变等现象。从化学角度分析贝类死亡的可能原因。氢氧化钙投放导致局部海水pH值急剧升高（超过8.5），破坏贝类（如牡蛎）外壳的碳酸钙平衡：CaCO₃(s)⇌Ca²⁺(aq)+CO₃²⁻(aq)。高pH值下CO₃²⁻浓度增加，虽促进CaCO₃沉淀，但贝类幼虫无法从海水中摄取足够Ca²⁺构建外壳；同时，碱化可能干扰贝类鳃细胞膜的离子交换功能，导致呼吸障碍。该项目未获得沿岸国家许可，违反了哪些伦理原则？跨境环境正义：海洋是共享资源，单方面改变海水化学性质侵犯了其他国家的环境权；程序正义缺失：未通过国际协商机制（如《联合国海洋法公约》）进行环境影响评估，剥夺了利益相关方的参与权；风险分配不公：项目收益（碳减排信用）由公司和发达国家获取，而生态损害由沿岸发展中国家承担。若要改进该项目，从化学工艺与伦理治理角度提出三项具体措施。化学工艺优化：采用缓释型氢氧化钙微胶囊，控制pH值升高速率不超过0.2单位/天，减少对生物的急性毒性；分区实验机制：先在封闭海湾进行小规模实验（1平方公里），持续监测5年，确认无生态副作用后再逐步扩大；国际治理框架：成立由科学家、沿岸社区代表、环保组织组成的监督委员会，拥有项目暂停与终止权，并设立生态修复基金，比例不低于项目总投资的20%。五、开放题设计一种“低风险地球工程化学方案”，并论证其伦理可行性。方案：人工加速硅酸盐风化，向中纬度森林土壤施加粉碎的橄榄石（Mg₂SiO₄）。化学原理为：Mg₂SiO₄+2CO₂+2H₂O→2MgCO₃+H₄SiO₄。与其他技术相比，其优势在于：温和性：反应速率缓慢（需数十年至百年尺度），可通过调节橄榄石施用量控制碳捕获速率；生态协同性：生成的H₄SiO₄可促进植物生长，Mg²⁺能改善土壤肥力；伦理可行性：本地化实施：在退化林地进行，不占用耕地或自然保护区；社区参与：由当地农民自主决定是否参与，通过碳汇交易获得收益；可逆性：若发现土壤重金属超标（如橄榄石中的镍），可停止施用并通过深耕稀释。该方案需满足“比例原则”：碳捕获效益必须显著大于橄榄石开采、运输过程中的碳排放，且长期监测数据需向全球公开，接受国际科学界监督。六、判断题地球工程技术的化学风险具有区域性，不会通过大气环流或洋流扩散至全球（）从后果主义伦理角度，只要地球工程能拯救更多生命，短期生态损害是可接受的（）碳捕获与封存技术中，CO₂与玄武岩的矿化反应是不可逆的，因此被认为是最安全的封存方式（）发展中国家在地球工程决策中应拥有与发达国家同等的投票权，体现“分配正义”原则（）（参考答案：19.×20.×21.√22.√）七、综合应用题某国计划通过“人工增雨”技术增加亚马逊雨林降水量，使用碘化银（AgI）作为凝结核。请从化学链反应与生态伦理角度评估该计划。化学链反应：AgI在云层中形成冰晶核心（AgI的晶体结构与冰相似），促进水滴凝结。但Ag⁺可能通过降水进入土壤，与有机质结合生成稳定络合物，长期积累可能抑制固氮菌活性，降低雨林土壤肥力。生态伦理冲突：生态整体性破坏：雨林降水模式改变可能影响下游国家（如巴西、秘鲁）的农业用水；技术依赖陷阱：人工增雨可能削弱保护雨林的政治意愿，导致伐木、采矿活动加剧；代际责任：AgI的环境半衰期超过100年，后代将面临重金属污染的治理成本。建议替代方案：通过恢复当地植被（如种植本土树种）增强自然蒸腾作用，既避免化学干预，又能提升生态系统的自我调节能力。结合“碳循环”与“正义论”，提出地球工程技术的全球治理框架三大原则。化学透明原则：所有地球工程实验需公开化学物质种类、剂量及环境迁移模型，接受独立实验室验证；风险共担原则：发达国家需承担70%以上的技术研发成本，并向发展中国家转让监测技术；生态补偿原则：对受地球工程负面影响的地区（如SAI导致的干旱区），需设立跨国赔偿基金，资金来源于碳税及地球工程收益分成。该框架需嵌入现有国际气候协议（如《巴黎协定》），并设立“地球工程伦理委员会”，由科学家、伦理学家、原住民代表组成，拥有项目否决权。八、材料分析题材料：2024年《自然》杂志发表研究称，“海洋尿素施肥”可使浮游植物固碳量提升30%，但实验发现海水中NH₄⁺浓度异常升高，导致鱼类肝脏中毒。写出尿素分解的化学方程式，并解释鱼类中毒的原因。尿素分解：CO(NH₂)₂+H₂O→2NH₃+CO₂，NH₃进一步与水反应生成NH₄⁺。鱼类通过鳃吸收NH₄⁺后，会干扰血液中血红蛋白的氧结合能力，导致组织缺氧；同时NH₄⁺在肝脏中转化为尿素的过程消耗大量ATP，引发代谢紊乱。该实验未通过伦理审查的关键缺陷是什么？未进行“剂量-效应”预实验，直接在开放海域投放高浓度尿素；未设立生态影响的长期监测指标（如鱼类种群数量变化）；未通知实验海域周边渔民，剥夺了其规避风险的权利。若要重复该实验，应如何设计伦