Используя сложную компьютерную модель, ученые впервые продемонстрировали, что новый исследовательский подход к геоинженерии потенциально может быть использован для ограничения потепления Земли до определенной цели при одновременном снижении некоторых рисков и проблем, выявленных в прошлых исследованиях. включая неравномерное охлаждение земного шара.
Ученые разработали специальный алгоритм для модели системы Земля, который варьирует объем и место проведения геоинженерных работ - в данном случае, закачки двуокиси серы высоко в атмосферу - которые теоретически необходимы из года в год для эффективно утепление шапки. Однако они предупреждают, что необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, будет ли этот подход практичным или даже возможным в реальном мире.
Результаты нового исследования, проведенного учеными из Национального центра атмосферных исследований (NCAR), Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) и Корнельского университета, представляют собой значительный шаг вперед в области геоинженерии. Тем не менее, есть много вопросов, на которые необходимо ответить о закачке диоксида серы, в том числе о том, как этот тип техники может изменить региональную структуру осадков и в какой степени такие инъекции могут повредить озоновый слой. Возможность глобальных геоинженерных усилий по борьбе с потеплением также вызывает серьезные управленческие и этические проблемы.
«Это важная веха, которая дает надежду на то, что может быть возможно в будущем», - сказал ученый NCAR Яга Рихтер, один из ведущих авторов. «Но это только начало, предстоит еще много исследований».
Прошлые исследования по моделированию обычно пытались ответить на вопрос: «Что произойдет, если мы займемся геоинженерией?» Результаты этих исследований описывают результаты - как положительные, так и отрицательные - введения в атмосферу заданного количества сульфатов, часто прямо на экваторе Земли. Но они не пытались определить результат, которого надеялись достичь с самого начала.
В серии новых исследований исследователи перевернули вопрос, вместо этого спросив: «Как можно использовать геоинженерию для достижения конкретных климатических целей?»
«Мы действительно изменили вопрос и тем самым обнаружили, что можем лучше понять, чего может достичь геоинженерия», - сказал Рихтер.
Результаты исследования подробно изложены в серии статей, опубликованных в специальном выпуске Журнала геофизических исследований - Атмосферы.
ИМИТАЦИЯ ВУЛКАНА
Теоретически геоинженерия - крупномасштабные вмешательства, направленные на изменение климата, - может принимать разные формы, от запуска солнечных зеркал на орбиту до удобрения жадных до углерода океанских водорослей. Для этого исследования команда изучила один широко обсуждаемый подход: введение диоксида серы в верхние слои атмосферы над облачным слоем.
Идея борьбы с глобальным потеплением с помощью этих инъекций навеяна самыми массовыми извержениями вулканов в истории. Когда вулканы извергаются, они поднимают диоксид серы высоко в атмосферу, где он химически превращается в светорассеивающие частицы сульфата, называемые аэрозолями. Эти сульфаты, которые могут задерживаться в атмосфере на несколько лет, разносятся по Земле стратосферными ветрами, образуя отражающий слой, охлаждающий планету.
Чтобы имитировать эти эффекты, двуокись серы может быть введена непосредственно в стратосферу, возможно, с помощью высоколетящего самолета. Но хотя инъекции и противодействуют глобальному потеплению, они не решат всех проблем, связанных с изменением климата, и, вероятно, будут иметь свои негативные побочные эффекты.
Например, инъекции не компенсируют закисление океана, которое напрямую связано с выбросами углекислого газа. Геоинженерия также может привести к значительным нарушениям режима выпадения осадков, а также к задержкам в заживлении озоновой дыры. Более того, как только начнется геоинженерия, если общество захочет избежать быстрого и резкого повышения температуры, инъекции должны будут продолжаться до тех пор, пока усилия по смягчению последствий не станут достаточными, чтобы ограничить потепление сами по себе.
Также, вероятно, возникнут серьезные проблемы международного управления, которые необходимо будет преодолеть, прежде чем можно будет реализовать программу геоинженерии.
«Для лиц, принимающих решения, чтобы точно взвесить все за и против геоинженерии по сравнению с изменением климата, вызванным деятельностью человека, им нужно больше информации», - сказал ученый PNNL Бен Кравиц, также ведущий автор исследований. «Наша цель - лучше понять, что геоинженерия может, а что нет».
МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНОЙ ХИМИИ
Для новых исследований ученые использовали основанную на NCAR модель системы Земли сообщества с ее расширенным атмосферным компонентом, Климатическую модель сообщества всей атмосферы. WACCM включает подробную химию и физику верхних слоев атмосферы и недавно был обновлен для моделирования эволюции стратосферного аэрозоля из исходных газов, включая геоинженерию..
«Для этого исследования было важно, чтобы наша модель могла точно отражать химический состав атмосферы, чтобы мы могли понять, как быстро диоксид серы будет преобразован в аэрозоли и как долго эти аэрозоли будут сохраняться», - сказал NCAR. ученый Майкл Миллс, также ведущий автор. «Большинство глобальных климатических моделей не включают эту интерактивную атмосферную химию».
Ученые также значительно улучшили то, как модель имитирует тропические стратосферные ветры, которые меняют направление каждые несколько лет. Точное представление этих ветров имеет решающее значение для понимания того, как аэрозоли разносятся по планете.
Ученые успешно протестировали свою модель, увидев, насколько хорошо она может имитировать мощное извержение вулкана Пинатубо в 1991 году, включая количество и скорость образования аэрозолей, а также то, как эти аэрозоли переносились по всему миру и как долго они остался в атмосфере.
Затем ученые начали исследовать последствия закачки диоксида серы на разных широтах и высотах. Из прошлых исследований ученые знали, что сульфаты, вводимые только на экваторе, воздействуют на Землю неравномерно: переохлаждая тропики и недоохлаждая полюса. Это особенно проблематично, поскольку изменение климата нагревает Арктику более быстрыми темпами. Изменение климата также приводит к тому, что Северное полушарие нагревается быстрее, чем Южное полушарие.
Исследователи использовали эту модель для изучения 14 возможных мест инъекций на семи разных широтах и двух разных высотах - то, что никогда раньше не делалось в геоинженерных исследованиях. Они обнаружили, что могут более равномерно распределять охлаждение по земному шару, выбирая места инъекций по обе стороны от экватора.
РЕШЕНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ЦЕЛЕЙ
Затем исследователи объединили всю свою работу в единую модель моделирования с конкретными целями: ограничить среднее глобальное потепление до уровня 2020 года до конца века и минимизировать разницу в охлаждении между экватором и полюсами как а также между северным и южным полушариями.
Они предоставили модели четыре варианта мест инъекции - на 15 градусах и 30 градусах северной и южной широты - а затем реализовали алгоритм, который определяет для каждого года лучшие места инъекции и необходимое количество диоксида серы на тех сайтах. Способность модели переформулировать объем геоинженерных работ, необходимых каждый год, исходя из условий этого года, также позволила симуляции реагировать на естественные колебания климата.
Модель успешно поддерживала приземные температуры на уровне 2020 года на фоне увеличения выбросов парниковых газов, что соответствовало бы обычному сценарию. Способность алгоритма выбирать места инъекций охлаждала Землю более равномерно, чем в предыдущих исследованиях, потому что он мог вводить больше диоксида серы в области, которые нагревались слишком быстро, и меньше - в области, которые переохлаждались.
Однако к концу века количество диоксида серы, которое необходимо будет вводить каждый год, чтобы компенсировать вызванное деятельностью человека глобальное потепление, будет огромным: почти в пять раз больше, чем количество, выбрасываемое в воздух горой Пинатубо. 15 июня 1991 г.
ПЕРЕВЕРНУТЬ ВОПРОС НА ИССЛЕДОВАНИЕ
«Результаты показывают, что можно перевернуть исследовательский вопрос, которым руководствовались геоинженерные исследования, и не просто исследовать, что делает геоинженерия, но рассматривать ее как проблему дизайна», - сказал Дуг МакМартин, ученый из Корнеллского и Калифорнийского университетов. Технологический Институт. «Когда мы посмотрим на это в таком свете, мы сможем приступить к разработке стратегии достижения целей общества».
В текущей серии исследований корректировка плана геоинженерии всего один раз в год позволила исследователям удерживать среднюю глобальную температуру на уровне 2020 года в данном году, но региональные температуры, а также сезонные изменения температуры иногда холоднее или горячее, чем хотелось бы. Таким образом, следующие шаги могут включать в себя изучение возможности более частых корректировок при другом выборе мест инъекции.
Ученые уже работают над новым исследованием, которое поможет им понять возможное влияние геоинженерии на региональные явления, такие как азиатские муссоны.
«Мы все еще далеки от понимания всех взаимодействий в климатической системе, которые могут быть вызваны геоинженерией, а это значит, что мы еще не понимаем весь спектр возможных побочных эффектов», - сказала ученый NCAR Симона Тилмес., ведущий автор. «Но изменение климата также создает риски. Продолжение исследований в области геоинженерии имеет решающее значение для оценки преимуществ и побочных эффектов, а также для информирования лиц, принимающих решения, и общества».
Исследование финансировалось Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов и Национальным научным фондом, спонсором NCAR.