Первый эксперимент по затемнению солнца проверит способ охлаждения Земли

1. Объединяя силы
2. Глаз на небо
3. До стратосферы

Фрэнк Койч, Чжэнь Дай и Дэвид Кейт (слева направо) в лаборатории Койча в Гарвардском университете. Кредит: Каяна Шимчак для природы

Чжэнь Дай держит маленькую стеклянную трубку, покрытую белым порошком: карбонатом кальция, повсеместным соединением, используемым во всем, от бумаги и цемента до зубной пасты и смесей для кексов. Положите таблетку в воду, и в результате появится шипучий антацид, который успокаивает желудок. Вопрос для Даи, докторанта Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, и ее коллег, заключается в том, может ли это безвредное вещество помочь человечеству избавиться от основного случая расстройства желудка: глобального потепления, вызванного загрязнением парниковых газов.

Идея проста: распылять кучу частиц в стратосферу, и они будут охлаждать планету, отражая некоторые солнечные лучи обратно в космос. Ученые уже стали свидетелями принципа в действии. Когда в 1991 году на Филиппинах вспыхнула гора Пинатубо, она закачала в стратосферу примерно 20 миллионов тонн диоксида серы - атмосферный слой, который простирается примерно на 10-50 километров над поверхностью Земли. Извержение породило дымку частиц сульфата, которые охлаждали планету примерно на 0,5 ° C. В течение приблизительно 18 месяцев средняя температура Земли возвращалась к тому, что она была до прибытия парового двигателя.

Идея, что люди могут выключить термостат Земли подобными искусственными средствами, существует уже несколько десятилетий. Он вписывается в более широкий класс схем охлаждения планет, известных как геоинженерия, которые долго вызывали интенсивные дебаты и, в некоторых случаях, страх.

Исследователи в значительной степени ограничивают свою работу над такой тактикой компьютерными моделями. Одной из проблем является то, что затемнение Солнца может иметь неприятные последствия или, по крайней мере, нанести серьезный ущерб некоторым районам мира, например, путем грабежа урожая солнечного света и смены режимов дождя.

Но поскольку выбросы продолжают расти, а климатические прогнозы остаются мрачными, разговоры о геоинженерных исследованиях начинают набирать популярность среди ученых, политиков и некоторых экологов. Это связано с тем, что многие исследователи пришли к тревожному выводу, что единственный способ предотвратить серьезные последствия глобального потепления - это либо высосать огромное количество углекислого газа из атмосферы, либо искусственно охладить планету. Или, возможно, более вероятно, оба.

Если все пойдет по плану, команда из Гарварда будет первой в мире, которая выведет солнечную геоинженерию из лаборатории в стратосферу с помощью проекта под названием «Эксперимент с контролируемым возмущением в стратосфере» (SCoPEx). Первый этап - испытание стоимостью 3 миллиона долларов США, включающее два полета управляемого воздушного шара в 20 километрах над юго-западом Соединенных Штатов - может начаться уже в первой половине 2019 года. После проведения эксперимента будут выделены небольшие струи карбоната кальция, каждый из примерно 100 грамм, примерно эквивалентно количеству, найденному в средней бутылке готового антацида. Затем шар поворачивался, чтобы наблюдать, как частицы рассеиваются.

Сам тест крайне скромный. Дай, чья докторская работа в течение последних четырех лет была связана с созданием настольного устройства для моделирования и измерения химических реакций в стратосфере в преддверии эксперимента, не подчеркивает озабоченность по поводу таких исследований. «Я изучаю химическое вещество», - говорит она. «Это не похоже на ядерную бомбу».

Тем не менее, эксперимент будет первым, кто полетит под флагом солнечной геоинженерии. И поэтому он находится под пристальным вниманием, в том числе со стороны некоторых экологических групп, которые говорят, что такие усилия опасно отвлекают от решения единственного постоянного решения проблемы изменения климата: сокращения выбросов парниковых газов. Научный результат SCoPEx на самом деле не имеет значения, говорит Джим Томас, со-исполнительный директор ETC Group, организации по защите окружающей среды в Валь-Дэвиде, недалеко от Монреаля, Канада, которая выступает против геоинженерии: «Это такой же эксперимент в изменение социальных норм и пересечение границ, поскольку это научный эксперимент ».

Осознавая это внимание, команда медленно продвигается и работает над созданием четкого контроля над экспериментом в форме внешнего консультативного комитета для рассмотрения проекта. Некоторые говорят, что такая структура, которая могла бы проложить путь для будущих экспериментов, даже более важна, чем результаты этого одного теста. «SCoPEx - первый выход из ворот, и он вызывает важный разговор о том, как должны выглядеть независимые рекомендации, советы и надзор», - говорит Питер Фрумхофф, главный специалист по климату в Союзе заинтересованных ученых в Кембридже, штат Массачусетс, и член независимой комиссии, которой поручено выбрать руководителя консультативного комитета. «Сделать это правильно гораздо важнее, чем сделать это быстро».

Объединяя силы

Во многих отношениях стратосфера является идеальным местом, чтобы попытаться сделать атмосферу более отражающей. Мелкие частицы, введенные туда, могут распространяться по всему земному шару и оставаться в воздухе в течение двух и более лет. Если стратегически и регулярно размещать в обоих полушариях, они могут создать относительно равномерное покрытие, которое защитит всю планету (см. «Глобальное вмешательство»). Процесс не должен быть дико дорогим; в своем докладе в прошлом месяце Межправительственная группа экспертов по изменению климата предположила, что парк высоколетных самолетов может выделять достаточно серы, чтобы компенсировать потепление примерно на 1,5 ° C, примерно от 1 до 10 миллиардов долларов в год. 1 ,

Пол Джекман / Природа

До сих пор большая часть исследований в области солнечной геоинженерии была сосредоточена на диоксиде серы, том же веществе, которое высвобождается на горе Пинатубо. Но сера не может быть лучшим кандидатом. В дополнение к охлаждению планеты аэрозоли, образующиеся в результате этого извержения, ускорили скорость, с которой хлорфторуглероды разрушают озоновый слой, который защищает планету от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Сульфатные аэрозоли также нагреваются солнцем, что достаточно для потенциального воздействия на движение влаги и даже изменения струйного потока. «Есть все эти последующие эффекты, которые мы не до конца понимаем», - говорит Фрэнк Койч, атмосферный химик из Гарварда и главный исследователь SCoPEx.

Первоначальные эксперименты команды SCoPEx по стратосфере будут сосредоточены на карбонате кальция, который, как ожидается, будет поглощать меньше тепла, чем сульфаты, и оказывать меньшее воздействие на озон. Но ответы из учебника - и даже настольное устройство Дая - не могут получить полную картину. «На самом деле мы не знаем, что он будет делать, потому что его нет в стратосфере», - говорит Койч. «Это устанавливает красный флаг».

SCoPEx стремится собирать реальные данные, чтобы разобраться в этом. Эксперимент начался как партнерство химика-атмосферщика Джеймса Андерсона из Гарварда и физика-экспериментатора Дэвида Кейта, который переехал в университет в 2011 году. Кейт изучал различные варианты геоинженерии время от времени в течение более 25 лет. В 2009 году, находясь в Университете Калгари в Канаде, он основал компанию Carbon Engineering в Сквомиш, которая занимается коммерциализацией технологии удаления углекислого газа из атмосферы. После присоединения к Гарварду Кит использовал финансирование исследований, которое он получил от соучредителя Microsoft Билла Гейтса, чтобы начать планирование эксперимента.

Койч, который ввязался позже, не специалист по климату и в лучшем случае неохотный геоинженер. Но он беспокоится о том, куда движется человечество, и что это значит для будущего его детей. Когда он увидел, как Кит говорил об идее SCoPEx на конференции после старта в Гарварде в 2015 году, он говорит, что его первоначальной реакцией было то, что идея была «совершенно безумной». Тогда он решил, что пришло время заниматься. «Я спросил себя, химик-атмосферщик, что я могу сделать?» Он объединил усилия с Китом и Андерсоном и с тех пор возглавил экспериментальную работу.

Глаз на небо

Уже сейчас SCoPEx продвинулся дальше, чем предыдущие усилия в области солнечной геоинженерии. Британский эксперимент по инжекции стратосферных частиц для климатической инженерии, целью которого было распыление воды на 1 километр в атмосферу, был отменен в 2012 году отчасти из-за того, что ученые подали заявки на патенты на устройство, которое в конечном итоге может повлиять на каждого человека на планете. (По словам Кейта, не будет никаких патентов на какие-либо технологии, участвующие в проекте SCoPEx.) И американские исследователи с проектом «Осветление морских облаков», целью которого является распыление капель морской воды в нижние слои атмосферы для повышения отражательной способности облаков океана, пытаются собирать деньги на проект почти десятилетие.

Экологическая камера для тестирования приборов, используемых в полевой миссии SCoPEx. Кредит: Каяна Шимчак для природы

Хотя SCoPEx может стать первым экспериментом в области солнечной геоинженерии, Кейт говорит, что другие проекты, которые не были названы как таковые, уже предоставили полезные данные. Например, в 2011 году эксперимент по выделению аэрозольных облаков в восточной части Тихого океана закачал дым в нижние слои атмосферы, имитируя загрязнение с судов, что может привести к осветлению облаков за счет поглощения большего количества водяного пара. Тест использовался для изучения воздействия на морские облака, но результаты имели непосредственное отношение к геоинженерной науке: более яркие облака производили охлаждающий эффект, в 50 раз больший, чем согревающий эффект выбросов углерода с корабля исследователей. 2 ,

Кит говорит, что команда Гарварда еще не сталкивалась с публичными протестами или какой-либо прямой оппозицией - за исключением случайного теоретика заговора. По его словам, проблема, стоящая перед исследователями, больше связана со страхом среди финансирующих науку учреждений, что инвестиции в геоинженерию приведут к протестам со стороны экологов.

Чтобы помочь в продвижении в этой области, Кит поставил в 2016 году цель собрать 20 миллионов долларов для поддержки официальной исследовательской программы, которая будет охватывать не только экспериментальную работу, но и исследования в области моделирования, управления и этики. На данный момент он собрал около 12 миллионов долларов, в основном из благотворительных источников, таких как Гейтс; Банк предоставляет финансирование десяткам людей, в основном на условиях неполного рабочего дня.

Кит и Койч также хотят, чтобы внешний консультативный комитет рассмотрел SCoPEx, прежде чем он полетит. Комитет, который еще предстоит избрать, будет отчитываться перед деканом по инженерным вопросам и вице-проректором по исследованиям в Гарварде. «Мы рассматриваем это как часть процесса создания более широкой поддержки исследований по этой теме», - говорит Кит.

Keutsch надеется получить руководство от внешней группы и надеется, что он сможет прояснить, как должны проходить такие тесты, как его. «Это гораздо более сложный политический эксперимент, чем я ожидал», - говорит он. «Я был немного наивным»

SCoPEx также сталкивается с техническими проблемами. Он должен распылять частицы нужного размера: специалисты рассчитывают, что частицы диаметром около 0,5 микрометра должны рассеиваться и хорошо отражать солнечный свет. Воздушный шар также должен иметь возможность полностью изменить направление движения в воздухе, чтобы он мог проходить сам по себе. Предполагая, что команда в состоянии найти шлейф карбоната кальция - и нет никакой гарантии, что они могут - SCoPEx нужны инструменты, которые могут анализировать частицы и, как мы надеемся, доставить образцы обратно на Землю.

«Это будет сложный эксперимент, и он может не сработать», - говорит Дэвид Фахи, ученый-атмосферщик из Национального управления океанических и атмосферных исследований в Боулдере, штат Колорадо. В надежде, что это произойдет, команда Фахи предоставила SCoPEx легкий инструмент, который может надежно измерять размер и количество высвобождаемых частиц. Воздушный шар также будет оснащен лазерным устройством, которое может контролировать шлейф издалека. Другое оборудование, которое могло бы собирать информацию об уровне влажности и озона в стратосфере, также могло летать на воздушном шаре.

До стратосферы

Койч и Кейт все еще прорабатывают некоторые технические детали. Планы с одной аэростатной компанией провалились, поэтому они работают со вторым. И независимая команда инженеров в Калифорнии работает над опциями для опрыскивателя. Чтобы упростить задачу, группа SCoPEx планирует летать на воздушном шаре весной или осенью, когда стратосферные ветры изменят направление и - на короткое время - успокоятся, что облегчит отслеживание шлейфа.

По всем этим причинам Keutsch характеризует первый полет как инженерное испытание, в основном предназначенное для демонстрации того, что все работает как надо. Команда готова распылять частицы карбоната кальция, но вместо этого может использовать соленую воду для проверки опрыскивателя, если консультативный комитет возражает.

Кит по-прежнему считает, что сульфатные аэрозоли в конечном итоге могут быть лучшим выбором для солнечной геоинженерии, хотя бы потому, что было проведено больше исследований об их воздействии. Он говорит, что вероятность того, что сульфаты усиливают истощение озонового слоя, должна стать менее серьезной проблемой в будущем, поскольку продолжаются усилия по восстановлению озонового слоя путем сокращения выбросов загрязняющих веществ. Тем не менее, его главная надежда - создать экспериментальную программу, в которой ученые смогут исследовать различные аспекты солнечной геоинженерии.

Есть много нерешенных вопросов. Некоторые исследователи предполагают, что солнечная геоинженерия может изменить характер осадков и даже привести к увеличению засухи в некоторых регионах. Другие предупреждают, что одно из возможных преимуществ солнечной геоинженерии - поддержание урожайности, защищая их от теплового стресса - может не состояться. В исследовании, опубликованном в августе, исследователи обнаружили, что урожайность кукурузы (кукурузы), сои, риса и пшеницы 3 Падение после двух извержений вулкана, горы Пинатубо в 1991 году и Эль-Чичон в Мексике в 1982 году, затуманило небо. Таких сокращений может быть достаточно, чтобы свести на нет любые потенциальные выгоды в будущем.

Кит говорит, что наука до сих пор предполагает, что выгоды могут значительно перевесить потенциальные негативные последствия, особенно по сравнению с миром, в котором потепление не контролируется. Обычно упоминаемый недостаток заключается в том, что защита от солнца не влияет на выбросы, поэтому уровни парниковых газов будут продолжать расти, а океан станет еще более кислым. Но он предполагает, что солнечная геоинженерия может уменьшить количество углерода, который в противном случае оказался бы в атмосфере, в том числе за счет минимизации потерь вечной мерзлоты, стимулирования роста лесов и уменьшения потребности в охлаждении зданий. В еще неопубликованном анализе экстремальных осадков и температуры с использованием климатической модели высокого разрешения Кит и другие обнаружили, что почти все регионы мира выиграют от программы умеренной солнечной геоинженерии. «Несмотря на все проблемы, мы не можем найти какие-либо области, которые были бы определенно хуже», - говорит он. «Если солнечная геоинженерия так же хороша, как это показано на этих моделях, было бы безумием не воспринимать это всерьез».

По-прежнему широко распространена неопределенность в отношении состояния науки и допущений в моделях, включая идею о том, что человечество может собраться вместе, чтобы создать, поддержать и затем в конечном итоге демонтировать хорошо разработанную геоинженерную программу, решая при этом основную проблему выбросов. Тем не менее, известные организации, в том числе Королевское общество Великобритании и Национальные академии наук США, инженерии и медицины, призвали к дополнительным исследованиям. В октябре академии запустили проект, который попытается представить план такой программы.

Некоторые организации уже пытаются продвигать дискуссии между политиками и правительственными чиновниками на международном уровне. Например, Инициатива по управлению солнечной радиацией проводит семинары по всему югу. А Янош Пазтор, который занимался вопросами климата при бывшем генеральном секретаре ООН Пан Ги Муне, беседовал с высокопоставленными правительственными чиновниками по всему миру в качестве главы инициативы Карнеги по климатической геоинженерии, некоммерческой организации, основанной в Нью-Йорке. «Правительства должны участвовать в этой дискуссии и понимать эти вопросы», - говорит Пастор. «Они должны понимать риски - не только риски, связанные с этим, но и риски не понимать и не знать».

Одна из проблем заключается в том, что правительства могут однажды запаниковать по поводу последствий глобального потепления и поспешить с бессистемной программой солнечной геоинженерии, что вполне вероятно, если учесть, что затраты достаточно дешевые, что многие страны, и, возможно, даже несколько человек, вероятно, могут позволить идти в одиночку. Эти и другие вопросы возникли ранее в этом месяце в Кито, Эквадор, на ежегодном саммите Монреальского протокола, который регулирует химические вещества, которые наносят ущерб стратосферному озоновому слою. Несколько стран призвали провести научную оценку потенциальных последствий, которые солнечная геоинженерия может оказать на озоновый слой и в целом на стратосферу.

Если мир серьезно относится к геоинженерии, Фахи говорит, что есть много сложных экспериментов, которые исследователи могли бы сделать, используя спутники и летающие самолеты. Но на данный момент, говорит он, SCoPEx будет полезен - хотя бы потому, что продвигает разговор вперед. «Не говорить о геоинженерии - самая большая ошибка, которую мы можем сделать прямо сейчас».

Похожие

Комментарии