Как изменить климат на Земле? Основные методы

Земной шар

Как мы можем спроектировать климат будущего? Эта статья посвящена некоторым идеям манипулирования энергетическим балансом Земли, а также кое-каким методам, с помощью которых можно это сделать.

Содержание:

1 Склонить чашу весов энергетического баланса

Представьте, что вас наняли в качестве консультанта по энергетическому балансу, чтобы проконсультировать человечество по вопросу как изменить климат. Как вы уже читали в предыдущих статьях, существуют веские причины для инженерного воздействия на климат. Но вопрос в том, как это сделать?

Как консультант по энергетическому балансу, вы должны «склонить чашу весов» энергетического баланса Земли.

Например, вы могли бы осуществить геоинжиниринг климата путем отражения солнечного света с помощью зеркал (для уменьшения поступающей энергии) и/или уменьшив парниковый эффект (для увеличения выходящей энергии).

Самым большим источником поступающей энергии на Землю является Солнце. Сколько энергии мы получаем от невероятно огромного термоядерного реактора в нашей Солнечной системе? Ответ может вас удивить!

2 Энергия Солнца

Солнце снабжает Землю энергией: поток солнечного излучения составляет 385 триллионов триллионов Вт (3,85 × 1026 Вт). Но поскольку Земля находится на расстоянии 150 млн км от Солнца (в среднем), она перехватывает лишь малую часть этой энергии.

Это похоже на садовый разбрызгиватель или фонтан. Изначально подается большой поток воды, который распыляется во все стороны, но каждая из форсунок получает лишь малую часть.

Как изменить климат на Земле? Основные методы
Рисунок 1 На этой фотографии изображен фонтан Эль-Аламейн в Сиднее, Австралия, состоящий из множества фонтанчиков, направленных во все стороны, так что фактически это сфера из форсунок, распыляющих воду во всех направлениях.

Земля перехватывает количество солнечного излучения на единицу площади с плотностью потока энергии в верхней части атмосферы, усредненной по площади поверхности всей Земли — 342 Вт/м2. В расчёте на полную поверхность Земли (по данным за 2000—2004 г.г.) этот поток составляет 1,74·1017 Вт. Именно эту энергию следует уменьшить в своем геоинженерном проекте.

3 Уменьшение поступающей энергии

Какие технологии и методы вы могли бы внедрить, чтобы уменьшить количество поступающей на планету солнечной энергии?

Методы геоинжиниринга, уменьшающие приток энергии от Солнца, известны как управление солнечной радиацией (Solar Radiation Management — SRM). Мы  рассмотрим четыре основных метода, выбранных с учетом степени их изученности.

3.1 Солнечные экраны

Самая простая концепция уменьшения энергии — это «убавить» Солнце: уменьшить количество солнечного излучения, достигающего Земли, с помощью солнечных экранов.

Космическое зеркало
Рис. 2 Солнечное зеркало в лаборатории Исследовательского центра Льюиса, ныне известном как Исследовательский центр Джона Х. Гленна, США

В 1989 году ученый Джеймс Т. Эрли, работавший в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, предположил, что для того, чтобы компенсировать парниковый эффект, в космосе можно разместить космическое зеркало диаметром 2000 км.  Он предложил изготовить его на Луне с использованием кремния, содержащегося в лунной почве, и оценил стоимость этого проекта от одного до десяти триллионов долларов США.

В 2006 году Роджер Энджел, исследователь из Университета Аризоны, предложил отправить миллионы космических зеркал меньших размеров вместо одного большого зеркала, чтобы снизить затраты и повысить осуществимость этого проекта, поскольку одно зеркало для того, чтобы блокировать только один процент солнечного света должно быть площадью примерно 1,5 миллиона квадратных километров.

Эту идею поддержало искусство: Артур К. Кларк и Стивен Бакстер написали научно-фантастическую книгу «Солнечный шторм» в 2005 году о щите, защищающем Землю от солнечных бурь, спустя много лет после того, как эта идея была впервые предложена в научной статье.

Таким образом, идея отражения или отклонения солнечного света с помощью одного или нескольких космических зеркал — также называемых космическими солнцезащитными зонтами — имеет долгую и богатую историю. Эта, казалось бы, необычная идея «предотвратить климатический Армагеддон» все еще витает в воздухе (рис. 3). 

Статья Forbes
Рисунок 3 Статья Forbes об использовании солнечных щитов для «предотвращения климатического Армагеддона» (сентябрь 2012 года).На этом рисунке изображена статья из журнала Forbes. Заголовок гласит: Солнечная геоинженерия: Использование космических технологий для предотвращения климатического Армагеддона». Автором статьи является Брюс Дорминей.

Как консультант по энергетическому балансу Земли, вы могли бы разработать отражающий солнечный щит, расположенный между Солнцем и Землей, чтобы отражать часть солнечного излучения. Теоретически можно разработать солнечный щит, который может компенсировать любое количество CO2.

Вспомните четыре RCP, о которых вы читали в предыдущей статье: сценарии будущих концентраций парниковых газов и других изменений, вызванных деятельностью человека. Во всех сценариях, кроме самого щадящего, RCP2.6, концентрация CO2 в атмосфере к концу века достигает как минимум удвоенного доиндустриального уровня: концентрация CO2 увеличивается с 280 ppm, существовавшей в доиндустриальные времена, до примерно 560 ppm или более.

Угадайте на сколько процентов примерно нужно уменьшить энергию Солнца, поступающую на Землю, чтобы компенсировать удвоение концентрации CO2:

0,1%, 1%, 10% или 20%?

Правильный ответ: 1,6%. Это довольно маленькое число! Таким образом, вы видите, что для компенсации последствий увеличения концентрации парниковых газов необходимы лишь небольшие изменения в солнечном излучении.

  Можно разместить солнечный щит в стабильном месте, на удалении от Земли примерно в четыре раза дальше, чем Луна. Если бы вы хотели блокировать 1,6% входящего солнечного излучения, чтобы противостоять эффекту глобального потепления от удвоения концентрации CO2, можно было бы использовать круглый щит диаметром около 2000 км: примерно расстояние от Лондона до южной оконечности Италии.

В конце прошлого века предпринимались попытки осуществить идею об экранировании солнечного света. В частности, в Российской Федерации был осуществлен ряд запусков космических кораблей с целью развернуть на околоземной орбите космические зеркала. Проект получил название «Знамя»  и состоял из двух экспериментов «Знамя-2» (1992 г), неудавшегося «Знамя – 2.5» (1999 г.), а также предложенного проекта «Знамя-3». После неудачного развертывания «Знамя 2.5» проект был заброшен Федеральным космическим агентством России.

«Знамя-2» представляло собой космическое солнечное зеркало шириной 20 метров. После успешного развертывания зеркало при освещении произвело яркое пятно на Земле шириной 5 км, которое пересекло Европу от южной Франции до западной России со скоростью 8 км/ч. Зеркало сошло с орбиты через несколько часов и сгорело при входе в атмосферу над Канадой.

«Знамя 2.5» стало преемником «Знамени-2». Зеркало имело диаметр 25 м, и ожидалось, что оно произведет яркое пятно диаметром 7 км со светимостью от пяти до десяти полных лун. Однако вскоре после развертывания зеркало зацепилось за антенну космического корабля «Прогресс М-40». После нескольких тщетных попыток российского управления полетами освободить зеркало от антенны, космический корабль «Прогресс М-40» был спущен с орбиты вместе с зеркалом и затоплен в океане.

«Знамя-3» задумывалось как увеличенная версия двух предыдущих «Знамен» диаметром 60-70 метров. Он так и не был построен, так как проект был заброшен после провала «Знамя 2.5».

Знамя 3

После этих экспериментов никакого активного развития космических зеркал больше не было из-за явных проблем, связанных с их развертыванием, и потенциальных последствий, которые последуют за их эксплуатацией.

В целом, предполагаемая стоимость строительства и отправки флота космических зеркал в космос, которые могут создавать тень около 100 000 километров, составляет около 750 миллиардов долларов. Если срок службы космических зеркал будет 50 лет, ежегодные затраты на их техническое обслуживание оцениваются примерно в 100 миллиардов долларов. Кроме того, если потребуется заменить какой-либо отдельный спутник в конце его срока службы, затраты на всю операцию составят около 5 триллионов долларов.

При развертывании зеркал необходимо также будет учитывать миллионы частиц космического мусора на орбите Земли. Большинство таких обломков небольшого размера весом около 1 грамма. Однако, в зависимости от их скорости, такие обломки могут быть катастрофическими для спутников, если они столкнутся. Поэтому орбитальные спутники должны маневрировать в стороне от космического мусора, могущего нанести серьезный ущерб.

Кроме того, если бы было развернуто одно очень большое космическое зеркало, его огромная площадь поверхности была бы очень хорошей мишенью для космического мусора. Поэтому маневрирование сотнями космических зеркал или одним очень большим космическим зеркалом окажется очень трудным из-за огромного количества космического мусора и солидного размера космического зеркала.

В обозримом будущем солнечные щиты остаются лишь в сфере научной фантастики. Как насчет того, чтобы сделать саму Землю более отражающей?

3.2 Альбедо Земли

На рисунке 4 показана Земля из космоса. Видно, что яркость поверхности Земли очень разнообразна.

Альбедо (от латинского «белый») — отношение потока солнечного излучения, рассеиваемого земной поверхностью, к потоку, падающему на Землю. Выражается в долях единицы или в процентах.

Альбедо обозначается альфой (α), и чем выше ее значение, тем большее количество солнечного излучения отражается. Поверхности, отражающие больше излучения, выглядят светлыми (белыми или серебристыми), а те, которые отражают меньше, выглядят темными. Различные поверхности на Земле имеют разные значения альбедо, как и различные типы облаков и частиц в атмосфере, таких как пыль или сульфатные аэрозоли.

Земля из космоса
Рисунок 4 Изображения Земли на которых показаны Африка и Ближний Восток (а) и Северная Америка (б)

Ниже приведены типичные альбедо земной поверхности (α):

  1. свежий снег (0,75–0,95)
  2. густые облака (0,7–0,9)
  3. морской лед (0,2–0,3)
  4. сельскохозяйственные культуры (0.16–0.26)
  5. хвойный лес (0,05–0,15)

Значения α морского льда взяты из доклада МГЭИК (2013), значения α облаков — из Шнайдер и др. (2011), а другие значения — из Кэмпбелл и Норман (1998).

Земля имеет среднее альбедо 0,30, поэтому она отражает до 30% поступающей энергии от Солнца.  Как можно увеличить это число?

3.3 Блестящие города

Альбедо Земли оказывает большое влияние на энергию, получаемую от Солнца. Города, здания и дороги обычно имеют низкое альбедо — асфальт, смола и цемент темные, поэтому они очень эффективно поглощают излучение и сохраняют тепло в городских районах.

Это называется эффектом городского острова тепла: он настолько значителен, что искажает максимальные средние глобальные температуры и повышает смертность и заболеваемость людей, делая тепловые волны более сильными.

Если метеостанции расположены за пределами городов, то по мере того, как город расширяется и окружает их, дополнительное тепло еще больше добавляет потепления к наблюдаемой тенденции глобального потепления. Ученые оценивают эти эффекты, сравнивая изменения температуры на сельских и городских станциях, и предполагают, что городской остров тепла может влиять на увеличение максимумов температур до 10% (МГЭИК, 2013).

Светлый город
Рисунок 5 Более светлые здания будут отражать больше падающего солнечного излучения обратно в космос. На этом рисунке показаны дороги, промышленные здания и множество припаркованных возле них транспортных средств.

И наоборот, многие метеостанции в 1940-60-х годах были перенесены из городских районов в аэропорты, поэтому более ранние измерения должны быть скорректированы в сторону уменьшения. Это одна из наиболее распространенных крупных корректировок записей температуры поверхности суши, и ее суть заключается в увеличении оценок потепления за прошедшее время.

Вместо того чтобы корректировать температурные данные с учетом разницы городских температур, можно ли попытаться скорректировать их в реальном мире?

Рассмотрим возможность увеличения альбедо городских районов для отражения большего количества солнечного излучения. Крыши домов и дорожные покрытия можно покрасить в белый цвет, а при строительстве зданий и дорог использовать светоотражающие материалы. Может ли этот метод осветления городов быть достаточным для охлаждения всей планеты?

Как вы думаете, какой процент поверхности Земли мы должны покрыть идеально отражающим зеркалом (т.е. с альбедо 1,0), чтобы точно компенсировать возможное будущее удвоение углекислого газа:

0,02%, 1,5%, 4% или 8%?

  Правильный ответ — 1,5%. Это может показаться небольшим процентом, но учтите, что общая площадь городской поверхности Земли составляет всего около 3%. Таким образом, чтобы компенсировать удвоение концентрации CO2 в атмосфере, нам потребуется покрыть половину всех городских поверхностей идеально отражающими зеркалами — и не только каждую крышу и дорогу, но и каждый сад, водоем и любой другой объект (автомобили, люди, кошки…).

По оценкам, городское альбедо способно компенсировать до 1,3% удвоения концентрации CO2 в атмосфере в глобальном масштабе. Но оно может иметь гораздо больший побочный эффект.

За счет увеличения их альбедо, города будут охлаждаться, и это уменьшит воздействие глобального потепления на здоровье человека, так как охлаждение городов может уменьшить потребность в кондиционировании воздуха, что приведет к снижению энергопотребления.

Эти положительные побочные эффекты известны как сопутствующие выгоды. Они делают увеличение городского альбедо в широком смысле более привлекательным выбором, так как его потенциал не ограничивается одним лишь только снижением глобального потепления.

Третий подход к уменьшению солнечного излучения проистекает не из космоса или с поверхности, а с неба.

3.4 Имитация вулканов

Впрыскивание сульфатных аэрозолей в стратосферу для имитации вулканической деятельности — это еще одно геоинженерное решение, направленное на прямое отражение солнечного света, но, как вы читали в статье Виновник изменения климата – человек, они также оказывают косвенное воздействие на климат, влияя на формирование облаков.

«В статье журнала «Наука» (Science) делается вывод, что извержение вулкана размером с Пинатубо каждые несколько лет «компенсирует большую часть антропогенного потепления, ожидаемого в следующем столетии». … В докладе NAS (National Academy of Sciences — Национальная академия наук) 1992 года (Policy Implications of Global Warming — Политические последствия глобального потепления)  рассматривалась возможность намеренного распространения диоксида серы в стратосфере. Все, что было бы необходимо для создания эффекта, изменяющего земной шар, — это одна двадцатая часть 1 процента от нынешних выбросов серы, то есть все просто  сводится к простой инженерной проблеме: как доставить и обеспечить распыление в стратосфере диоксида серы в объеме ста тридцати литров в минуту?

Как вариант: с помощью очень длинного шланга.

... И это будет поразительно дешево. … Реализацию этого плана можно было бы начать примерно через три года, с начальными затратами в 150 миллионов долларов и ежегодными эксплуатационными расходами в 100 миллионов долларов».

(Левитт и Дубнер, 2009, стр. 176-96)

Эта точка зрения вызвала широкую критику за чрезмерное упрощение вопросов изменения климата и геоинженерии, недооценку рисков, неверное цитирование климатологов, а также за ряд фактических ошибок и вводящих в заблуждение утверждений. Тем не менее, это не только часть истории всеобщей дискуссии об инженерном воздействии на климат. Метод, описанный в отрывке — впрыскивание сульфатного аэрозоля в стратосферу, действующий как своего рода искусственный вулкан, — много раз обсуждался как возможная операция по противодействию изменению климата.

На рисунке 6 показаны некоторые предложенные методы введения аэрозолей в стратосферу: шланг может поддерживаться высокой башней или подвешиваться на воздушных шарах, хотя некоторые считают методы с самолетами и артиллерийскими снарядами более реалистичными в ближайшем будущем.

Впрыскивание
Рисунок 6 Предлагаемые методы впрыскивания стратосферного аэрозоля — артиллерийские снаряды, высокая башня, аэропланы и воздушные шары — на горе, с припасами, прибывающими по железной дороге. Этот рисунок представляет собой совокупность методов, которые могут быть использованы для впрыскивания стратосферных аэрозолей, включая самолеты, распыляющие аэрозоли; артиллерийские орудия, стреляющие снарядами с аэрозолями; высокую башню с трубой на вершине; воздушные шары, несущие материал вверх, причем диаметр шаров увеличивается с высотой.

Как и в случае с методом городского альбедо, существуют потенциальные сопутствующие выгоды. Аэрозоли делают свет более рассеянным. Таким образом, хотя поверхности достигает меньше солнечного света (как и предполагалось), больше света приходит не напрямую от Солнца, а с других направлений. Это означает, что больше света попадает под сень растений, и тени становятся менее резкими. Растения могут фотосинтезировать более эффективно, что может привести к их большему росту.

Увеличение роста растений может помочь сельскому хозяйству быть более эффективным, т.е. повысить продовольственную безопасность. Это также может увеличить количество CO2, удаляемого растительностью из атмосферы, что противодействует глобальному потеплению.

Сульфатные аэрозоли также могут вызвать эффектные закаты (рис. 7).

Закат
Рисунок 7 Гонконгский закат после извержения Пинатубо

Еще один метод, который можно реализовать путем намеренного изменения облаков, — это осветление морских облаков.

3.5 Осветление морских облаков

Все методы, о которых вы читали выше, подразумевают добавление чего-либо в систему Земли или Солнечную систему: создание солнечного щита, покрытие городских поверхностей новыми материалами, извлечение сульфатных аэрозолей из ископаемого топлива для размещения в стратосфере. Но другой альтернативой может быть перераспределение одной части системы в другую, где она может уменьшить солнечную энергию, достигающую поверхности.

Когда корабли бороздят океаны, аэрозольные частицы в их выхлопных газах вызывают образование облаков (рис. 8). Эти частицы действуют как ядра конденсации облаков (cloud condensation nuclei — CCN). Это не только способствует образованию новых облаков, но и делает облака более яркими.

Увеличение числа CCN повышает концентрацию облачных капель, одновременно уменьшая их размер, что делает облака более белыми и более светоотражающими. Это происходит потому, что площадь поверхности мелких капель становится больше, а значит, они рассеивают больше света.

Низкие светлые облака над темной поверхностью океана играют важную роль в энергетическом балансе Земли.

Дым от кораблей
Рисунок 8 Спутниковая фотография, на которой видны следы кораблей в виде ярких линий, пересекающих облака. Место действия — недалеко от побережья.

CCN можно создать из морской соли путем распыления мелких капель океанской воды в небо (при этом воздушная турбулентность переносит часть этих капель выше) — идея, известная как осветление морских облаков. Это может быть осуществлено с помощью специально построенных, дистанционно управляемых судов с ветряными двигателями (рис. 9) или с помощью турбин в задней части существующих судов.

Осветление морских облаков (также известное как посев морских облаков или инженерия морских облаков) в принципе может компенсировать любой объем воздействия CO2.

Распыление
Рисунок 9. Рисунок  представляет собой эскиз трехкорпусной плавучей платформы с высокими трубами для распыления морских капель вертикально вверх.

Осветление морских облаков может быть наиболее эффективным в районах с чистой атмосферой — там, где меньше всего ядер конденсации облаков. Для этой цели наиболее подходящим будет Южный океан вокруг Антарктиды, поскольку там меньше всего природных и антропогенных источников CCN.

3.6 Другие возможности

Существуют и другие идеи – некоторые достойные научной фантастики – например, манипулирование Солнцем или тем, сколько солнечного света достигнет Земли. Такие проекты в один прекрасный день также могут появиться на рабочем столе геоинженера.

Посмотрите, что по этому поводу сказала доктор Тамсин Эдвардс, британский ученый-климатолог, специалист по количественной оценке неопределенности в прогнозах моделей земной системы, включая климат, криосферу и растительность:

Доктор Т.Эдвардс
Доктор Тамсин Эдвардс, британский ученый-климатолог

Я хотела бы коротко сказать о  нескольких других идеях, которые были выдвинуты для управления солнечной радиацией, изменения альбедо поверхности, земной атмосферы или облаков.

Возможно, вы уже слышали об этом, но некоторые люди предложили покрыть Сахару отражающей, возможно, алюминиевой фольгой, буквально пытаясь изменить альбедо целого участка Земли, или даже покрыть гренландский ледяной щит каким-то отражающим одеялом, которое защитит ледяной покров и увеличит его альбедо.

Некоторые ученые говорят о выборе или генетической модификации сельскохозяйственных культур, чтобы они были более светлыми, такими светло-зелеными, чтобы их посевы лучше отражали солнечный свет. Вместо впрыскиваний сульфатного аэрозоля  говорят о введении алмазной пыли в атмосферу как о другом способе отражения солнечного излучения.

И одно из наиболее научно-фантастических предложений заключается в стрельбе лазерами по облакам, потому что это потенциально разбило бы частицы льда в облаках на более мелкие кусочки, что затем увеличило бы альбедо облаков, сделав их более яркими, более белыми. Есть также другие методы работы с облаками, например, такие, которые уменьшают толщину перистых облаков в атмосфере, делают их короче.

Таким образом, существует множество различных способов, о которых думают люди для управления солнечной радиацией на этой планете».

4 Увеличение выходящей энергии

Методы геоинжиниринга, увеличивающие исходящий поток энергии Земли, включают удаление углекислого газа (carbon dioxide removal — CDR). Эти методы снижают парниковый эффект путем уменьшения концентрации углекислого газа в атмосфере (заметьте, не выбросов). Мы рассмотрим два основных метода CDR.

В отличие от методов SRM, методы CDR не действуют мгновенно: существует предел скорости изменения глобальной концентрации CO2.

Как только вы извлекли из атмосферы CO2, вам нужно его куда-то девать. Таким образом, CDR состоит из двух частей:

извлечение: улавливание CO2 в атмосфере;

удерживание: связывание CO2, чтобы этот газ не попал в атмосферу снова.

Посадки деревьев недостаточно для долгосрочного извлечения CO2 из атмосферы. Когда деревья дышат, сгорают или разлагаются, они возвращают углерод в атмосферу.

Биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода (англ. — BECCS) — гипотетический метод удаления CO2 из атмосферы. Он включает в себя получение энергии путем сжигания топлива, получаемого из растений, в сочетании с улавливанием и захоронением образующегося в результате этого CO2. Поскольку углерод, содержащийся в растениях, поглощается растениями из атмосферы во время фотосинтеза, захоронение CO2  при сжигании биомассы должно привести к сокращению содержания CO2 в атмосфере. Чтобы оказать влияние на климат, этот процесс должен осуществляться в глобальном масштабе.

В BECCS биомасса, такая как древесина, сахарный тростник или трава, используется для получения энергии, а выделяемый CO2 улавливается и хранится. Улавливание и хранение углерода (Carbon capture and storage — CCS) позволяет поместить углерод на длительное хранение.

Обычно предлагается хранить углерод в геологических резервуарах — в подземных геологических формациях, включая те, которые остаются после добычи нефти и газа.

Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) предполагает, что в принципе можно улавливать по технологии BECCS до 22 гигатонн CO2 в год. По состоянию на 2019 пять объектов по всему миру активно использовали технологии BECCS и улавливали за год примерно 1,5 миллиона тонн CO2. Широкое развертывание BECCS ограничено стоимостью и доступностью биомассы. МГЭИК указывает, что смета расходов на BECCS колеблется от 60 до 250 долл. США за тонну CO2.

 BECCS
Рисунок 10 Схема установки BECCS. На рисунке изображены промышленный завод и деревья. Стрелками показаны потоки углекислого газа.
Один поток поступает из атмосферы к деревьям. Деревья обозначены как «сельскохозяйственная культура, используемая в качестве источника энергии — энергетическая культура и остатки биомассы».
Другой поток идет от деревьев к промышленному предприятию и обозначен как «Сжигание, ферментация, аэробное сбраживание и газификация».
Продукция завода — «энергетические продукты» обозначены как «Тепло, биоводород (водород, производимый ферментативным путём), синтетическое биотопливо и электричество».
Поток вниз в землю от завода — «Геологическое хранение» и обозначен как «Минерализованный водоносный пласт» и «Истощенные месторождения нефти и газа».
Биоэнергетика
Биоэнергетика имеет большой потенциал, но ограничена количеством материала, доступного для использования

BECCS является технологией с отрицательными выбросами, поскольку она «выводит CO2 из атмосферы». Другими словами, в целом, BECCS извлекает из атмосферы (и хранит) больше CO2, чем выделяет при выработке энергии.

В принципе, BECCS может быть достижимой в ближайшем будущем, и стать эффективной в долгосрочной перспективе. По одним оценкам, BECCS может компенсировать две трети удвоения концентрации CO2 в атмосфере к концу века, а по другим оценкам, эти технологии «могут быть относительно легко внедрены в современную энергетическую систему» и сократить текущие выбросы CO2 по меньшей мере на 10% к 2030 году.

4.1 Удобрение океана

Деревья и травы, конечно, не единственный вид растительного мира. Другим важным примером флоры являются зеленые водоросли — разновидность фитопланктона (растительного планктона).

На рисунке 11 показано цветение фитопланктона. Эти растения получают CO2 из окружающей их воды, а не напрямую из атмосферы. Почти невидимые «леса» фитопланктона в Мировом океане удаляют (мы говорим «фиксируют») почти столько же углерода, сколько все наземные растения, и это оказывает большое косвенное воздействие на атмосферный CO2.

Цветение фитопланктона
Рисунок 11 Цветение фитопланктона в южной части Атлантического океана, у берегов Аргентины

Фитопланктон служит пищей для зоопланктона (его микроскопического животного аналога) и других животных, либо погибает в течение нескольких дней и заселяется разлагающими его бактериями. Все эти морские организмы дышат, поэтому большая часть растворенного CO2, поглощенного фитопланктоном при его фотосинтезе, возвращается в поверхностный слой океана и, следовательно, может быть выброшена в атмосферу.

Но – что важно — около четверти углерода ускользает из этой системы переработки: частицы, достаточно крупные и тяжелые, тонут, унося углерод в глубины океана.

Во многих частях света, например, в Южном океане, рост фитопланктона определяется наличием растворенных в воде питательных веществ, таких как железо, азот и фосфор.

Удобрение океана предполагает добавление этих питательных веществ в воду для усиления роста фитопланктона с целью конечного увеличения переноса атмосферного углерода в глубинные воды океана. Другими словами, происходит биологический захват CO2 морем, или «поглощение углерода».

Поскольку модели циркуляции океана на планете чрезвычайно разнообразны и масштабны, для повторного появления глубоководных вод на поверхности океана могут потребоваться сотни или даже тысячи лет, и поэтому смело можно считать, что это долгосрочное поглощение CO2. По оценкам ряда ученых, внесение соответствующих удобрений может компенсировать около 8% удвоения CO2 к 2100 году.

Увеличение роста планктона может также обеспечить дополнительную пищу для криля и, в свою очередь, для китов.

4.2 Другие возможности

Еще один предлагаемый метод использования биосферы — посадка деревьев, а затем предотвращение их разложения путем превращения в древесный уголь или угольные пеллеты (рис. 12). Дополнительным бонусом этого метода является улучшение качества почвы.

Технологический эквивалент предыдущего метода использует искусственные деревья (например, искусственные елки на Новый год,для предотвращения вырубки живых деревьев), методы прямого улавливания воздуха (direct air capture — DAC) (рис. 12) для «извлечения» CO2 из воздуха химическими методами и последующего поглощения CO2 с помощью CCS.

Методы CDR
Рисунок 12 Низкотехнологичные и высокотехнологичные методы CDR. Горсть биоугля (a). Пример проекта установки DAC от компании Carbon Engineering (b).

 На рисунке 12 (a) показана горсть черных древесных гранул. На рисунке 12 (б) показана фотография множества больших вентиляторов в пустынной местности, представляющих из себя промышленную установку DAC. Массив вентиляторов  уложен в длинные ряды высотой 4 метра. Огромные вентиляторы засасывают CO2 прямо из атмосферы, а позже из газа будет создаваться биоуголь. Для масштаба показан автомобиль.

Есть и другие способы удаления углекислого газа. Уже упомянутая выше доктор Тамсин Эдвардс говорит:

«Я хочу немного подробнее поговорить об удалении углекислого газа, потому что, как мне кажется, люди считают эту область весьма интересной, и в ней проводится много интересных исследований. Что касается биологического улавливания и хранения, то, конечно, ученые мыслят гораздо шире, чем просто посадка деревьев. Они думают об использовании соломы в качестве ингредиента для строительных материалов, о посадке мангровых деревьев, расширении площади прибрежных засолённых болот. Все это может помочь.

Например, мангровые заросли могут помочь нам в защите моря, так что здесь есть и сопутствующая выгода. Использовать больше деревьев и соломы в качестве строительных материалов. Таким образом, углерод снова задерживается, не позволяя ему разлагаться и улетучиваться в атмосферу.

Что касается улавливания и хранения химических веществ, то при прямом захвате воздуха с помощью химических веществ это может быть более эффективно, чем живые деревья. Искусственные деревья могли бы быть более эффективными, но на данный момент неясно, будет ли это дороже или дешевле, по сравнению с тем, если вообще не выделять углерод. Но очевидно, что в будущем ситуация может измениться.

А когда вы улавливаете CO2 и должны его хранить в виде газа в геологическом резервуаре, вам, очевидно, придется подумать о том, как предотвратить его утечку. Другая возможность — хранить его в жидком виде под водой. То есть закачать его на дно океана, и тогда он будет храниться там сотни лет, если не тысячи.

Но есть одно действительно интересное предложение, которое я недавно услышала в новостях в 2016 году, — это превращение CO2 в камень. Я думаю, это очень перспективная область. В Исландии был осуществлен проект под названием CarbFix. Речь шла о фиксации углерода путем закачки растворенного в воде CO2 в базальтовые породы под Исландией. Эти породы, в отличие от обычных резервуаров, из которых выкачивается нефть и которые мы обычно считаем хранилищем CO2, эти базальтовые породы содержат кальций, магний, железо, и они очень активны. Поэтому CO2 вступает в реакцию с породой и образует стабильные карбонатные минералы, например, карбонат кальция, из которого состоит известняк. Тем самым обеспечивалось безопасное и длительное хранение уловленного газа.

Это был действительно интересный проект, потому что он сработал намного лучше, чем ожидалось. Так что, думаю, за этим проектом стоит понаблюдать в будущем.

Существует множество похожих методов химического улавливания, в основном называемых ускоренным выветриванием. Имеется в виду выветривание горных пород, силикатных пород, где дождь, например, разрушает породу в сочетании с CO2. Поэтому можно измельчить силикатные породы, поместить их в почву, в океаны, и тогда это ускорит естественные процессы, разрушающие породы и помогающие улавливать больше CO2. И даже можно обрабатывать сам дождь. Так, ученые предлагают обработать облака, чтобы сделать дождь более щелочным, и тогда он с большей вероятностью вступит в реакцию с CO2, опять же, вытягивая  его из атмосферы.

Еще одна очень интересная и необычная, творческая идея заключается в том, чтобы не извлекать CO2 из атмосферы с помощью растений или химических методов, а просто замораживать, используя физические методы. Таким образом, если у нас будет достаточно низкая температура, CO2 просто замерзнет в твердом состоянии в воздухе. Где бы можно это было сделать? Ну конечно же, в Антарктиде. Средняя температура там во внутренних районах составляет около минус 57 градусов по Цельсию.

Она может опускаться и до минус 90 °С. Нужна температура ниже еще примерно на 50 градусов или около того, а может быть, и меньше, если там высокое давление, и CO2 просто заморозится. Это фактически то же самое, что и на Марсе, где температура очень низкая, и ледяные шапки, которые вы видите на Марсе, — это, конечно, не вода. Они состоят из CO2. Так что на самом деле, вы как бы создаете эти ледяные шапки CO2 как на Марсе, но в пределах Антарктиды, чтобы запереть этот CO2 в твердом виде, а затем хранить его обычным способом.

Таким образом, разные идеи в каком-то смысле входят и выходят из моды. Людям приходят в голову эти невероятно креативные идеи, а затем все меняется по мере того, как наука развивается, определяется эффективность, и то, насколько хорошо они масштабируются. Все эти вещи исследуются. Иногда они оказываются, конечно, менее перспективными, чем предполагалось вначале. Но я думаю, что это увлекательно, потому что демонстрирует творческий подход к тому, как мы предполагаем  улавливать CO2 из атмосферы и организовывать его долгосрочное хранение».

5 Вывод

Некоторые факторы воздействия в принципе могут быть изменены, чтобы уменьшить поступление энергии в энергетический баланс Земли путем отражения солнечного света (управление солнечной радиацией, SRM) или увеличить выход энергии путем снижения парникового эффекта (удаление углекислого газа, CDR).

Солнечный зонт в космосе, в принципе, мог бы отражать солнечный свет, а увеличение альбедо городов является хорошо известным методом отражения большего количества солнечного света на местном уровне. Впрыскивание сульфатного аэрозоля в стратосферу и осветление морских облаков являются дополнительными потенциальными способами увеличения отражения солнечного света либо непосредственно частицами в атмосфере, либо более яркими облаками, которые они могут создавать.

Фотосинтез может удалить углекислый газ из атмосферы посредством усиленного роста растений (наземных или морских) в сочетании с долгосрочным хранением углерода в геологических, океанических или почвенных резервуарах. Существуют также технологические средства улавливания CO2 из воздуха, например, искусственные деревья.

Геоинженерия может обеспечить дополнительные выгоды, помимо тех, которые связаны с изменением глобального климата.

В следующей статье будет рассмотрена разработка, эксперименты и реализация методов инженерного воздействия на климат.

Источник

Продолжение в следующей статье Разработка и внедрение методов геоинженерии

c-sin






Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.