Разработка и внедрение методов геоинженерии

В предыдущих статьях было рассказано об обнаружении, атрибуции и прогнозах изменения климата, а также о нескольких возможных методах геоинженерии для предотвращения климатических изменений. Теперь рассмотрим, как спланировать и применить эти методы на практике.

1 Сценарии геоинженерии

Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP) — это проект по прогнозированию последствий геоинжиниринга с помощью различных мировых климатических моделей. В рамках этого проекта обсуждаются общие способы, с помощью которых климатические модели воспроизводят различные сценарии геоинженерии (также известные как климатическая инженерия).

Ученые используют различные сценарии геоинженерных действий, призванных уменьшить влияние на климат антропогенных изменений концентрации парниковых газов, для прогнозирования последствий этих действий.

О нескольких возможных методах геоинженерии было рассказано в этой статье.

Есть много различных климатических моделей, представленных различными институтами, исследовательскими центрами и т.д., использующих для своих расчетов разнообразные исходные данные и методы, что, несомненно, осложняет  задачу сопоставления всех этих моделей для сравнения результатов и определения их надежности.

Обзор всех климатических моделей в данной статье не приводится. Это весьма обширная тема и представляет интерес, разве что, для узких специалистов.

Ниже приведен прогноз изменения приземной температуры воздуха для сценария геоинженерии с использованием методов управления солнечным излучением. Примерами таких технологий являются солнечное затемнение, применение стратосферных сульфатных аэрозолей, осветление морских облаков и прореживание перистых облаков.

На рисунке 1 показаны средние прогнозы изменения температуры приземного воздуха зимой и летом, полученные с помощью двенадцати климатических моделей.

Изменение приземной температуры воздуха

На рисунке 1а самые большие температурные аномалии наблюдаются в северных регионах, где температура повысилась примерно на (1-4) °C. В некоторых регионах экваториальных океанов и в Австралии наблюдается падение температуры до 1 °С. Зоны, точечно заштрихованные — области, где модели между собой хорошо согласуются.

На рисунке 1b наибольшие температурные аномалии наблюдаются в южных регионах, особенно в Антарктиде, где температура увеличилась примерно на (0,5-2,0) °C;  аналогичное повышение в Европе, России и Канаде. В некоторых регионах экваториальных океанов и Индии наблюдается падение температуры на 1 °С. Зоны, точечно заштрихованные — области, где модели хорошо между собой согласуются.

На рисунке отмечены области, где, по крайней мере, девять из двенадцати моделей согласны со знаком изменения (например, в областях, отмеченных желтым/оранжевым/красным цветом, большинство моделей показывают потепление). В сценарии, представленном на этом рисунке, концентрация CO₂ в атмосфере увеличивается в четыре раза по сравнению с доиндустриальным уровнем. Возникающий при этом эффект потепления можно нивелировать равноценным уменьшением приходящей солнечной радиации, так что глобальная температура останется такой же, как и в доиндустриальном климате.

Ключевыми научными моментами являются:

• На рисунке показаны прогнозы изменения зимней и летней температуры приземного воздуха с доиндустриального периода, полученные на основе усредненных данных нескольких климатических моделей.

• Даже если увеличение в четыре раза концентрации CO₂ точно уравновешивается уменьшением солнечной радиации, все равно наблюдаются изменения по сравнению с доиндустриальным климатом.

• В большинстве областей наблюдается потепление или похолодание менее чем на 0,5 °C (т.е. белые области), но во многих регионах теплее, а в некоторых холоднее.

• Большая часть карты показывает, что модели в целом согласны с тем, какие области потеплеют, а какие похолодеют.

Осадки

Изменения в количестве осадков, возможно, даже более важны для людей, чем изменения в температуре.

На рисунке 4а показано изменение количества осадков, усредненное по 12 климатическим моделям, за период с декабря по январь. Наибольшее повышение приходится на тропические широты (изменение примерно на 0,8-1,6 мм в день), в частности в Атлантическом океане между Африкой и Южной Америкой и в середине Тихого океана. Наибольшее снижение наблюдается в субтропических широтах (приблизительно -3,2-1/6 мм в день), особенно в Южной Америке, Африке к югу от Сахары, Индийском океане и южной части Тихого океана.

На рисунке 4b  показано изменение количества осадков, усредненное по 12 климатическим моделям, за период с июня по август.

Но и эти результаты получены на основе моделирования. А будет ли это работать в реальности?

2 Полевые эксперименты

Чтобы предсказать, как климат будет реагировать на внешние воздействия, нам нужны глобальные климатические модели (Global Climate Model —  GCMs). Но не менее важной задачей является проверка этих моделей с помощью экспериментальных данных. Эти данные могут быть получены в результате лабораторных экспериментов или полевых экспериментов, проводимых вне лаборатории.

Пока (до 2021 года) не проводились крупномасштабные полевые эксперименты по геоинженерии, т.е. проверка того, как климат реагирует на SRM или CDR. Проводились только мелкомасштабные испытания физических процессов, которые слишком малы и локальны, чтобы повлиять на климат.

2.1 Полевые эксперименты в области SRM

Первыми полевыми экспериментами, предназначенными специально для получения информации об управлении солнечной радиацией (Solar Radiation Management — SRM), были эксперименты, проведенные в 2008 году под руководством выдающегося российского ученого Юрия Израэля (1930-2014).

Ученые распыляли дым в воздухе с вертолета на высоте 200 м, а также сжигали нефть на уровне земли (рис. 3а). Затем ученые измерили, насколько сильно образовавшиеся облака дыма заслоняют солнце. Эксперименты продолжались в течение следующих нескольких лет.

До сих пор это было пределом полевых экспериментов SRM. В Великобритании в 2011 году был по ряду причин отменен проект «Инжекция стратосферных частиц для климатической инженерии» (Stratospheric Particle Injection for Climate Engineering — SPICE), в рамках которого предполагалось распылить два полных бака воды в виде мелких капель на высоте 1 км из шланга, привязанного к наполненному гелием воздушному шару (рис. 3b). Рассматривались и другие полевые эксперименты по геоинженерии, например, с использованием сульфатов или морской соли, но до их реализации дело пока не дошло.

2.2 Полевые эксперименты в области CDR

Удаление диоксида углерода (Carbon dioxide removal — CDR) было протестировано более масштабно, чем SRM. В 1993-2009 годах несколько научных экспедиций в течение нескольких недель проводили эксперименты по удобрению железосодержащими составами несколько сотен квадратных километров в Южном океане, тропической Атлантике, северной и экваториальной частях Тихого океана.

Двумя примерами являются Европейский эксперимент по удобрению железом в 2004 году и LOHAFEX (от «loha» — слово на хинди, означающее «железо», и FEX — Fertilisation EXperiment — эксперимент по удобрению) в 2009 году (рис. 4a). Целью таких экспериментов было изучение эффективности удобрения для стимулирования роста фитопланктона, а не его эффективности для удаления углекислого газа. В настоящее время подобные эксперименты прекращены из-за их низкой эффективности, общественных разногласий и опасений по поводу возможности  контроля за подобного рода действиями.

Аналогичные и масштабные испытания по внесению железных удобрений также были проведены коммерческими организациями, в частности канадским предпринимателем Рассом Джорджем (Russ George):

• Летом 2002 года Джордж одолжил яхту певца Нила Янга, чтобы под эгидой своей некоммерческой организации Planktos Foundation внедрить раствор железа в океан вблизи Гавайских островов.

• В 2007 и начале 2008 года коммерческая компания Джорджа Planktos Inc. планировала засеять 100 тоннами частиц железа участок Тихого океана площадью 10 000 км² в районе Галапагосских островов, а затем Восточную Атлантику в районе Канарских островов. Экспедиции были прекращены после протестов Гринписа и других экологических групп и отказа испанских властей пустить их в свои воды.

• В июле 2012 года Джордж и сотрудники Haida Salmon Restoration Corporation провели эксперимент по удобрению железом, выбросив 100 тонн сульфата железа в Тихий океан с рыболовецкого судна в 200 морских милях к западу от островов Хайда, Гвайи. Это вызвало цветение планктона на площади около 10 000 км², в пять раз превышающее типичное цветение в этом регионе (рис. 5b и 5c)

Хотя Расс Джордж утверждал, что «восстанавливает экосистемы и замедляет изменение климата» океанов.  Но, несомненно, у него были и коммерческие цели: продажа квот на выбросы углекислого газа, а в 2012 году он собирался получить деньги от местных жителей, надеющихся возродить истощенные популяции лосося. Сообщается, что Джордж как-то сказал, что его девиз – «Спасти мир и при этом заработать немного денег на стороне».

Некоторые критики утверждали, что действия Джорджа были незаконными, в то время как другие утверждали, что это не так. Железное удобрение, возможно, нарушило Конвенцию Организации Объединенных Наций о биологическом разнообразии и Лондонскую конвенцию о сбросе отходов в море, содержащую мораторий на геоинженерные эксперименты.

Были созданы и другие фирмы по удобрению океана — например, начинающая компания Climos в марте 2008 года привлекла для этих целей 3,5 миллиона долларов венчурного капитала, включая вклад известного предпринимателя Илона Маска.

Рисунок 4 (a) Немецкое исследовательское судно и ледокол » Polarstern» у берегов Антарктического полуострова в феврале 1994 года. Судно Polarstern использовалось для проведения экспериментов по удобрению океана, таких как European Iron Fertilization Experiment и LOHAFEX.

(b) Спутниковый снимок, сделанный НАСА в августе 2012 года после сообщений СМИ о крупномасштабном проекте по удобрению океана железом в северной части Тихого океана. На рисунке показано спутниковое изображение северной части Тихого океана с дугой ярко-голубого цвета (с надписью «цветение из-за железного удобрения?») на фоне более темного синего или зеленого фона. Дата 12 августа 2012 года.

(c) Изменение концентрации хлорофилла в миллиграммах на кубический метр относительно среднего значения за 10 лет в августе, измеренное НАСА в августе 2012 года примерно в том же регионе, что и (b). На рисунке — цветное изображение того же региона и времени, что и на рисунке 6b (север Тихого океана), и показывает аномалии концентрации хлорофилла. Большая часть рисунка имеет аномалии в диапазоне (-1,6 — +1,6) миллиграммов на метр кубический; есть небольшие участки в правом верхнем и левом нижнем углу, показывающие увеличение до более чем 4 миллиграммов на метр кубический.

В биоэнергетике с улавливанием и хранением углерода (Bioenergy with carbon capture and storage — BECCS) первым крупномасштабным проектом является проект промышленного CCS (улавливание и хранение углерода — Carbon capture and storage — CCS) в Иллинойсе, который осуществляется на небольших объектах путем переработки посевов кукурузы в топливо из этанола. Проект предусматривает улавливание около 1,0 млн тонн CO₂ в год, выделяемого в процессе ферментации, и закачку его в глубокие соленые водоносные горизонты. Целью является внедрение полномасштабной технологии BECCS и демонстрация ее экономической жизнеспособности, а не проверка ее влияния на климат.

Но испытывал ли кто-нибудь геоинженерию в масштабах реального мира?

3 Геоинженерия в реальном мире

Итак, какая геоинженерия происходит «в природе», и каковы политические механизмы управления?

3.1 Реальные действия в области SRM

На самом деле, мы уже сейчас существенно изменяем наш климат.

Люди манипулируют окружающей средой уже сотни, если не тысячи лет: строят и красят здания в белый цвет, чтобы сделать температуру в помещениях более прохладной (рис. 5), сажают деревья, чтобы увеличить тень и влажность, и так далее. Эти методы манипулируют местным климатом и снижают тяжесть воздействия на людей экстремальной жары.

Местная геоинженерия типа SRM продолжается с помощью современных методов, таких как новые кровельные материалы с очень высокой отражательной способностью (рис. 6) или использование более светлых материалов для покрытия дорог, как делают в Сиднее, Австралия.

3.2 Реальные действия в области CDR

Биоэнергия и CCS обычно используются отдельно в промышленности, а не в качестве закрытой системы BECCS, как в Иллинойском проекте промышленного CCS. Биомасса, конечно же, является первоначальным источником энергии для приготовления пищи и отопления — сжигается древесина, древесный уголь и высушенный навоз (рис. 7) — и до сих пор является таковым для одной трети населения мира.

Растительные и животные масла могут быть использованы непосредственно в качестве топлива. Ферментация сельскохозяйственных культур позволяет получить биоэтанол (т.е. спирт); анаэробное разложение растений или животных приводит к образованию метана и других биогазов.

По некоторым оценкам, в 2013 году биотопливо и отходы обеспечивали 12% от общего мирового потребления топлива, что мало изменилось по сравнению с аналогичными оценками 1973 года — 13%.

С другой стороны, CCS все еще является относительно молодой технологией. К 2019 году в мире насчитывалось 17 действующих проектов CCS, и в настоящее время улавливается 31,5 млн тонн CO₂ в год, и 3,7 млн тонн из них хранится в геологических формациях.

Тамсин Эдвардс, британский ученый-климатолог, специалист по количественной оценке неопределенности в прогнозах моделей земной системы, включая климат, криосферу и растительность:

«Трудно сказать, какие полевые эксперименты по геоинженерии мы увидим в ближайшие несколько лет, потому что, конечно, люди довольно тщательно планируют их с учетом общественного мнения.

Наиболее известны три эксперимента, наиболее подробно описанные в 2014 году Дэвидом Китом (David W. Keith), американским учёным, известным своими работами в области солнечной геоинженерии, профессором Гарвардского университета, и другими.

 Первый – это введение частиц сульфатного аэрозоля на высоте 20 километров. Таким образом, планировалось посмотреть, какое влияние частицы окажут на озоновый слой. Этот эксперимент называется SCoPEx — эксперимент по контролируемому возмущению стратосферы.

Второй — «Морское осветление облаков». То есть поместить частицы соли в воздух, чтобы посмотреть, как это повлияет на облака. Для этого предлагается использовать расширенную версию эксперимента E—PEACE.

И третий — сокращение времени существования и уменьшение толщины перистых облаков путем введения в облака иодида висмута (BiI₃) для превращения воды в частицы льда.  И это сокращает время жизни этих облаков и их толщину.

Как я уже сказала, это самые проработанные предложения, но мы не знаем, в какие сроки они могут быть осуществлены — если вообще будут осуществлены».

3.3 Управление и правовые аспекты геоинженерии

Наука и инженерные средства и методы, конечно, не являются единственными соображениями при разработке и внедрении геоинженерии: важное значение имеют политические и правовые механизмы.

Национальным исследовательским советом США (2015) были определены следующие вопросы для международного управления SRM:

1. Как решить, когда польза от модификации альбедо перевесит вред? И как мы должны судить об этом?

2. Какие обязательства несут действующие стороны по возмещению другим лицам возможного причиненного ущерба от изменения альбедо? Кто определяет причинно-следственную связь и как она определяется?

3. Кто решает, что является пользой, а что вредом, и в каких временных и пространственных масштабах делаются такие определения?

В настоящее время не существует конкретных политических механизмов для управления международными исследованиями и внедрением SRM. Не приняты и правовые механизмы, хотя некоторые существующие национальные законы применимы.

Федеральные законы США требуют, чтобы о модификации погоды (определяемой как «любая деятельность, осуществляемая с намерением произвести искусственные изменения в составе, поведении или динамике атмосферы») сообщалось заранее, что потенциально означает, что исследования SRM по закону должны быть в открытом доступе.

Существуют также соответствующие международные договоры. Например, солнечные экраны подпадают под действие Договора о космосе 1967 года, подписанного в разгар космической гонки между соперниками по холодной войне — США и бывшим Советским Союзом. В нем говорится, что космическое пространство должно использоваться «на благо и в интересах всех стран», и что любая сторона, разместившая там какой-либо объект, несет «международную ответственность за ущерб, причиненный другому государству-участнику».

Конвенция ООН 1992 года о биологическом разнообразии (Convention on Biological Diversity — CBD), способствующая «сохранению и устойчивому использованию биологического разнообразия», была актуализирована при помощи решительных заявлений, регулирующих удобрение океана. В мае 2008 года CBD ввела мораторий:

«… просит Стороны и призывает другие правительства … обеспечить, чтобы деятельность по удобрению океана не осуществлялась до тех пор, пока не будет создана адекватная научная основа для обоснования такой деятельности … и не будет создан глобальный, прозрачный и эффективный механизм контроля и регулирования этой деятельности; за исключением мелкомасштабных научных исследований в прибрежных водах …»
(Conference of the Parties (COP) 9 Decision IX/16, Convention on Biological Diversity, 2008)

4 Выводы

Мировые климатические модели очень сложные. Скоординированные проекты, такие как GeoMIP, используют эти климатические модели для прогнозирования будущих сценариев изменения климата с помощью геоинженерных мероприятий, таких как управление солнечной радиацией.

Модельные прогнозы необходимо проверять с помощью данных полевых экспериментов, хотя их было проведено немного. Мелкомасштабное применение геоинженерных идей уже происходит в реальном мире с использованием традиционных методов и новых материалов.

Шквал споров по поводу удобрения океана высветил напряженность между научными исследованиями, поддержанием средств к существованию, уменьшением изменения климата и защитой биоразнообразия. В ответ на это Конвенция ООН о биологическом разнообразии 1992 года вынуждена была принять ограничительные меры, чтобы попытаться управлять экспериментами в этой области.

Последнее замечание естественным образом приводит к вопросам принятия решений. Когда политиков тянут в разные стороны разные приоритеты, что они должны делать? В следующей статье Вы прочитаете: Должны ли мы проектировать климат?

Источник: Можем ли мы контролировать наш климат?

Продолжение в следующей статье: Должны ли мы проектировать климат?

---