УДК 551.583.9
Сравнительный анализ геоинженерных способов стабилизации климата
Ю. А. Израэль*, А. Г. Рябошапко*, Н. Н. Петров*
Рассматриваются геоинженерные подходы к стабилизации современного климата, не связанные с мерами по выполнению Киотского протокола. Условно эти подходы подразделяются на две группы: целенаправленное изменение радиационного баланса Земли для компенсации парникового эффекта и удаление из атмосферы избыточного количества диоксида углерода. К первой отнесены такие методы, как введение в стратосферу сульфатных и других отражающих аэрозолей, создание орбитальных отражателей или отражателей в точке Лагранжа, увеличение облачности над Мировым океаном и изменение альбедо самой земной поверхности. В рамках второй группы рассматривается усиление поглощения диоксида углерода лесами, океаном и искусственными поглотителями. Рассмотренные методы подвергнуты сравнительному анализу с использованием следующих критериев: возможность быстрой реализации, способность противодействовать удвоению парникового эффекта, наличие природных аналогов, воздействие на геофизические системы в пределах природных вариаций, отсутствие неприемлемых экологических последствий, возможность при необходимости быстрого прекращения действия. Сравнение показало, что наиболее эффективным может быть использование стратосферных сульфатных аэрозолей. Подчеркивается, что все направления геоинженеринга могут реализовы-ваться одновременно с мерами Киотского протокола.
1. Введение
Индустриальная революция и последующее развитие промышленности явились своего рода непреднамеренным глобальным "экспериментом", ведущим к изменению климата Земли. Прежде всего, это связывается с возросшим содержанием в атмосфере парниковых газов. Встает вопрос, если человечество является по Вернадскому столь мощной "геологической силой", может ли оно целенаправленно противодействовать наблюдаемым негативным изменениям в природной среде и обеспечить безопасность своего существования? Теоретически по отношению к выбросам в атмосферу парниковых газов Киотский протокол к Рамочной конвенции о сохранении климата [38] претендует на решение данной проблемы. Однако он не имеет научного обоснования [4], и реализация его (если и возможна) займет столетия при огромных финансовых затратах [31].
* Институт глобального климата и экологии Росгидромета и Российской академии наук; e-mail: agryaboshapko@mail.ru.
Неизбежность климатических изменений породила множество предположений о наступлении эпохи необратимых катастрофических для человечества последствий. Это заставляет исследовать возможности использования более эффективных, оперативных и дешевых мер стабилизации климата, чем меры Киотского протокола, используя различные климатооб-разующие факторы, детально рассмотренные экспертами МГЭИК [31].
Еще до принятия Киотского протокола ученые предлагали технические решения для противодействия изменениям и для управления климатом Земли. В научной литературе появились термины "геоинженерия" и "гео-инженеринг" (от английского "geoengineering"), объединяющий подходы к целевому изменению физико-химических параметров планеты в целом. К настоящему времени сформировалось два основных направления геоинженерного решения проблемы антропогенного изменения климата. Во-первых, целенаправленное изменение радиационного баланса Земли таким образом, чтобы компенсировать усиление парникового эффекта. Во-вторых, удаление из атмосферы избыточного количества С02 и предотвращение его дальнейшего накопления. Естественно, все направления (включая меры Киотского протокола) могут реализовываться одновременно.
Важной вехой в развитии идей геоинженерии явился форум президентов (или их представителей) академий наук 13 ведущих стран мира в Токио в июле 2008 г. в преддверии саммита "Большой восьмерки". Форум принял положение, открывающее широкие пути развития идей геоинженерии: "Существуют также благоприятные возможности способствовать исследованиям новых подходов, которые могут дать свой вклад в сохранение стабильного климата, включая так называемые технологии геоинженерии" [5].
Общепринято, что любое крупномасштабное воздействие на ту или иную геосферу требует исключительно детальной научной проработки. Мероприятия по уменьшению температуры с помощью геоинженерных решений могут рассматриваться не только (и не столько) как мера для полного решения проблемы, но как мера отсрочки от необходимости экстренно уменьшать выбросы парниковых газов [8, 21].
Эксперты NASA [40] назвали геоинженерные подходы "методом аварийного парашюта", который следует иметь, но использовать лишь в случае неотвратимой опасности. Это достаточно спорное положение. Представляется, что если метод не приводит к негативным последствиям, он может быть применен уже в ближайшее время, до наступления критической ситуации. Желательно, чтобы у человечества было в резерве, по крайней мере, несколько таких надежных и испытанных "парашютов", поскольку результаты их применения могут быть разными как в смысле времени, так и последствий. Вопросы о применении подобных средств должны решаться на основе международных договоров с учетом того обстоятельства, что различные страны могут быть заинтересованы в разных сценариях изменения климата.
0дним из ключевых является вопрос о возможном возникновении побочных экологических эффектов при использовании геоинженерных методов. Естественно, что любое вмешательство человека меняет параметры окружающей среды. Здесь решение должно приниматься с учетов баланса возможных выигрышей и потерь.
Ниже будут критически рассмотрены геоинженерные подходы к решению климатической проблемы, отличные от "киотских" методов. Здесь невозможно претендовать на полноту охвата всех высказываемых в научной литературе идей — постоянно появляются публикации о новых потенциальных возможностях [42, 43].
2. Введение в стратосферу газов и частиц, содержащих серу
Особую роль в формировании климата Земли играют тропосферные и стратосферные сульфатные аэрозоли, наличие которых в атмосфере вызывает эффект, противоположный эффекту парниковых газов. Это обусловлено способностью аэрозольных частиц рассеивать и отражать приходящее солнечное излучение, практически не задерживая уходящую длинноволновую радиацию. При меньшей массе особой эффективностью обладает именно стратосферный аэрозоль. Это связано с тем, что, находясь в стратосфере выше тропопаузы, частицы крайне медленно переносятся в тропосферу и выводятся затем из атмосферы на земную поверхность.
Еще в средние века было замечено, что мощные извержения вулканов вызывают заметное похолодание, которое может продолжаться несколько лет. Далее было выяснено, что основной составляющей аэрозольного вещества в стратосфере являются серная кислота и ее соли [34]. Постоянное наличие в стратосфере слоя сульфатных аэрозолей обусловлено не только действием вулканов, но и диффузией из тропосферы содержащих серу газов с их последующим окислением до сульфатов [22].
Вулканические проявления навели М. И. Будыко [2] на мысль о возможности использовать сульфатные аэрозоли для изменения радиационного баланса Земли. Он предложил идею целенаправленного изменения климата с помощью создания в стратосфере аэрозольного слоя, отражающего прямую коротковолновую радиацию и не задерживающего уходящее длинноволновое излучение. Его расчеты показали, что для уменьшения суммарной радиации на 1% может потребоваться 0,6 Мт серной кислоты. Соответственно для этого нужно доставить в стратосферу 0,2 Мт серы. По сути речь идет о создании небольшого виртуального вулкана, выбросы которого направлены только в нижнюю стратосферу.
На первом этапе был рассмотрен вариант использования обогащенного серой авиационного топлива [3]. Увеличение содержания серы в топливе до 0,3% могло бы в итоге привести к созданию слоя сульфатных частиц общей массой 2,4 Мт. Однако повышение сернистости топлива снижает его теплотворную способность и сокращает срок службы двигателей.
В дальнейшем идеи М. И. Будыко были развиты и детализированы в [7—9]. В этих работах акцент делался на перспективность разработки метода целенаправленного увеличения оптической толщи стратосферного аэрозоля в достаточно сжатые сроки, пока глобальное потепление климата не достигло критического уровня, который оценивается экспертами повышением средней многолетней температуры на 2°С [33]. Выбор величины в 2°С является весьма условным. С одной стороны, Европейский Союз настаивает, что это та величина повышения температуры, после которой начнутся катастрофические изменения в окружающей среде (http:www. stabilisation2005.com). С другой стороны, надежно доказано, что в период
голоценового "климатического оптимума" (8—6 тыс. лет назад) средняя глобальная температура была выше современной на 2,5°С [56].
Реализация схемы должна включать в себя создание дополнительного к природному сульфатному стратосферному слою искусственного аэрозольного слоя массой порядка мегатонны. Поскольку аэрозольные частицы постепенно выводятся из стратосферы, потребуется непрерывная подпитка этого слоя с интенсивностью порядка 1 Мт/год. Для создания глобального климатического эффекта желательно создание такого дополнительного слоя над всем земным шаром, но возможно ограничиться лишь Северным полушарием или даже только арктической зоной. Ограничение применения метода лишь высокими широтами имеет то преимущество, что высота тропопаузы здесь существенно ниже, чем в тропической зоне. Это позволит вводить необходимое вещество на высоте 12—14 км с использованием современных авиационных средств. Наибольший эффект могут дать аэрозольные частицы диаметром около 0,5 мкм [9].
Предполагается, что изменение потока солнечной радиации на 1% изменяет среднюю глобальную температуру приблизительно на 1,5°С [2]. При долговременном воздействии, приводящем к увеличению площади оледенения полярных зон и увеличению альбедо Земли, температурный эффект может быть еще больше [27]. Уточненные расчеты показали, что для предотвращения возможного катастрофического потепления климата следует уменьшить радиационный поток на величину 7,5—
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.