Принимаю условия соглашения и даю своё согласие на обработку персональных данных и cookies.

Как спастись от глобального потепления: лесонасаждения, триллионы зеркал и еще восемь способов

31 августа 2021, 10:49
Как спастись от глобального потепления: лесонасаждения, триллионы зеркал и еще восемь способов
Фото: 66.RU
В рамках семинара по климатическим изменениям Европейского университета в Санкт-Петербурге кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН Александр Чернокульский прочитал лекцию о методах климатической инженерии. Как объясняет ученый, большинство из них находится на стадии разработки и исследований. Однако есть и те, что уже постепенно внедряются в разных странах.

Мы живем в условиях современного глобального потепления, 2020 год стал вторым самым теплым годом в истории наземных метеорологических наблюдений, первое место по этому показателю занимает 2016 год.

Фото: скриншот лекции

На левом нижнем графике можно увидеть тренды температуры. Вся Земля теплеет примерно на 0,2 градуса за каждые 10 лет. Вся суша — на 0,3, а вот Россия — на 0,5 (по официальным данным за 2020 год, показатель составляет 0,51). Получается, в России температура растет в 2,5 раза быстрее, чем в среднем на всей Земле.

Меняются не только температуры, но и другие климатические индикаторы. Например, сокращаются площадь и масса горных ледников, уменьшается масса Арктического и Гренландского ледяных щитов, с другой стороны — растут уровень моря и накопление тепла в земной климатической системе (90% избыточного тепла при этом уходит в океан).

Есть несколько атрибутов современного глобального потепления, которые указывают на то, что его причина — деятельность человека.

  • Баланс углерода в элементах земной климатической системы (ЗКС) показывает беспрецедентный рост концентрации парниковых газов в атмосфере (за последние миллион лет), а также рост кислотности океана. Различные балансовые оценки показывают, что это именно антропогенная эмиссия — мы сжигаем порядка 10 Гт углерода каждый год (около 40% уходит в атмосферу, а оставшиеся 60% пополам уходят в океан и биоту). Для сравнения, все вулканы за год дают 1% того, что дает весь антропоген.
  • Изотопный состав CO2 в атмосфере: сокращение изотопов С13 в атмосферном СО2 происходит из-за сжигания ископаемого топлива.
  • Количественные оценки и прямые измерения усиления радиационного фона воздействия СО2 (усиление парникового эффекта).
  • Отклик элементов ЗКС соответствует отклику усиления парникового эффекта (потепление в тропосфере, похолодание в стратосфере и мезосфере). Здесь также работает парниковый эффект — внизу становится теплее, а вверху холоднее.
  • Невозможность климатических моделей воспроизвести современные изменения климата без учета антропогенного воздействия.

Климатические модели показывают, что если мы продолжим так же сжигать ископаемое топливо, нас ждет дальнейшее потепление, рост уровня моря, рост частоты волн жары, таяние ледников и другие негативные климатические последствия.

Что же нам делать? Во-первых, нужно принимать меры по адаптации к последствиям климатических изменений. Во-вторых, снижать углеродоемкость экономики. В-третьих, исследовать и внедрять технологии воздействия на глобальный климат — так называемые методы геоинженерии.

В геоинженерии есть два вида методов:

  • конвенциональные — это набор различных технологий, которые направлены на то, чтобы удерживать углерод не в атмосфере, а в других оболочках ЗКС (отрицательные эмиссии углерода или извлечение углерода из атмосферы). По этим методам есть определенные договоренности, и их точно будут внедрять;
  • неконвенциональные — это воздействие на радиационные потоки. То есть мы как бы хотим повлиять на симптом повышения температуры, а не на сам источник (как было в первом случае). По этому пункту нет договоренностей, но есть понимание, что они нуждаются в оценке.
Фото: lawrence et al, 2018

На картинке слева указаны конвенциональные методы: лесонасаждение, биоэнергетика и захоронение углерода, биочар, обогащение почвы углеродом, удобрение океана железом, усиленное выветривание и ощелачивание океана, прямое улавливание СО2 из атмосферы. Справа — неконвенциональные: космические зеркала, впрыск стратосферного аэрозоля, истончение перистых облаков.

Конвенциональные методы: Carbon Dioxide Removal (CDR)

Лесонасаждение

Самая понятная и очевидная технология — это лесонасаждение, причем как посадка новых лесов, так и восстановление старых. Такие эксперименты проводят в Европе, Азии, Америке. Например, некоторые ученые считают, что если высадить триллион деревьев, можно извлечь из атмосферы весь СО2.

Фото: http://russian.news.cn/

В Китае, в пустыне по обе стороны Таримского шоссе, возвели «Великую зеленую стену». Ее протяженность 436 м и ширина свыше 70 м. Здесь посадили более 20 млн саженцев различных деревьев.

У этого метода есть ряд неоспоримых сильных сторон. Во-первых, технология хорошо разработана и может применяться даже в пустынях. Во-вторых, она позволяет улучшить качество почв, плюс древесину можно использовать в строительстве.

Однако есть и недостатки. Деревья уязвимы — они могут пострадать от пожаров, засух и вредителей. Из-за этого весь углерод, который они накопили, может легко и быстро уйти обратно в атмосферу.

Еще одна проблема связана с тем, что лесные насаждения конкурируют с сельскохозяйственными. Население Земли нужно чем-то кормить, поэтому всегда встает вопрос, что делать — высаживать лес или распахивать поле под посадки.

Изоляция углерода в почве, биочар

Разработана совокупность сельскохозяйственных практик, позволяющих удерживать часть углерода в почве. Например, это агролесоводство, восстановление деградированных земель, отказ от некоторых удобрений, отказ от однолетних растений в пользу многолетних.

Проблема здесь в том, что с потеплением почвенное дыхание становится интенсивнее и СО2 может потом выйти в атмосферу — надолго его нельзя удержать в почве такими простыми методами. А кроме того, в этом случае возможен побочный рост N2O. Чтобы это не происходило, нужно постоянно вводить азот и фосфор.

Более интересный вариант — это биочар: древесный уголь, используемый в качестве почвенной добавки. Смешиваясь с почвой, он выводит углерод из цикла в климатической системе. В Англии даже создали целые научные центры на эту тему.

Фото: udobreniya.net

Благодаря биочару, углерод надолго выводится из цикла ЗКС, а урожайность повышается. Но мощность пиролиза (термического разложения биомассы, в результате которого получается биочар) ограничена текущим развитием технологий. Предполагается, что эта технология будет развиваться и может еще выстрелить в будущем.

Биоэнергетика и захоронение углерода

В этом случае мы используем растительность в качестве биотоплива — например, биоэтанол или сжигание древесины. То есть мы высаживаем биомассу, она поглощает СО2 из атмосферы, дальше ее сжигаем и направляем энергию в электричество, а СО2 отлавливаем в трубе, направляем в геологические каверны и закупориваем его.

Фото: doghouse.no

В этом случае углерод полностью выводится из ЗКС и есть ряд экономических эффектов — например, открытие новых рынков, диверсификация экономики и энергетическая независимость.

Но при этом стоит учитывать, что хранение углерода ограничено, а каверны для углерода могут быть далеко от производства — следовательно, растет стоимость транспортировки. А главная проблема на сегодняшний день в том, что технология еще не развита.

Усиление выветривания

Этот метод основан на том, что некоторые минералы — например, известняк и базальт — поглощают СО2 из атмосферы. Потом это все вымывается, попадает на дно океана и выпадает из ЗКС.

Кроме того, есть идеи распылять этот известняк над океаном. Океан, пытаясь поглотить СО2, становится более кислым. А таким способом можно снизить кислотность океана.

Фото: скриншот лекции

Базальт можно крошить и распылять на сельскохозяйственных полях. Это может приводить к увеличению урожайности.

По оценкам, для того, чтобы вывести тонну СО2 из атмосферы, необходимо распылить около 1,5—2,5 т известняка. При этом образуется большое количество аэрозоля, что тоже вызывает негативные экологические эффекты и риск для населения. Поэтому такой метод обладает низким потенциалом.

Прямое улавливание СО2 из атмосферы

Улавливание СО2 из воздуха возможно с помощью различных технологий:

  • абсорбация (например, в аминовых кислотах);
  • адсорбация (на твердых веществах);
  • мембраны;
  • минерализация (силикаты).

Например, завод Climeworks по улавливанию СО2 в Цюрихе уловил 900 тонн углерода в 2018 году. Стоимость одной тонны — $600.

Есть и другие фирмы, которые занимаются улавливанием СО2: Carbon Engeneering, Global Thermostat, Prometheus Fuels, Skytree, Anthecy и другие. Международная энергетическая ассоциация подсчитала, что в год улавливают около 0,01 Мт СО2. По сравнению с тем, что антропоген добавляет 40 Гт, пока результаты выглядят не очень внушительно.

А кроме того, прямое улавливание СО2 требует большого количества воды, что в условиях возможной ее нехватки становится опасной историей.

Фертилизация океана

Фертилизация океана — это добавление в океан железа или других питательных веществ, которые стимулируют рост фитопланктона, поглощающего СО2. Когда планктон отмирает, он попадает в глубокие слои океана и выводит углерод из углеродного цикла.

Фото: OceanNETs

С1990 года провели 13 экспериментов. Но ни один из них не доказал эффективность метода. В 2008 году ввели запрет на эксперименты в открытом океане (дополнение к Конвенции ООН о биоразнообразии). Последний крупный эксперимент провели в 2012 году в Канаде — тогда исследовали 100 тонн сульфата железа. Но эффективность снова не подтвердилась. Скорее всего, это тупиковая технология.

Подводя итог по технологиям отрицательных эмиссий СО2, еще раз отметим, что большинство из них находятся на стадии Research&Development. Планируется, что к 2030 году они начнут потихоньку внедряться, а с 2040 года должен начаться 6% ежегодный рост поглощения СО2 с помощью таких технологий.

План «Б»: уменьшение радиационных потоков (SRM)

Если технологии отрицательной эмиссии СО2 не сработают, можно прибегнуть к другому способу — сокращению приходящих к Земле радиационных потоков, что позволит скомпенсировать потепление в результате парникового эффекта (Solar radiation management, SRM). Эта идея появилась еще в 1965 году в США.

Кратковременное применение SRM поможет удержать глобальное потепление в пределах 1,5 градусов. Это необходимо, чтобы дождаться момента, когда начнет действовать CDM. Поэтому SRM — это наш план «Б».

Пока по SRM проводились только мелкие локальные эксперименты, которые пока очень сложно масштабировать на всю планету.

Экран («зеркало») в космосе

Идея состоит в том, чтобы развернуть в солнечно-земной Лагранжевой точке (L1, где силы притяжения уравновешены) на высоте около 1,5 млн км над поверхностью Земли либо 16 трлн маленьких зеркал (диаметром 0,6 мм и около 1 г весом), либо одну линзу Френеля (диаметром 1000 км), либо одну дифракционную решетку.

Фото: скриншот лекции

Так предполагается изменить солнечную постоянную — суммарную мощность солнечного излучения, проходящего через единичную площадку на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца вне земной атмосферы. По данным внеатмосферных измерений, солнечная постоянная сейчас составляет 1367 Вт/м². А благодаря новой технологии эта постоянная сократится на 0,5—1%.

Но очень много вопросов, как это сделать, начиная с того, как все эти зеркала или линзы доставить в точку L1.

Стратосферный аэрозоль

Это уже более осязаемая история, потому что есть примеры, как работает аэрозоль. Главный пример — это извержения тропических вулканов. При сильных извержениях наблюдается кратковременное (на 2-3 года) понижение температуры на 2-3 градуса.

Фото: Википедия

В тропиках вулкан извергается на высоту 25—30 км. Дальше в стратосфере действует циркуляция Брюера – Добсона, которая подхватывает весь аэрозоль и быстро — за пару недель — разносит его по всей стратосфере.

Ученые предлагают целенаправленно добавлять сульфатный аэрозоль в стратосферу. Это позволит создать такой же экран, который будет отражать часть солнечных лучей в космос и охлаждать планету.

Сульфатный аэрозоль можно получать как побочный продукт сжигания угля. То есть мы можем получить энергию, сжигая уголь, а серу отправить в стратосферу. Отправлять можно с помощью аэростатов, самолетов, вышек и ракет. Чтобы планета охлаждалась, нужно добавлять в стратосферу от 2 до 12 Мт сульфатных аэрозолей в год.

Но у такой модели есть последствия в виде влияния на осадки. Сухие места станут еще суше, и в целом изменится гидрологический цикл. Также сульфаты влияют на озоновый слой, поэтому сейчас ученые ищут другие аэрозоли, которые можно распылять в атмосфере вместо них.

Воздействие на облака

Мы можем воздействовать на облака. Каждое облако несет два эффекта: альбедный и парниковый. Мощность этих эффектов зависит от уровня, на котором находятся облака. Облака нижнего яруса охлаждают, а облака верхнего яруса (перистые) — отепляют.

Фото: feedback

В связи с этим возникли идеи с помощью реагентов воздействовать на слоисто-кучевые облака (сделать их ярче и продлить жизнь) или на перистые (сделать их тоньше).

Джон Латам в 1990 году предложил распылять в кучевых облаках морской аэрозоль (сухую морскую соль). Эта технология называется «засев слоисто-кучевых облаков». Засев солью может продлить жизнь облаков и усилить альбедный эффект. Сейчас разрабатываются установки, которые будут распылять морскую соль.

В ситуации с засевом перистых облаков встает больше вопросов. Для их засева планируется использовать реагент Висмут-3-йодид. А он довольно дорог.

Изменение альбедо поверхности

Изменение альбедо поверхности (отражающей способности земной поверхности) — это то, что реально внедряется, и уже есть множество региональных инициатив. Например, к этим инициативам относятся побелка асфальта и крыш, озеленение, разведение культур с более высоким альбедо, установка отражателей в пустыне.

Для предотвращения потепления необходимо повысить альбедо на 10% в сельскохозяйственных и городских регионах.

Сценарии внедрения геоинженерии

Существует четыре варианта осуществления дальнейшей климатической политики:

  • проект «Левиафан»: формируется единый для всего мира центр управления геоинженерными процессами. Этот процесс вотируется ведущими державами, крупными корпорациями и авторитетными научными центрами;
  • «Чимерика»: США и Китай вероятно заключают крупномасштабное соглашение по окружающей среде, в котором будут прописаны и принудительные меры;
  • «климатический Бегемот»: усиление функционала исполнительного комитета Парижского соглашения. Кроме того, продолжают проводить волонтерские инициативы;
  • климатическая анархия: мероприятия по геоинжинирингу проводятся автономно разными странами без оценок негативного влияния на соседей. Из-за этого возможен военно-политический конфликт.

Полную лекцию Александра Чернокульского вы можете посмотреть ниже.