Wtrysk aerozolu do stratosfery - Stratospheric aerosol injection

patrz podpis i opis obrazu
Proponowany balon na uwięzi do wstrzykiwania aerozoli do stratosfery.

Wstrzykiwanie aerozolu do stratosfery jest proponowaną metodą geoinżynierii słonecznej (lub modyfikacji promieniowania słonecznego) w celu ograniczenia zmian klimatycznych wywołanych przez człowieka . Spowodowałoby to wprowadzenie aerozoli do stratosfery w celu wywołania efektu chłodzenia poprzez globalne przyciemnienie , które występuje naturalnie w wyniku erupcji wulkanicznych . Wydaje się, że wstrzykiwanie aerozolu do stratosfery, o umiarkowanej intensywności, może przeciwdziałać większości zmian temperatury i opadów, działać szybko, mieć niskie bezpośrednie koszty wdrożenia i być odwracalne w swoich bezpośrednich skutkach klimatycznych. Międzyrządowy Zespół do spraw Zmian Klimatu stwierdza, że „jest najbardziej zbadane [Geoinżynierii słoneczna] Metoda, z wysokiej umowy , które mogłyby ograniczyć ocieplenie do wartości poniżej 1,5 ° C.” Jednak, podobnie jak inne podejścia do geoinżynierii słonecznej, wstrzykiwanie aerozolu do stratosfery byłoby niedoskonałe i możliwe są inne efekty, szczególnie jeśli jest stosowane w sposób suboptymalny.

Od 2021 r. przeprowadzono niewiele badań, a istniejące naturalne aerozole w stratosferze nie są dobrze poznane, więc nie ma jasnego pojęcia, jaki materiał zostanie użyty. Pod uwagę brane są tlenek glinu , kalcyt i sól . Wiodącą proponowaną metodą dostawy są samoloty na zamówienie .

Metody

Materiały

Jako wstrzykiwaną substancję proponowano różne formy siarki , ponieważ częściowo w ten sposób erupcje wulkaniczne ochładzają planetę. Rozważono gazy prekursorowe, takie jak dwutlenek siarki i siarkowodór . Według szacunków „jeden kilogram dobrze umieszczonej siarki w stratosferze z grubsza zrównoważyłby ocieplający efekt kilkuset tysięcy kilogramów dwutlenku węgla”. W jednym z badań obliczono wpływ wstrzykiwania cząstek siarczanu lub aerozoli do stratosfery co jeden do czterech lat w ilościach równych tym, które zostały wyniesione podczas erupcji wulkanu Pinatubo w 1991 roku , ale nie uwzględniono wielu technicznych i politycznych wyzwań związanych z potencjalnym wysiłki w zakresie geoinżynierii słonecznej. Wydaje się, że zastosowanie gazowego kwasu siarkowego zmniejsza problem wzrostu aerozolu. Rozważane są również materiały takie jak cząstki fotoforetyczne , dwutlenek tytanu i diament.

Dostawa

Zaproponowano różne techniki dostarczania aerozolu lub gazów prekursorowych. Wysokość wymagana do wejścia do stratosfery to wysokość tropopauzy , która waha się od 11 kilometrów (6,8 mil/36 000 stóp) na biegunach do 17 kilometrów (11 mil/58 000 stóp) na równiku.

  • Jedno z badań wykazało, że cywilne samoloty, w tym Boeing 747-400 i Gulfstream G550/650, C-37A, można stosunkowo niskim kosztem zmodyfikować, aby dostarczyć wystarczającą ilość wymaganego materiału, ale późniejsze metabadania sugerują, że potrzebny byłby nowy samolot, ale łatwy do wykonania. rozwijać.
  • Samoloty wojskowe, takie jak wariant F15-C F-15 Eagle, mają niezbędny pułap lotu , ale ograniczoną ładowność. Samoloty wojskowe, takie jak KC-135 Stratotanker i KC-10 Extender, również mają niezbędny pułap i mają większą ładowność.
  • Zmodyfikowana artyleria może mieć niezbędną zdolność, ale wymaga zatrucia i drogiego ładunku prochowego , aby podnieść ładunek. Artyleria Railgun może być niezanieczyszczającą alternatywą.
  • Balony na dużych wysokościach mogą być używane do podnoszenia gazów prekursorowych, w zbiornikach, pęcherzach lub w powłoce balonów.

System wtrysku

Różni autorzy omawiają szerokość geograficzną i rozkład miejsc wstrzykiwania. Podczas gdy reżim wstrzykiwania zbliżony do równika pozwoli cząstkom dostać się do wznoszącej się odnogi krążenia Brewera-Dobsona , kilka badań wykazało, że szerszy reżim wstrzykiwania na wyższych szerokościach geograficznych zmniejszy masowe natężenie przepływu i/lub przyniesie korzyści klimatyczne. Stężenie wstrzykiwanego prekursora w jednej długości geograficznej wydaje się być korzystne, przy zmniejszeniu kondensacji na istniejących cząstkach, co daje lepszą kontrolę nad rozkładem wielkości powstających aerozoli. Długi czas przebywania dwutlenku węgla w atmosferze może wymagać zaangażowania w SRM w skali tysiąclecia, jeśli jednocześnie nie prowadzi się agresywnej redukcji emisji.

Tworzenie aerozolu

Pierwotne tworzenie aerozolu, znane również jako jednorodne tworzenie aerozolu, następuje, gdy gazowy SO
2łączy się z tlenem i wodą tworząc wodny kwas siarkowy (H 2 SO 4 ). Ten kwaśny płynny roztwór ma postać pary i kondensuje na cząstki materii stałej, pochodzenia meteorytowego lub pyłu przenoszonego z powierzchni do stratosfery. Wtórne lub niejednorodne tworzenie aerozolu następuje, gdy para H 2 SO 4 kondensuje na istniejących cząstkach aerozolu. Istniejące cząstki lub kropelki aerozolu również wpadają na siebie, tworząc większe cząstki lub kropelki w procesie zwanym koagulacją . Wyższe temperatury atmosferyczne również prowadzą do większych cząstek. Te większe cząstki byłyby mniej skuteczne w rozpraszaniu światła słonecznego, ponieważ maksymalne rozpraszanie światła jest osiągane przez cząstki o średnicy 0,3 μm.

Zalety techniki

Zaletami tego podejścia w porównaniu z innymi możliwymi środkami geoinżynierii słonecznej są:

  • Naśladuje naturalny proces : Stratosferyczne aerozole siarki powstają w wyniku istniejących procesów naturalnych (zwłaszcza wulkanów ), których wpływ badano poprzez obserwacje. Kontrastuje to z innymi, bardziej spekulacyjnymi technikami geoinżynierii słonecznej, które nie mają naturalnych odpowiedników (np. kosmiczna osłona przeciwsłoneczna ).
  • Wykonalność technologiczna : W przeciwieństwie do innych proponowanych technik geoinżynierii słonecznej, takich jak rozjaśnianie chmur morskich , większość wymaganych technologii istnieje już wcześniej: produkcja chemiczna , pociski artyleryjskie , samoloty wysokościowe, balony meteorologiczne itp. Nierozwiązane wyzwania techniczne obejmują metody dostarczają materiał o kontrolowanej średnicy z dobrymi właściwościami rozpraszania.
  • Skalowalność : Niektóre techniki geoinżynierii słonecznej, takie jak chłodne dachy i ochrona przed lodem , mogą zapewnić jedynie ograniczoną interwencję w klimat z powodu niewystarczającej skali – nie można obniżyć temperatury o więcej niż określoną wartość za pomocą każdej techniki. Badania sugerują, że ta technika może mieć wysoki radiacyjny "potencjał wymuszający".

Niepewność

Nie jest pewne, jak skuteczna byłaby jakakolwiek technika geoinżynierii słonecznej, ze względu na trudności w modelowaniu ich wpływu i złożoną naturę globalnego systemu klimatycznego . Pewne kwestie dotyczące skuteczności są specyficzne dla aerozoli stratosferycznych.

  • Żywotność aerozoli : Troposferyczne aerozole siarki są krótkotrwałe. Dostarczanie cząstek do niższej stratosfery w Arktyce zazwyczaj zapewnia, że ​​pozostaną one w górze tylko przez kilka tygodni lub miesięcy, ponieważ powietrze w tym regionie głównie opada. Aby zapewnić wytrzymałość, konieczne jest podawanie na większą wysokość, zapewniając typową kilkuletnią wytrzymałość poprzez umożliwienie wstrzyknięcia do wznoszącej się odnogi krążenia Brewera-Dobsona powyżej tropikalnej tropopauzy . Co więcej, wielkość cząstek ma kluczowe znaczenie dla ich wytrzymałości.
  • Dostarczanie aerozolu : Istnieją dwie propozycje, jak stworzyć stratosferyczną chmurę aerozolu siarczanowego, albo poprzez uwolnienie gazu prekursorowego ( SO
    2    ) lub bezpośrednie uwalnianie kwasu siarkowego ( H
    2    WIĘC
    4    ) i stoją przed różnymi wyzwaniami. Jeśli SO
    2    uwalniany gaz utlenia się, tworząc H
    2    WIĘC
    4    a następnie skondensować, tworząc kropelki daleko od miejsca wstrzyknięcia. Zwolnienie SO
    2    nie pozwoliłoby na kontrolę nad wielkością powstających cząstek, ale nie wymagałoby wyrafinowanego mechanizmu uwalniania. Symulacje sugerują, że jako SO
    2    zwiększa się szybkość uwalniania, następuje zmniejszenie zwrotów z efektu chłodzenia, ponieważ powstawałyby większe cząstki, które mają krótszą żywotność i są mniej skutecznymi rozpraszaczami światła. Jeśli H
    2    WIĘC
    4    jest uwalniany bezpośrednio, wtedy cząstki aerozolu utworzyłyby się bardzo szybko i w zasadzie można by kontrolować wielkość cząstek, chociaż wymagania inżynieryjne w tym zakresie są niepewne. Zakładając technologię dla bezpośredniego H
    2    WIĘC
    4    można wymyślić i rozwinąć uwalnianie, które pozwoliłoby kontrolować wielkość cząstek, aby ewentualnie złagodzić niektóre nieefektywności związane z SO
    2     uwolnienie.

Koszt

Wczesne badania sugerują, że wstrzykiwanie aerozolu do stratosfery może mieć stosunkowo niski koszt bezpośredni. Roczny koszt dostarczenia 5 milionów ton aerozolu zwiększającego albedo (wystarczającego, aby zrównoważyć spodziewane ocieplenie w następnym stuleciu) na wysokość od 20 do 30 km szacuje się na 2 do 8 miliardów USD. Dla porównania, roczne szacunki kosztów szkód klimatycznych lub ograniczenia emisji wahają się od 200 miliardów do 2 bilionów USD.

2016 badania znajdzie koszt 1 W / m 2, chłodzenie się pomiędzy 5-50 mld USD / rok. Ponieważ większe cząstki są mniej wydajne w chłodzeniu i szybciej spadają z nieba, oczekuje się, że koszt jednostkowego chłodzenia wzrośnie z czasem, ponieważ zwiększona dawka prowadzi do większych, ale mniej wydajnych cząstek, dzięki mechanizmom takim jak koalescencja i dojrzewanie Ostwalda. Załóżmy RCP8.5, -5.5 W / m 2 chłodzenie byłoby wymagane do utrzymania 2020 2100 Klimat. Przy poziomie dawki wymaganym do zapewnienia tego chłodzenia, sprawność netto na masę wstrzykiwanych aerozoli spadłaby do poniżej 50% w porównaniu do zastosowania na niskim poziomie (poniżej 1 W/m 2 ). Przy całkowitej dawce -5,5 W/m 2 , koszt wyniósłby od 55 do 550 miliardów USD/rok, gdy uwzględni się również zmniejszenie wydajności, przynosząc roczne wydatki do poziomów porównywalnych z innymi alternatywami łagodzącymi.

Inne możliwe skutki uboczne

Generalnie geoinżynieria słoneczna stwarza różne problemy i zagrożenia. Jednak pewne problemy są specyficzne lub bardziej wyraźne w przypadku wstrzykiwania siarczku do stratosfery.

  • Zubożenie warstwy ozonowej : jest potencjalnym efektem ubocznym aerozoli siarkowych; a obawy te zostały poparte modelowaniem. Może to jednak nastąpić tylko wtedy, gdy wystarczająco duże ilości aerozoli dryfują lub osadzają się w polarnych chmurach stratosferycznych, zanim poziomy CFC i innych gazów niszczących ozon spadną w sposób naturalny do bezpiecznego poziomu, ponieważ aerozole stratosferyczne wraz z gazami niszczącymi ozon są odpowiedzialny za zubożenie warstwy ozonowej. Zaproponowano zatem wstrzykiwanie innych aerozoli, które mogą być bezpieczniejsze, takich jak kalcyt. Wstrzykiwanie aerozoli niesiarczkowych, takich jak kalcyt (wapień), miałoby również efekt chłodzący, jednocześnie przeciwdziałając zubożeniu warstwy ozonowej i powinno zmniejszyć inne skutki uboczne.
  • Wybielanie nieba : Wstrzyknięcie aerozolu do stratosfery miałoby wpływ na wygląd nieba, w szczególności lekkie zamglenie błękitnego nieba i zmiana wyglądu zachodów słońca . Jak wstrzykiwanie aerozolu do stratosfery może wpływać na chmury, pozostaje niejasne. Według badań nad czystszym powietrzem, zmniejszenie zanieczyszczenia aerozolami doprowadziło do rozjaśnienia słonecznego w Europie i Ameryce Północnej, co było odpowiedzialne za wzrost produkcji kukurydzy w USA w ciągu ostatnich 30 lat.
  • Zmiana temperatury w stratosferze : Aerozole mogą również pochłaniać część promieniowania ze Słońca, Ziemi i otaczającej atmosfery. Zmienia to temperaturę otaczającego powietrza i może potencjalnie wpływać na cyrkulację stratosferyczną, co z kolei może wpływać na cyrkulację powierzchniową.
  • Osadzanie i kwaśne deszcze : Osadzanie się siarczanu na powierzchni wstrzykniętego do stratosfery może również mieć wpływ na ekosystemy. Jednak ilość i szerokie rozproszenie wstrzykiwanych aerozoli powoduje, że ich wpływ na stężenia cząstek stałych i kwasowość opadów byłby bardzo mały.
  • Konsekwencje ekologiczne : Konsekwencje wstrzykiwania aerozolu do stratosfery na systemy ekologiczne są nieznane i potencjalnie różnią się w zależności od ekosystemu, co ma różny wpływ na biomy morskie i lądowe.

Badania na zewnątrz

Prawie wszystkie dotychczasowe prace nad wstrzykiwaniem siarczanu stratosferycznego ograniczały się do modelowania i prac laboratoryjnych. W 2009 roku rosyjski zespół przetestował tworzenie się aerozolu w niższej troposferze za pomocą helikopterów. W 2015 r. David Keith i Gernot Wagner opisali potencjalny eksperyment terenowy, Stratosferyczny Eksperyment Kontrolowanych Zaburzeń (SCoPEx), wykorzystujący wstrzykiwanie stratosferycznego węglanu wapnia , ale do października 2020 r. czas i miejsce nie zostały jeszcze określone.

W 2012 r., kierowany przez Uniwersytet Bristolski projekt wstrzykiwania cząstek stratosferycznych w inżynierii klimatycznej (SPICE) zaplanował ograniczone testy terenowe w celu oceny potencjalnego systemu dostarczania. Grupa otrzymała wsparcie od EPSRC , NERC i STFC w wysokości 2,1 miliona funtów i była jednym z pierwszych projektów w Wielkiej Brytanii, których celem było dostarczenie opartej na dowodach wiedzy na temat zarządzania promieniowaniem słonecznym. Chociaż testy terenowe zostały anulowane, panel projektu postanowił kontynuować laboratoryjne elementy projektu. Ponadto przeprowadzono ćwiczenie konsultacyjne z członkami społeczeństwa w równoległym projekcie Uniwersytetu Cardiff , ze szczególnym zbadaniem nastawienia do testu SPICE. Badanie to wykazało, że prawie wszyscy uczestnicy ankiety byli gotowi na kontynuowanie próby terenowej, ale bardzo niewielu było zadowolonych z faktycznego stosowania aerozoli stratosferycznych. Kampania przeciw geoinżynierii prowadzona przez Grupę ETC przygotowała list otwarty wzywający do zawieszenia projektu do czasu osiągnięcia międzynarodowego porozumienia, w szczególności wskazując na zbliżającą się konwencję stron Konwencji o różnorodności biologicznej w 2012 roku.

Zarządzanie

Większość istniejącego zarządzania aerozolami siarczanowymi w stratosferze wywodzi się z tego, które ma szersze zastosowanie do zarządzania promieniowaniem słonecznym. Jednak niektóre istniejące instrumenty prawne byłyby istotne w szczególności w przypadku aerozoli siarczanowych w stratosferze. Na poziomie międzynarodowym Konwencja w sprawie transgranicznego zanieczyszczania powietrza na dalekie odległości (Konwencja CLRTAP) zobowiązuje kraje, które ją ratyfikowały, do ograniczenia emisji poszczególnych transgranicznych zanieczyszczeń powietrza. Warto zauważyć, że zarówno zarządzanie promieniowaniem słonecznym, jak i zmiany klimatyczne (a także gazy cieplarniane) mogą spełniać definicję „zanieczyszczenia powietrza”, którą sygnatariusze zobowiązują się do ograniczenia, w zależności od ich rzeczywistych negatywnych skutków. Zobowiązania dotyczące określonych wartości zanieczyszczeń, w tym siarczanów, są dokonywane poprzez protokoły do ​​Konwencji CLRTAP. Pełne wdrożenie lub zakrojone na szeroką skalę testy terenowe reakcji klimatycznych na aerozole siarczanu stratosferycznego mogą spowodować, że kraje przekroczą swoje limity. Jednakże, ponieważ zastrzyki do stratosfery byłyby rozprzestrzenione na całym świecie, a nie skoncentrowane w kilku sąsiednich krajach, i mogłyby prowadzić do redukcji netto „zanieczyszczenia powietrza”, które Konwencja CLRTAP ma zredukować.

Wstrzykiwanie aerozoli siarczanowych do stratosfery spowodowałoby zastosowanie Konwencji wiedeńskiej o ochronie warstwy ozonowej ze względu na ich możliwy szkodliwy wpływ na ozon stratosferyczny. Traktat ten ogólnie zobowiązuje jego Strony do wprowadzenia polityki kontroli działań, które „mają lub mogą mieć niekorzystne skutki wynikające z modyfikacji lub prawdopodobnej modyfikacji warstwy ozonowej”. Protokół Montrealski z Konwencją Wiedeńską zakazuje produkcji niektórych substancji zubożających warstwę ozonową, poprzez out fazowych. Siarczany obecnie nie należą do substancji zabronionych.

W Stanach Zjednoczonych ustawa o czystym powietrzu może upoważnić Agencję Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych do regulowania aerozoli siarczanowych w stratosferze.

Siew Welsbacha

Siew Welsbach to opatentowana metoda inżynierii klimatycznej , polegająca na wysiewie w stratosferze małych (10 do 100 mikronów ) cząstek tlenku metalu ( dwutlenek toru , tlenek glinu ). Celem zasiewu Welsbacha byłoby „(zmniejszenie) ocieplenia atmosfery w wyniku efektu cieplarnianego wynikającego z warstwy gazów cieplarnianych” poprzez przekształcenie energii promieniowania przy długości fali bliskiej podczerwieni na promieniowanie przy długości fali dalekiej podczerwieni, pozwalając promieniowanie ucieka w przestrzeń kosmiczną, ochładzając w ten sposób atmosferę. Opisane zasiewy byłyby wykonywane przez samoloty na wysokości od 7 do 13 kilometrów.

Patent

Metoda została opatentowana przez Hughes Aircraft Company w 1991 roku, patent USA 5003186. Cytat z patentu:

„Globalne ocieplenie było wielkim problemem wielu naukowców zajmujących się ochroną środowiska. Naukowcy uważają, że efekt cieplarniany jest odpowiedzialny za globalne ocieplenie. Od czasu rewolucji przemysłowej wytworzono znacznie większe ilości gazów zatrzymujących ciepło. Gazy te, takie jak CO 2 , CFC , a metan gromadzą się w atmosferze i umożliwiają swobodny przepływ światła słonecznego, ale blokują ucieczkę ciepła (efekt cieplarniany). Gazy te są stosunkowo przezroczyste dla światła słonecznego, ale silnie pochłaniają promieniowanie podczerwone o długich falach uwalniane przez Ziemię.

„Ten wynalazek dotyczy metody redukcji globalnego ocieplenia wynikającego z efektu cieplarnianego, a w szczególności metody, która obejmuje zasiewanie ziemskiej stratosfery materiałami podobnymi do Welsbacha”.

Wykonalność

Metoda nigdy nie została wdrożona i nie jest uważana za realną opcję przez obecnych ekspertów geoinżynierii; w rzeczywistości uważa się, że proponowany mechanizm narusza drugą zasadę termodynamiki. Obecnie proponowane metody geoinżynierii atmosferycznej polegałyby na wykorzystaniu innych aerozoli na znacznie większych wysokościach.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki