Geoinżynieria, czyli jak naprawić klimat - część pierwsza

W swojej słynnej pracy z 1957 roku Roger Revelle i Hans Suess napisali, że ludzkość, dodając do atmosfery w krótkim czasie ogromne ilości węgla (w postaci CO2) wycofanego z niej niegdyś w trwającym miliony lat procesie, prowadzi jedyny w swoim rodzaju eksperyment geofizyczny. Takie zdarzenie nie miało miejsca nigdy w historii geologicznej naszej planety i pewnie nigdy nie będzie mogło być powtórzone.

Tempo tego eksperymentu szybko rośnie. Co około ćwierć wieku (licząc od początku epoki przemysłowej) podwajamy nasze całkowite emisje gazów cieplarnianych. Utrzymując się dalej na tej ścieżce nieustannego wzrostu mamy szansę (Rys.1) w ciągu najbliższych kilku-kilkunastu dekad doprowadzić do warunków, jakie istniały 50 mln lat temu w eocenie, albo jeszcze dalej, w bardzo odległej przeszłości geologicznej Tak raptowna, przyspieszająca z roku na rok zmiana, zagraża całemu naszemu otoczeniu.

Rysunek 1. Zmiany stężenia CO2 w atmosferze oraz wymuszanie radiacyjne ziemskiego systemu klimatycznego powodowane tymi zmianami oraz rosnącym dopływem energii od Słońca w tym okresie. a,b,c,e,f,g – przeszłość na podstawie danych proxy o stężeniu CO2 i obliczeń wymuszenia radiacyjnego na podstawie koncentracji CO2 i astrofizycznego modelu ewolucji Słońca, d,f – teraźniejszość i przyszłość. Scenariusze emisji gazów cieplarnianych RCP oraz scenariusz Wink12K, odpowiadającego spaleniu całości zasobów paliw kopalnych, za pracą Winkelmann i inni, 2015 są zaznaczone kolorami po prawej stronie. Czerwona obwódka to stopień niepewności związany z niepewnościami danych o stężeniach CO2. Rysunek z pracy Foster i inni, 2017.

Czy sprawa ocieplenia klimatu jest już ostatecznie przegrana? Czy naukowcy mają jakiś pomysł jak działać, gdyby wysiłki, które podejmujemy dla ograniczania emisji zawiodły i uruchomiły się na przykład gwałtowne sprzężenia zwrotne związane z emisją metanu z klatratów na dnie oceanów czy z wiecznej zmarzliny Syberii i Arktyki Kanadyjskiej? Od lat pojawiają się różnorodne idee kontroli bilansu radiacyjnego, na ten temat wypowiadali się już w latach 70. XX w. Freeman Dyson czy Edward Teller.

Dziś na konferencjach specjalistycznych Amerykańskiej czy Europejskiej Unii Geofizycznej, konferencjach fizyki chmur i innych zebraniach, na których zbierają się specjaliści od klimatu, trwa intensywna debata na temat tak zwanej geoinżynierii. Odpryski tych dyskusji, przetworzone przez szukające sensacji media, rozpalają wyobraźnię opinii publicznej. Czy wszystkie doniesienia na ten temat mają podstawy naukowe? Jakie są pomysły naukowców na obronę przed niekontrolowaną, grożącą naszej cywilizacji i większości życia na Ziemi, zmianą klimatu? Jakie mamy realne możliwości w tym zakresie?

Jak działa klimat i co z tego wynika?

Przypomnijmy w skrócie jak działa system klimatyczny i od czego zależy średnia temperatura naszej planety. Do Ziemi od Słońca dociera strumień energii w postaci krótkofalowego promieniowania elektromagnetycznego. Ziemia pochłania znaczną część (~70%) tego promieniowania, ogrzewając się. Ciepła powierzchnia planety emituje do atmosfery i dalej w kosmos promieniowanie termiczne w dalekiej podczerwieni. To, czy temperatura Ziemi rośnie czy spada, zależy od bilansu energii pochłanianej i emitowanej w kosmos. Obserwowane aktualnie globalne ocieplenie spowodowane jest tym, że przy niemal niezmiennym dopływie energii promieniowania słonecznego, rosnąca w atmosferze zawartość gazów cieplarnianych utrudnia wypromieniowanie w kosmos promieniowania podczerwonego. Rośnie ilość energii wewnętrznej znajdującej się w systemie klimatycznym i średnia temperatura powierzchni globu.

Rysunek 2. Schemat przepływów energii do i z systemu klimatycznego. Aby (średnia) temperatura Ziemi była stała strumień ciepła otrzymywanego przez Ziemię od Słońca ΔQS musi być równoważony strumieniem ciepła oddawanym przez Ziemię w kosmos ΔQC. T1, T2 i T3 to odpowiednio temperatura Słońca (ok. 5800K), temperatura Ziemi i temperatura kosmosu. Temperatura Ziemi rośnie, gdy ΔQS>ΔQC. Temperatura Ziemi spada, gdy ΔQS<ΔQC.

Już z tego krótkiego podsumowania widać, że skuteczna geoinżynieria musi polegać na zmianie bilansu energetycznego planety. Spowodować, że stanie się on przez jakiś czas ujemny, a w dłuższej perspektywie zrównoważony. Zasadniczo opcje są dwie: pierwsza to zmniejszenie docierającej do powierzchni Ziemi energii od Słońca, druga to zwiększenie tempa wypromieniowania w kosmos zgromadzonej w systemie energii.

Tę pierwszą możliwość nazwano w języku angielskim Solar Radiation Management (SRM) co na polski można przetłumaczyć jako „Zarządzanie Promieniowaniem Słonecznym”. Drugą, bez „owijania w bawełnę” nazwano Carbon Dioxide Removal (CDR) czyli „Usuwanie Dwutlenku Węgla” celem zmniejszenia koncentracji gazów cieplarnianych i osłabienia izolacyjnych właściwości atmosfery. Warto zauważyć że druga opcja jest w zasadzie związana z tym, o co walczymy: zmniejszeniem koncentracji gazów cieplarnianych w atmosferze. Pierwsza opcja, wiążąca się ze zmniejszeniem dopływu promieniowania słonecznego, nie jest dążeniem do przywrócenie stanu planety sprzed wzrostu koncentracji CO2.

Jakie pomysły mają naukowcy w pierwszym i drugim wypadku, które z nich są realne, a które nie? Prześledzimy szybko to, o czym pisze się w czasopismach naukowych oraz w prasie i innych środkach masowego przekazu.

Rysunek 3. Schematyczne przedstawienie rożnych pomysłów na inżynierię klimatyczną. Wzdłuż ukośnej linii: zarządzanie dopływem promieniowania słonecznego (SRM), na dole usuwanie CO2. Źródło: Lenton i Vaughan, 2009.

Zmniejszyć dopływ energii

W zakresie SRM proponowane są następujące rozwiązania:

1. „kosmiczne żaluzje” – przesłony między Ziemią a Słońcem;
2. zwiększenie albedo planety (zdolność odbijania przez nią promieniowania słonecznego) przez rozpylanie aerozolu w górnych warstwach atmosfery (głównie stratosferze);
3. zwiększanie albedo planety przez „wybielanie” chmur
4. zwiększanie albedo powierzchni planety:
     a) malowanie dachów na jasne kolory, rozjaśnianie powierzchni miejskich;
     b) pogrubianie czy produkcja lodu morskiego;
     c) spienianie powierzchni oceanów.

„Kosmiczne żaluzje” to pomysł umieszczenia pomiędzy Ziemią a Słońcem obiektów, które będą odbijać lub rozpraszać promieniowanie słoneczne, dzięki czemu mniej tego promieniowania dotrze do zewnętrznych warstw atmosfery. Z czysto technicznego punktu widzenia możliwe wydają się tutaj dwa rozwiązania. Pierwszym jest umieszczanie obiektów w tak zwanym punkcie libracyjnym L1 (miejscu gdzie siła przyciągania Słońca i Ziemi równoważą się). Ten punkt leży stale między Ziemią a Słońcem i wędruje wraz z ziemskim ruchem rocznym po orbicie. Działanie sił grawitacji Ziemi i Słońca powoduje, że umieszczone w punkcie libracyjnym obiekty trwale w nim pozostają.

Rysunek 4. Schemat położenia punktów libracyjnych (Słońce – żółta kulka, Ziemia – niebieska kulka) oraz pola potencjału grawitacyjnego układu Ziemia -Słońce. Punkt L1 może służyć do umieszczania tam urządzeń rzucających cień na Ziemię. Źródło.

Można sobie wyobrazić różnego rodzaju obiekty, które tam umieszczone będą odbijały promieniowanie słoneczne jak:

  1. rozpinany ogromny „parasol” lub chmura małych „parasolek”;
  2. soczewka Fresnela, która będzie rozszerzała wiązkę promieniowania słonecznego;
  3. siatka dyfrakcyjna uginająca promieniowanie;
  4. chmura pyłu.

Punkt libracyjny (inaczej punkt lagranżowski) L1 wykorzystywany jest od lat w badaniach klimatu, kosmosu i przestrzeni okołoziemskiej. Aktualnie w jego pobliżu przebywają 4 satelity. Trzy z nich, Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), Advanced Composition Explorer (ACE) oraz WIND, służą do badania aktywności słonecznej, wiatru słonecznego, magnetosfery ziemskiej i drobin materii obecnej w kosmosie. Czwarty, Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) to satelita, który pozwala obserwować zmiany klimatyczne i bilans energii naszej planety.

Rysunek 5. Zasada działania kosmicznej soczewki Fresnela (wystarczy soczewka o średnicy ~1000km, znacznie mniejsza niż pokazano, jej grubość mogłaby wynieść ułamek milimetra). Źródło

Pomysł wydaje się bardzo kuszący, ale Angel (2006) obliczył, że dla skompensowania wzrostu koncentracji CO2 w atmosferze o 2 ppm rocznie, należałoby w okolicach punktu L1 rozmieszczać co roku ok. 35 tysięcy km2 powierzchni odbijających promieniowanie słoneczne, co przy obecnej technice wymagałoby ok. 150 tys. transportów rakietowych rocznie… A stężenie CO2 w ostatnich latach rośnie już o 3 ppm rocznie.

Kolejnym możliwym rozwiązaniem jest umieszczenie podobnych obiektów na orbicie okołoziemskiej. Wariantów istnieje mnóstwo: przesłony umieszczone w postaci pierścienia wokół naszej planety, wiele małych obiektów, pył czy duże elektrownie fotowoltaiczne wykorzystujące promieniowanie słoneczne do produkcji energii elektrycznej przesyłanej za pomocą mikrofal na powierzchnię Ziemi.

Jak widać z obliczeń Angela (a także z wielu innych prac), z technicznego punktu widzenia pomysły na „żaluzje kosmiczne” są na razie niewykonalne. Nie mamy odpowiednich środków transportu, a koszty jakie trzeba ponieść, żeby zapoczątkować budowę i obmyślić sposoby sterowania tego rodzaju obiektami, uzgodnienia międzynarodowe z tym się wiążące oraz problemy wynikające z potencjalnymi awarii tych systemów powodują, że koncepcje te można dziś zaliczać raczej do science-fiction, niż traktować jako realne, dostępne do wykorzystania rozwiązanie geoinżynieryjne.

Druga rodzina rozwiązań to umieszczanie obiektów odbijających promieniowanie słoneczne w atmosferze ziemskiej. Pewnie wszyscy słyszeli o koncepcji wywodzącej się ze zrozumienia roli, jaką odgrywają aerozole siarkowe obecne po wielkich wybuchach wulkanicznych w naszej stratosferze. Pomysł ten zaproponował już dawno Paul Crutzen, a jego blaski i cienie opisał szczegółowo w pracy z 2006 roku. Zależnie od rozmiaru drobin wystarczyłoby co roku do stratosfery dostarczyć ok. 1,5-5 tysięcy ton siarki, co odpowiada zaledwie 3-10% antropogenicznych emisji siarki do atmosfery. Zaletą tej metody byłaby niezwykła taniość i łatwość wprowadzenia w życie nawet przy obecnie dostępnej technologii. Oczywistą wadą jest kompletny wygląd zmiany nieba, wskutek tego, że do powierzchni dochodziłoby proporcjonalnie więcej rozproszonego promieniowania słonecznego. Nieboskłon stałby się bardziej biały, a zachody Słońca – bardziej czerwone. Zmiany w proporcji promieniowanie bezpośredniego i rozproszonego mogłyby mieć także wpływ na organizmy fotosyntetyzujące i w efekcie np. na produktywność ekosystemów.

Kolejną wadą są możliwe konsekwencje dla cyrkulacji atmosferycznych. Niektóre badania pokazują, że taki aerozol występujący w znacznej ilości w stratosferze mógłby doprowadzić do poważnych zaburzeń w cyrkulacji atmosferycznej, przede wszystkim w rejonie Azji i Pacyfiku. Najważniejszą konsekwencją byłyby istotne zmiany w cyklu monsunu, aż do jego zaniku włącznie. Szczegółowe analizy wad i zalet tej metody geoinżynierii podsumował w swojej pracy z 2014 roku Alan Robbock, a sam pomysł jest cały czas badany i dyskutowany. Np. w artykule Kaldeira i in., 2016 autorzy proponują użycie w miejsce aerozoli siarkowych pyłu wapiennego (CaCO3), co powinno być bezpieczniejsze dla warstwy ozonowej. Ostatni artykuł przeglądowy na temat geoinżynierii stratosferycznej można znaleźć tutaj.

Kolejna opcja jest dla mnie, jako dla fizyka chmur, szczególnie interesująca. To pomysł Johna Lathama z Uniwersytetu w Manchesterze i National Center for Atmospheric Research, związany ze specyficznymi własnościami chmur stratocumulus, głównie tych położonych nad oceanami. Takie chmury, utrzymujące się nisko nad powierzchnią wody, przykryte inwersją temperatury (blokującym ruchy pionowe obszarem, w którym temperatura rośnie z wysokością), emitują promieniowanie podczerwone w górę niemal tak samo jak powierzchnia morza. Jednocześnie, w przeciwieństwie do wód oceanicznych, bardzo silnie odbijają promieniowanie słoneczne. Ich albedo zależy od tego czy woda w chmurach skondensowała w dużą liczbę małych kropelek (duże albedo) czy mniejszą liczbę większych (mniejsze albedo). Świetnie widać to na obrazach satelitarnych (Rys.6).

Rys. 6. Tzw. „shiptracks” pokazują zależność albedo chmur stratocumulus od koncentracji kropel. „Smugi” na obrazach to ślady po statkach, które przepłynęły pod warstwa chmur. Emisje spalin ze statku dostarczają dużej liczby jąder kondensacji i powodują, że ta sama ilość wody w chmurze występuje w postaci większej liczby w mniejszych kropelek, które efektywnie silniej odbijają promieniowanie słoneczne. Źródło: NASA.

Pomysł, rozważany od dawna a opisany szczegółowo np. w pracy Latham i in., 2012 polega na zbudowaniu specjalnych statków napędzanych wiatrem, które będą pływały po oceanie i rozpylały wodę morską. Cząsteczki soli, które pozostaną po wyparowaniu, są znakomitymi jądrami kondensacji (drobinami, na których skrapla się para wodna) i w ten sposób mogą spowodować, że chmury obecne nad nimi staną się "bielsze" i odbiją więcej promieniowania słonecznego. Są jednak wyniki pokazujące, że przy zastosowaniu tej techniki na masową skalę efekt będzie słabszy niż wskazują na to proste obliczenia (np. tu i tu). Aktualnie grupa naukowców z Wielkiej Brytanii i USA powołuje specjalną inicjatywę badawczą w tym zakresie.

Metoda wydaje się stosunkowo prosta i niezbyt droga, choć wymaga jeszcze znacznej liczby badań. Jej istotną zaletą jest możliwość kontroli i stosowania na ograniczonych obszarach, co w przypadku rozpylania aerozolu siarkowego nie wchodzi w grę (cyrkulacje atmosferyczne roznoszą go na całym globie). Potencjalnie, kontrolowane użycie „wybielania chmur”, mogłoby być sprawnym, prostym, niezbyt drogim, dobrze regulowanym, choć niekoniecznie wydajnym systemem geoinżynieryjnym.

Rys. 7. Wizja autonomicznego, napędzanego wiatrem statku rozpylającego wodę morską w celu „wybielania chmur”. Źródło: Latham i inni, 2012.

Albedo planetarne można tez zmieniać przez operacje na samej powierzchni Ziemi. Podobnie do „bielszych” chmur, lecz na obszarach, gdzie nie ma chmur, mogą działać bardzo drobne bąbelki powietrza generowane w morzu. Takie mikrometrowych rozmiarów pęcherzyki powietrza mogą stosunkowo długo (wiele godzin) utrzymywać się w wodzie. Powierzchnia morza stanie się wtedy biała i będzie odbijać promieniowanie. To pomysł zaproponowany w 2010 roku. Inne podobne koncepcje to: wybielanie Arktyki przez zwiększenie powierzchni lodu morskiego i wymrażanie morza, wybielanie pustyń, wybielanie obszarów zielonych czy rolniczych przez odpowiedni dobór szaty roślinnej, a nawet malowanie dachów i wszelkich powierzchni wykonanych przez człowieka na biało.

Ogromny zestaw literatury naukowej na temat sztucznego powiększania albedo powierzchni planety można znaleźć tu. Większość pomysłów dotyczących kontroli i zmiany albedo Ziemi, może poza przywracaniem lodu morskiego w Arktyce czy zmianą składu gatunkowego roślin, jest możliwa do wdrożenia, a nawet stosunkowo prosta do wykonania, przynajmniej na niewielkich obszarach. Wydaje się, że zharmonizowane prowadzenie takich działań, nie powinno wywołać skomplikowanych problemów w skali globu. Trudności związane są z czymś innym: samą koordynacją prac i reakcjami społecznymi (np. łatwość przypisania naukowcom winy za katastrofy naturalne, czy absurdalne teorie spiskowe takie jak np. „chemtrails”).

Jak widać, nie wszystkie metody geoinżynieryjne z zakresu SRM są nieosiągalne lub bezpośrednio niebezpieczne. Jednak ewentualne ich wdrożenie na skalę globalną ma jedną ogromną wadę – uzależnienie. Trzeba je będzie konsekwentnie stosować i rozszerzać ich zakres wraz ze wzrostem koncentracji gazów cieplarnianych w atmosferze – w sumie przez dziesiątki tysięcy lat. Gdyby z jakichś względów za dziesiątki, setki czy tysiące lat zaprzestano tych działań, cały skumulowany wpływ gazów cieplarnianych gwałtownie by się ujawnił.

A jakie zalety i wady miałyby metody geoinżynieryjne polegające na wychwycie CO2? O tym w drugiej części artykułu.

Prof. Szymon P. Malinowski

Opublikowano: 2017-05-11 19:36
Fundacja UW
Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.