Första soldämpningsexperimentet testar ett sätt att kyla jorden

Forskare planerar att sprida solljusreflekterande partiklar i stratosfären, ett tillvägagångssätt som i slutändan kan användas för att snabbt sänka planetens temperatur.

27 NOVEMBER 2018
https://www.nature.com/articles/d41586-018-07533-4

Zhen Dai, Frank Keutsch och David KeithFrank Keutsch, Zhen Dai och David Keith (vänster mot höger) i Keutschs laboratorium vid Harvard University. 

 

Zhen Dai håller upp ett litet glasrör belagt med ett vitt pulver: kalciumkarbonat, en allestädes närvarande förening som används i allt från papper och cement till tandkräm och kakblandningar. Doppa en tablett av det i vatten, och resultatet är en mageanorbid som lugnar magen. Frågan för Dai, doktorand vid Harvard University i Cambridge, Massachusetts, och hennes kollegor är om detta oskyldiga ämne också kan hjälpa mänskligheten att lindra det ultimata fallet av matsmältningsbesvär: global uppvärmning orsakad av växthusgasföroreningar.

Tanken är enkel: Spraya en massa partiklar i stratosfären, och de kommer att kyla planeten genom att reflektera några av solens strålar tillbaka i rymden. Forskare har redan bevittnat principen i åtgärd. När Mount Pinatubo utbröt i Filippinerna 1991 injicerade den uppskattad 20 miljoner ton svaveldioxid i stratosfären – det atmosfäriska skiktet som sträcker sig från cirka 10 till 50 kilometer över jordens yta. Utbrottet skapade ett dis av sulfatpartiklar som kylde planeten med omkring 0,5 ° C. I ungefär 18 månader sjönk jordens genomsnittstemperatur till vad det var före ångmaskinens ankomst.

Tanken att människor kan sänka jordens termostat med liknande konstgjorda medel är flera decennier gamla. Den passar in i en bredare klass av planetkylningssystem som kallas geoengineering som länge har genererat intensiv debatt och i vissa fall rädsla.

Forskare har i stort sett begränsat sitt arbete med sådan taktik till datormodeller. Bland farhågorna är att dimmning solen kan återfå, eller åtminstone starkt nackdelen vissa delar av världen genom att till exempel riva av solljus och skiftande regnmönster.

Men eftersom utsläppen fortsätter att stiga och klimatprognoserna förblir svåra, börjar samtal om geoengineeringsforskning få mer dragkraft bland forskare, politiker och vissa miljöaktivister. Det beror på att många forskare har kommit till den oroväckande slutsatsen att det enda sättet att förhindra de allvarliga effekterna av den globala uppvärmningen kommer att vara att suga massiva mängder koldioxid ur atmosfären eller att kyla planeten konstgjort. Eller, kanske mer troligt, båda.

Om allt går som planerat kommer Harvard-laget att vara det första i världen för att flytta solenergi geoengineering ut ur laboratoriet och in i stratosfären, med ett projekt som kallas Stratosfäriska Controlled Perturbation Experiment (SCoPEx). Den första fasen – ett test på 3 miljoner dollar som involverar två flygningar av en styrbar ballong 20 kilometer över sydvästra USA – kan starta redan i början av 2019. En gång på gång skulle experimentet släppa ut små plymer av kalciumkarbonat, var och en av cirka 100 gram, ungefär lika med den mängd som finns i en genomsnittlig flaska av antacida utan hylla. Ballongen skulle då vända sig för att observera hur partiklarna sprider sig.

Testet är extremt blygsamt. Dai, vars doktorandarbete de senaste fyra åren har varit inblandat i att bygga en bordplatta för att simulera och mäta kemiska reaktioner i stratosfären före experimentet, betonar inte bekymmer över sådan forskning. ”Jag studerar ett kemiskt ämne”, säger hon. ”Det är inte som att det är en kärnvapen.”

Trots detta kommer experimentet att vara det första som flyger under bana av solenergi geoengineering. Och så är det under intensiv granskning, bland annat från vissa miljögrupper, som säger att sådana insatser är en farlig avledning från att ta itu med den enda permanenta lösningen för klimatförändringar: minska utsläppen av växthusgaser. Det vetenskapliga resultatet av SCoPEx spelar ingen roll, säger Jim Thomas, medföredragande direktör för ETC Group, en miljöorganisation i Val-David, nära Montreal, Kanada, som motsätter sig geoengineering: ”Det här är lika mycket ett experiment i att ändra sociala normer och korsa en linje eftersom det är ett vetenskapsexperiment. ”

Medveten om denna uppmärksamhet rör teamet långsamt och arbetar för att inrätta ett klart övervakning för experimentet, i form av en extern rådgivande kommitté för att granska projektet. Vissa säger att en sådan ram, som kan bana väg för framtida experiment, är ännu viktigare än resultaten av det här testet. ”SCoPEx är den första ut ur porten, och det utlöser en viktig konversation om vilken oberoende vägledning, rådgivning och övervakning som ska se ut”, säger Peter Frumhoff, klimatforskare vid Union of Concerned Scientists i Cambridge, Massachusetts och en ledamot av en oberoende panel som har blivit ansvarig för valet av rådgivande utskottets chef. ”Att få det gjort rätt är mycket viktigare än att få det gjort snabbt.”

Sammanfoga krafter

På många sätt är stratosfären en idealisk plats att försöka göra atmosfären reflekterande. Små partiklar injicerade där kan spridas runt om i världen och stanna uppe i två år eller mer. Om de placeras strategiskt och regelbundet i båda halvkärmen, kan de skapa en relativt likformig filt som skulle skydda hela planeten (se ”Global intervention”). Processen behöver inte vara jätte dyrt; I en rapport i förra månaden föreslog den mellanstatliga panelen för klimatförändringar att en flotta högflygande flygplan skulle kunna deponera tillräckligt med svavel för att kompensera ungefär 1,5 ° C av uppvärmning för cirka 1 miljard dollar till 10 miljarder dollar per år 1 .

Paul Jackman / Nature

Huvuddelen av solenergiforskningen hittills har fokuserat på svaveldioxid, samma ämne som frigjorts av Mount Pinatubo. Men svavel är kanske inte den bästa kandidaten. Förutom att kyla planeten ökade de aerosoler som genererades i det utbrottet den takt som klorfluorkarboner bryter ner ozonskiktet, vilket skyddar planeten från solens skadliga ultravioletta strålning. Sulfat aerosoler värms också av solen, tillräckligt för att potentiellt kunna påverka fuktens rörelse och ändå ändra strålströmmen. ”Det finns alla dessa nedströms effekter som vi inte helt förstår”, säger Frank Keutsch, en atmosfärisk kemist vid Harvard och SCoPEx huvudforskare.

SCoPEx-teamets första stratosfäriska experiment kommer att fokusera på kalciumkarbonat, vilket förväntas absorbera mindre värme än sulfater och att få mindre påverkan på ozon. Men läroböcker svarar – och till och med Dai’s bordplatta enhet – kan inte fånga hela bilden. ”Vi vet faktiskt inte vad det skulle göra, för att det inte existerar i stratosfären,” säger Keutsch. ”Det sätter upp en röd flagga.”

SCoPEx syftar till att samla in verkliga data för att sortera ut det. Experimentet började som ett partnerskap mellan atmosfärskemisten James Anderson från Harvard och experimentell fysiker David Keith, som flyttade till universitetet 2011. Keith har undersökt olika geoengineeringsalternativ av och på i mer än 25 år. Under 2009, vid University of Calgary i Kanada grundade han företaget Carbon Engineering, i Squamish, som arbetar för att kommersialisera teknik för att avlägsna koldioxid från atmosfären. Efter att ha anslutit sig till Harvard, använde Keith forskningsmedel som han hade fått från Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, för att börja planera experimentet.

Keutsch, som blev involverad senare, är inte klimatforskare och är i bästa fall en motvillig geoengineer. Men han oroar sig för var mänskligheten är på väg och vad det betyder för hans barns framtid. När han såg Keith prata om SCoPEx-idén på en konferens efter att ha startat i Harvard 2015, säger han att hans första reaktion var att tanken var ”helt galen”. Då bestämde han sig för att det var dags att engagera sig. ”Jag frågade mig själv, en atmosfärisk kemist, vad kan jag göra?” Han gick ihop med Keith och Anderson och har sedan tagit ledningen i experimentarbetet.

Ett öga på himlen

Redan har SCoPEx flyttat längre än tidigare solenergi-ansträngningar. Det brittiska Stratospheric Particle Injection for Climate Engineering-experimentet, som försökte spraya vatten 1 kilometer i atmosfären, avbröts 2012 delvis på grund av att forskare hade ansökt om patent på en apparat som i slutändan kan påverka varje människa på planeten. (Keith säger att det inte finns några patent på någon teknik som är involverad i SCoPEx-projektet.) Och amerikanska forskare med Marine Cloud Brightening Project, som syftar till att sprida saltvattendroppar i den lägre atmosfären för att öka reflektiviteten hos havsskyer har försökt att samla in pengar till projektet i nästan ett decennium.

Miljökammare för att testa instrument som används i SCoPEx-fältuppdrag

En miljökammare för att testa instrument som används i SCoPEx-fältuppdraget. 

 

Även om SCoPEx skulle kunna vara det första soleno-experimentet att flyga, säger Keith att andra projekt som inte har märkt sig som sådana redan har gett användbar data. År 2011 pumpade det östliga Stillahavsområdet Aerosol Cloud Experiment rök in i den nedre atmosfären för att efterlikna föroreningar från fartyg, vilket kan orsaka att molnen lyser genom att fånga mer vattenånga. Testet användes för att studera effekten på marina moln, men resultaten hade en direkt inverkan på geoengineeringskunskap: de ljusare molnen gav en kylningseffekt 50 gånger större än uppvärmningseffekten av koldioxidutsläppen från forskarens fartyg 2 .

Keith säger att Harvard-laget ännu inte har stött på offentliga protester eller någon direkt motstånd – bortsett från den enstaka konspirationsteoretiker. Utmaningen för forskare, säger han, stammar mer från en rädsla bland vetenskapliga finansieringsorgan som investerar i geoengineering kommer att leda till protester från miljöaktivister.

För att hjälpa till att föra fram fältet satte Keith ett mål i 2016 för att höja 20 miljoner dollar för att stödja ett formellt forskningsprogram som skulle täcka inte bara experimentarbetet utan också forskning om modellering, styrning och etik. Han har lyft omkring 12 miljoner dollar hittills, mest från Gates Foundation och andra filantropier. krukan ger finansiering till dussintals människor, till stor del på deltid.

Keith och Keutsch vill också ha en extern rådgivande kommitté att granska SCoPEx innan den flyger. Utskottet, som fortfarande ska väljas, kommer att rapportera till dekan för teknik och vice-provost för forskning vid Harvard. ”Vi ser detta som en del av en process för att bygga vidare stöd för forskning om detta ämne,” säger Keith.

Keutsch ser fram emot att ha vägledning av en extern grupp, och hoppas att det kan ge klarhet om hur test som hans ska fortsätta. ”Det här är ett mycket mer politiskt utmanande experiment än vad jag hade förväntat mig”, säger han. ”Jag var lite naiv.”

SCoPEx står inför tekniska utmaningar också. Det måste spruta partiklar av rätt storlek: laget beräknar att de med en diameter på ca 0,5 mikrometer ska sprida och reflektera solljuset väl. Ballongen måste också kunna vända sin kurs i den tunna luften så att den kan passera genom sin egen kölvatten. Förutsatt att teamet kan hitta kalciumkarbonatplummet – och det finns ingen garanti för att de kan – SCoPEx behöver instrument som kan analysera partiklarna och hoppas att bära prover tillbaka till jorden.

”Det kommer att bli ett svårt experiment, och det kanske inte fungerar”, säger David Fahey, en atmosfärisk forskare vid National Oceanic and Atmospheric Administration i Boulder, Colorado. I hopp om att det kommer, har Faheys team gett SCoPEx ett lätt instrument som på ett tillförlitligt sätt kan mäta storleken och antalet partiklar som släpps. Ballongen kommer också att vara utrustad med en laseranordning som kan övervaka plummet långt ifrån. Annan utrustning som kan samla information om fukt och ozon i stratosfären kan flyga på ballongen också.

Upp till stratosfären

Keutsch och Keith arbetar fortfarande med några av de tekniska detaljerna. Planer med ett ballongföretag föll igenom, så de jobbar nu med en sekund. Och ett oberoende team av ingenjörer i Kalifornien arbetar med alternativ för sprutan. För att förenkla saker planerar SCoPEx-gruppen att flyga ballongen under våren eller hösten när stratosfäriska vindar skiftar riktning och – under en kort period – lugnar ner, vilket gör det lättare att spåra pluimen.

Av alla dessa skäl kännetecknar Keutsch den första flygningen som ett tekniktest, huvudsakligen avsett att visa att allt fungerar som det ska. Teamet är redo att spruta kalciumkarbonatpartiklar, men kan istället använda saltvatten för att testa sprutan om rådgivande kommittén observerar.

Keith tror fortfarande att sulfat aerosoler i slutändan kan vara det bästa valet för solenergi geoengineering, om bara för att det har blivit mer forskning om deras inverkan. Han säger att möjligheten att sulfater ökar ozonförlusten bör bli mindre oroande i framtiden, eftersom insatser för att återställa ozonskiktet genom förorenande reduktioner fortsätter. Ändå är hans främsta hopp att etablera ett experimentellt program där forskare kan utforska olika aspekter av solenergi geoengineering.

Det finns många utestående frågor. Vissa forskare har föreslagit att solgeoengineering kan förändra nederbördsmönster och till och med leda till mer torka i vissa regioner. Andra varnar för att en av de möjliga fördelarna med solenergi geoengineering – upprätthålla avkastningen genom att skydda dem mot värmespänning – kanske inte kommer att klara sig. I en studie som publicerades i augusti fann forskare att utbytet av majs, soja, ris och vete 3 föll efter två vulkanutbrott, Mount Pinatubo 1991 och El Chichón i Mexiko 1982, dimmade himlen. Sådana minskningar kan räcka för att avbryta eventuella vinster i framtiden.

Keith säger att vetenskapen hittills föreslår att fördelarna skulle kunna överväga de potentiella negativa konsekvenserna, särskilt jämfört med en värld där uppvärmning går okontrollat. Den allmänt kända nackdelen är att avskärmning av solen inte påverkar utsläppen, så växthusgasnivåerna fortsätter att stiga och havet skulle bli ännu surt. Men han föreslår att solenergi geoengineering kan minska mängden kol som annars skulle hamna i atmosfären, bland annat genom att minimera förlusten av permafrost, främja skogstillväxt och minska behovet av att kyla byggnader. I en ännu inte offentliggjord analys av nederbörd och temperatur extremiteter med hjälp av en klimatmodell med hög upplösning, fann Keith och andra att nästan alla regioner i världen skulle dra nytta av ett måttligt solgeoengineeringsprogram. ”Trots alla bekymmer, Vi kan inte hitta några områden som definitivt skulle vara värre, säger han. ”Om solenergi geoengineering är lika bra som vad som visas i dessa modeller, skulle det vara galet att inte ta det på allvar.”

Det finns fortfarande stor osäkerhet om vetenskapens tillstånd och antagandena i modellerna – inklusive tanken att mänskligheten kunde komma ihop för att upprätta, underhålla och sedan slutligen demontera ett väldesignat geoengineeringsprogram samtidigt som man tacklar det underliggande problemet med utsläpp. Fortfarande har framstående organisationer, däribland Storbritanniens kungliga samhälle och USA: s nationella akademier för vetenskap, teknik och medicin, krävt mer forskning. I oktober lanserade akademierna ett projekt som kommer att försöka ge en plan för ett sådant program.

Vissa organisationer försöker redan att främja diskussioner mellan politiker och statstjänstemän på internationell nivå. Styrelsen för solstrålningshanteringsstyrning håller till exempel workshops över hela världen. Och Janos Pasztor, som hanterade klimatfrågor under den tidigare FN: s generalsekreterare Ban Ki-moon, har pratat med höga tjänstemän runt om i världen i sin roll som chef för Carnegie Climate Geoengineering Governance Initiative, en ideell organisationsbaserad i New York. ”Regeringar måste delta i denna diskussion och att förstå dessa frågor, säger Pasztor. ”De behöver förstå riskerna – inte bara riskerna med att göra det, men också riskerna med att inte förstå och inte veta.”

En oro är att regeringarna en dag kan få panik över följderna av den globala uppvärmningen och skynda framåt med ett slumpmässigt program för solenergi-geoengineering, en tydlig möjlighet, eftersom kostnaderna är billiga nog att många länder och kanske ens några individer kunde ha råd att gå ensam. Dessa och andra frågor uppstod tidigare i månaden i Quito, Ecuador, vid det årliga toppmötet i Montrealprotokollet, som reglerar kemikalier som skadar stratosfäriska ozonskiktet. Flera länder krävde en vetenskaplig bedömning av de potentiella effekter som solenergi geoengineering kan ha på ozonskiktet och på stratosfären i större utsträckning.

Om världen blir allvarlig om geoengineering, säger Fahey att det finns gott om sofistikerade experiment som forskare kan göra med hjälp av satelliter och flygplan. Men för tillfället säger han att SCoPEx kommer att vara värdefullt – om bara för att det trycker samtalet framåt. ”Att inte prata om geoengineering är det största misstaget vi kan göra just nu.”

 



Kategorier:klimatet

Etiketter:, ,

1 svar

%d bloggare gillar detta: