Modelleringsstrategi giver forskere mulighed for at undersøge måder at begrænse opvarmning, reducere bivirkninger

Ved hjælp af en sofistikeret computermodel, forskere har demonstreret for første gang, at en ny forskningstilgang til geoengineering potentielt kan bruges til at begrænse Jordens opvarmning til et specifikt mål og samtidig reducere nogle af de risici og bekymringer, der er identificeret i tidligere undersøgelser, herunder ujævn afkøling af kloden.

Forskerne udviklede en specialiseret algoritme til en jordsystemmodel, der varierer mængden og placeringen af ​​geoengineering - i dette tilfælde, injektioner af svovldioxid højt i atmosfæren - det ville i teorien være nødvendigt, år til år, til effektivt at hætte opvarmning. De advarer, imidlertid, at der er behov for mere forskning for at afgøre, om denne tilgang ville være praktisk, eller endda muligt, i den virkelige verden.

Resultaterne fra den nye forskning, ledet af forskere fra National Center for Atmospheric Research (NCAR), Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), og Cornell University, repræsentere et vigtigt skridt fremad inden for geoengineering. Stadig, der er mange spørgsmål, der skal besvares om svovldioxidindsprøjtninger, herunder hvordan denne form for teknik kan ændre regionale nedbørsmønstre og i hvilket omfang sådanne injektioner ville skade ozonlaget. Muligheden for en global geoingeniørindsats for at bekæmpe opvarmning rejser også alvorlig regeringsførelse og etiske bekymringer.

"Dette er en vigtig milepæl og giver et løfte om, hvad der muligvis vil være muligt i fremtiden, "sagde NCAR -forskeren Yaga Richter, en af ​​hovedforfatterne. "Men det er bare begyndelsen; der er meget mere forskning, der skal udføres."

Tidligere modelleringsundersøgelser har typisk søgt at besvare spørgsmålet "Hvad sker der, hvis vi laver geoingeniør?" Resultaterne af disse undersøgelser har beskrevet resultaterne - både positive og negative - ved at injicere en forudbestemt mængde sulfater i atmosfæren, ofte lige ved Jordens ækvator. Men de forsøgte ikke at specificere det resultat, de håbede at opnå i starten.

I en række nye undersøgelser, forskerne vendte spørgsmålet om, spørger i stedet "Hvordan kan geoingeniør bruges til at opfylde specifikke klimamål?"

"Vi har virkelig ændret spørgsmålet, og ved at gøre det, fandt ud af, at vi bedre kan forstå, hvad geoingeniør muligvis kan opnå, "Sagde Richter.

Forskningsresultaterne er detaljeret i en række artikler offentliggjort i et særnummer af Journal of Geophysical Research - Atmosfærer.

Efterligner en vulkan

I teorien, geoengineering-store indsatser designet til at ændre klimaet-kunne antage mange former, fra lancering i kredsløb omkring solspejle til befrugtning af kulstofhungrende havalger. Til denne forskning, holdet studerede en meget diskuteret tilgang:injicering af svovldioxid i den øvre atmosfære, over skylaget.

Ideen om at bekæmpe global opvarmning med disse injektioner er inspireret af historiens mest massive vulkanudbrud. Når vulkaner bryder ud, de løfter svovldioxid højt op i atmosfæren, hvor det kemisk omdannes til lysspredende sulfatpartikler kaldet aerosoler. Disse sulfater, som kan blive hængende i atmosfæren i et par år, spredes rundt om Jorden af ​​stratosfæriske vinde, danner et reflekterende lag, der køler planeten.

For at efterligne disse effekter, svovldioxid kunne injiceres direkte i stratosfæren, måske ved hjælp af højtflyvende fly. Men mens injektionerne ville modvirke global opvarmning, de ville ikke tage fat på alle de problemer, der er forbundet med klimaforandringer, og de ville sandsynligvis have deres egne negative bivirkninger.

For eksempel, injektionerne ville ikke opveje havets forsuring, som er direkte forbundet med kuldioxidemissioner. Geoengineering kan også resultere i betydelige forstyrrelser i nedbørsmønstre samt forsinkelser i helingen af ​​ozonhullet. I øvrigt, da geoingeniør begyndte, hvis samfundet ville undgå en hurtig og drastisk temperaturstigning, injektionerne skulle fortsætte, indtil afbødningsindsatsen var tilstrækkelig til at begrænse opvarmningen alene.

Der vil sandsynligvis også være betydelige udfordringer for international styring, der skal overvindes, før et geo -ingeniørprogram kan implementeres.

"For beslutningstagere til nøjagtigt at afveje fordele og ulemper ved geoingeniør i forhold til dem, der skyldes menneskeskabte klimaforandringer, de har brug for mere information, "sagde PNNL -videnskabsmanden Ben Kravitz, også hovedforfatter til undersøgelserne. "Vores mål er bedre at forstå, hvad geoengineering kan - og hvad det ikke kan."

Modellering af den komplekse kemi

For de nye undersøgelser, forskerne brugte den NCAR-baserede Community Earth System Model med dens udvidede atmosfæriske komponent, hele atmosfæren Fællesskabets klimamodel. WACCM inkluderer detaljeret kemi og fysik i den øvre atmosfære og blev for nylig opdateret for at simulere stratosfærisk aerosoludvikling fra kildegasser, herunder geoengineering.

"Det var afgørende for denne undersøgelse, at vores model var i stand til nøjagtigt at fange kemien i atmosfæren, så vi kunne forstå, hvor hurtigt svovldioxid ville blive omdannet til aerosoler, og hvor længe disse aerosoler ville blive ved, "sagde NCAR -forskeren Michael Mills, også en hovedforfatter. "De fleste globale klimamodeller inkluderer ikke denne interaktive atmosfæriske kemi."

Forskerne forbedrede også betydeligt, hvordan modellen simulerer tropiske stratosfæriske vinde, der skifter retning hvert par år. Nøjagtigt at repræsentere disse vinde er afgørende for at forstå, hvordan aerosoler blæses rundt om planeten.

Forskerne testede med succes deres model ved at se, hvor godt den kunne simulere det massive udbrud i Mount Pinatubo i 1991, herunder mængden og hastigheden af ​​aerosoldannelse, samt hvordan disse aerosoler blev transporteret rundt om i verden, og hvor længe de blev i atmosfæren.

Derefter begyndte forskerne at undersøge virkningerne af at injicere svovldioxid på forskellige breddegrader og højder. Fra tidligere undersøgelser, forskerne vidste, at sulfater, der kun injiceres ved ækvator, påvirker Jorden ujævnt:overkøling af troperne og underkøling af polerne. Dette er især problematisk, da klimaændringer varmer Arktis hurtigere. Klimaændringer får også den nordlige halvkugle til at varme hurtigere op end den sydlige halvkugle.

Forskerne brugte modellen til at studere 14 mulige injektionssteder på syv forskellige breddegrader og to forskellige højder - noget som aldrig før har været forsøgt inden for geoingeniørforskning. De fandt ud af, at de kunne sprede kølingen mere jævnt ud over kloden ved at vælge injektionssteder på hver side af ækvator.

Opfyldelse af flere mål

Forskerne sammensatte derefter alt deres arbejde til en enkelt modelsimulering med specifikke mål:at begrænse den gennemsnitlige globale opvarmning til 2020 -niveauer gennem slutningen af ​​århundredet og minimere forskellen i køling mellem ækvator og polerne samt mellem den nordlige og sydlige halvkugler.

De gav modellen fire valg af injektionssteder - ved 15 grader og 30 grader nord og syd i breddegrad - og implementerede derefter en algoritme, der bestemmer, for hvert år, de bedste injektionssteder og den nødvendige mængde svovldioxid på disse steder. Modellens evne til at omformulere den nødvendige mængde geoingeniør hvert år, baseret på dette års betingelser, tillod også simuleringen at reagere på naturlige udsving i klimaet.

Modellen holdt med succes overfladetemperaturerne nær 2020-niveauer på baggrund af stigende drivhusgasemissioner, der ville være i overensstemmelse med et business-as-usual-scenario. Algoritmens evne til at vælge injektionssteder afkølet Jorden mere jævnt end i tidligere undersøgelser, fordi det kunne injicere mere svovldioxid i områder, der var ved at varme for hurtigt og mindre i områder, der var blevet overkølet.

Imidlertid, ved slutningen af ​​århundredet, mængden af ​​svovldioxid, der skulle injiceres hvert år for at opveje menneskelig forårsaget global opvarmning, ville være enorm:næsten fem gange den mængde, der blev spyttet i luften af ​​Pinatubo-bjerget den 15. juni, 1991.

Vend forskningsspørgsmålet

"Resultaterne viser, at det er muligt at vende det forskningsspørgsmål, der har været vejledende inden for geoengineering -undersøgelser, og ikke bare undersøge, hvad geoengineering gør, men se det som et designproblem, "sagde Doug MacMartin, en videnskabsmand ved Cornell og California Institute of Technology. "Når vi ser det i det lys, Vi kan derefter begynde at udvikle en strategi for, hvordan vi opfylder samfundets mål. "

I den aktuelle serie af undersøgelser, justering af geoengineering -planen bare en gang om året gav forskerne mulighed for at holde den gennemsnitlige globale temperatur til 2020 -niveauer i et givet år, men regionale temperaturer - såvel som sæsonbetonede temperaturændringer - var undertiden køligere eller varmere end ønsket. Så de næste trin kan omfatte at undersøge muligheden for at foretage hyppigere justeringer på et andet valg af injektionssteder.

Forskerne arbejder allerede på en ny undersøgelse for at hjælpe dem med at forstå de mulige indvirkninger, geoengineering kan have på regionale fænomener, såsom de asiatiske monsuner.

"Vi er stadig langt fra at forstå alle de interaktioner i klimasystemet, der kan udløses af geoengineering, hvilket betyder, at vi endnu ikke forstår hele spektret af mulige bivirkninger, "sagde NCAR -forskeren Simone Tilmes, en hovedforfatter. "Men klimaændringer udgør også risici. Fortsat forskning i geoengineering er afgørende for at vurdere fordele og bivirkninger og for at informere beslutningstagere og samfund."