На протяжении полувека климатологи рассматривают возможность впрыскивания мелких частиц в стратосферу для противодействия некоторым аспектам изменения климата. Идея заключается в том, что, отражая небольшую долю солнечного света обратно в космос, эти частицы могут частично компенсировать энергетический дисбаланс, вызванный накоплением углекислого газа, тем самым снижая потепление, экстремальные штормы и многие другие климатические риски.
Дискуссии об этом методе, форме солнечной геоинженерии, известной как инъекция стратосферных аэрозолей (Stratospheric Aerosol Injection, SAI), обычно фокусируются либо на маломасштабных полевых исследованиях, направленных на понимание физических процессов, либо на полномасштабном введении, способном изменить климат. Пропасть между ними колоссальна: эксперимент может использовать всего несколько килограммов аэрозольного материала, тогда как для существенного замедления или даже обращения потепления потребуются миллионы метрических тонн ежегодно — разница в масштабе в миллиард раз. Заметное охлаждение планеты с помощью SAI также потребует целенаправленно созданного парка высотных самолетов, сборка которого может занять одно-два десятилетия. Этот долгий срок запуска поощряет политиков игнорировать сложные решения, касающиеся регулирования развертывания SAI.
Такая самоуспокоенность необоснованна. Барьер между исследованием и полномасштабным развертыванием может быть не таким четким, как принято считать. Наш анализ показывает, что одна страна или группа стран потенциально может начать развертывание SAI в субкритическом масштабе всего через пять лет, что приведет к заметным изменениям в составе стратосферы. Хорошо управляемое субкритическое развертывание принесло бы пользу исследованиям, снизив важные неопределенности относительно SAI, но его нельзя было бы оправдать исключительно как научный эксперимент — аналогичные исследования можно провести с гораздо меньшим количеством аэрозольных частиц. Кроме того, оно окажет немалое влияние на климат, обеспечивая такое же охлаждение, какое обеспечивало серное загрязнение от международного судоходства до недавней очистки судового топлива. При этом величина охлаждения будет достаточно малой, чтобы его климатические эффекты в национальном или региональном масштабе было крайне трудно обнаружить на фоне обычной изменчивости.
Хотя климатическое воздействие такого субкритического развертывания будет небольшим (и, скорее всего, положительным), политические последствия могут быть глубокими. Это может вызвать ответную реакцию, которая подорвет климатическую геополитику и создаст угрозу международной стабильности. Это может стать «пандусом» к полномасштабному развертыванию. И это может быть использовано интересами, связанными с ископаемым топливом, стремящимися замедлить важнейшую задачу по сокращению выбросов.
Мы выступаем против скорейшего развертывания солнечной геоинженерии. В соответствии с Комиссией по климатическому перебору (Climate Overshoot Commission), самой старшей группой политических лидеров, изучившей этот вопрос, мы поддерживаем мораторий на развертывание до тех пор, пока наука не будет интернационализирована и критически оценена, и пока не будет широко согласована некая архитектура управления. Но если мы правы в том, что такие субкритические развертывания вполне осуществимы, то политикам, возможно, придется столкнуться с солнечной геоинженерией — ее обещаниями, разрушительным потенциалом и глубокими вызовами для глобального управления — раньше, чем принято считать.
Препятствия для раннего развертывания
Человечество уже выбрасывает огромное количество аэрозолей в тропосферу (бурный нижний слой атмосферы) из таких источников, как судоходство и тяжелая промышленность, но эти аэрозоли выпадают на землю или удаляются осадками и другими процессами примерно в течение недели. Более длительный эффект могут иметь извержения вулканов. Когда извержения достаточно сильны, чтобы пробить тропосферу и достигнуть стратосферы, осевшие там аэрозоли могут сохраняться около года. SAI, подобно крупнейшим извержениям вулканов, будет вводить аэрозоли или их прекурсоры в стратосферу. Учитывая их значительно более длительное атмосферное пребывание, помещенные туда аэрозоли могут оказывать охлаждающий эффект в 100 раз сильнее, чем если бы они были выброшены у поверхности.
Доставка аэрозолей в стратосферу — это отдельная задача. Пассажирские лайнеры регулярно достигают нижней стратосферы на трансконтинентальных рейсах. Но для эффективного глобального покрытия аэрозоли лучше всего вводить на низких широтах, где естественная конвекционная циркуляция стратосферы будет переносить их к полюсам, распределяя по всему миру. Средняя высота верхней границы тропосферы составляет около 17 километров в тропиках, и модели предполагают, что для захвата в восходящей стратосферной циркуляции введение должно происходить на несколько километров выше. Высота для эффективного развертывания обычно считается не менее 20 километров, что почти вдвое превышает высоту крейсерского полета коммерческих или крупных военных самолетов.
Хотя небольшие самолеты-разведчики могут летать в этом очень разреженном воздухе, они могут нести только одну-две метрические тонны полезной нагрузки. Этого недостаточно для полномасштабных испытаний: компенсация значительной части глобального потепления — скажем, 1 °C охлаждения — потребует платформ, способных доставлять несколько миллионов метрических тонн материала в стратосферу в год. Ни ракеты, ни воздушные шары не подходят для подъема такой большой массы на такую высокую позицию. Следовательно, полномасштабное развертывание потребует флота новых самолетов — несколько сотен для достижения цели охлаждения в 1 °C. Закупка первого самолета по схеме, типичной для программ разработки крупной коммерческой или военной авиации, займет около десяти лет, а производство необходимого парка — еще несколько лет.
Но начинать с полномасштабного развертывания неразумно и маловероятно. Даже если мы собираемся убавить глобальный термостат, чем быстрее мы меняем климат, тем выше риск непредвиденных последствий. Страна или группа стран, желающих применить солнечную инженерию, вероятно, оценят политические и технические преимущества более медленного старта — такого, который обеспечит постепенное обращение потепления, облегчая оптимизацию и «обучение на практике», минимизируя при этом вероятность и воздействие непреднамеренных последствий.
Мы представляем сценарии, при которых страна или группа стран вместо того, чтобы пытаться вводить аэрозоли наиболее эффективным способом вблизи экватора, могут попытаться разместить меньшее количество материала в нижней стратосфере на более высоких широтах. Они могли бы сделать это с помощью существующих самолетов, поскольку верхняя граница тропосферы резко опускается по мере удаления от экватора. На 35° северной и южной широтах она находится примерно на высоте 12 километров. Добавив запас в 3 километра, эффективная высота развертывания на 35° северной и южной широтах составит 15 километров. Это по-прежнему слишком высоко для авиалайнеров, но находится чуть ниже эксплуатационного потолка в 15,5 километров для лучших представительских самолетов от Gulfstream, Bombardier и Dassault. Список стран, имеющих территорию на 35° северной или южной широты или вблизи них, включает не только богатые страны, такие как США, Австралия, Япония, Южная Корея, Испания и Китай, но и более бедные, такие как Марокко, Алжир, Ирак, Иран, Пакистан, Индия, Чили и Аргентина.
Субкритическое развертывание
Как может быть осуществлено субкритическое развертывание? Большинство стратосферных научных исследований инъекций аэрозолей предполагает, что рабочим материалом является диоксид серы ($\text{SO}_2$), который на 50% состоит из серы по массе. Другой правдоподобный вариант — сероводород ($\text{H}_2\text{S}$), который почти вдвое снижает требуемую массу, хотя он более опасен для наземного и летного персонала, чем $\text{SO}_2$, и поэтому может быть исключен из рассмотрения. Двуокись углерода ($\text{CS}_2$) снижает массу на 40% и в целом менее опасен, чем $\text{SO}_2$. Также можно использовать элементарную серу, которая самая безопасная и простая в обращении, но это потребует способа ее сжигания на борту перед выбросом или использования форсажных камер. Никто еще не проводил инженерных исследований, чтобы определить, какие из этих сернистых соединений будут лучшим выбором.
Используя данные, подтвержденные Gulfstream, мы оцениваем, что любой из их самолетов G500/600 сможет поднять около 10 килотонн материала в год на высоту 15,5 километров. Если бы использовался высокоэффективный по массе $\text{CS}_2$, то флоту не более чем из 15 самолетов хватило бы для доставки 100 килотонн серы в год. Подержанные, но все еще эксплуатируемые G650 стоят около 25 миллионов долларов. С учетом стоимости модификации, технического обслуживания, запасных частей, зарплат, топлива, материалов и страховки, мы ожидаем, что средняя общая стоимость десятилетнего субкритического развертывания составит около 500 миллионов долларов в год. Полномасштабное развертывание обойдется как минимум в 10 раз дороже.
Сколько это — 100 килотонн серы в год? Это всего лишь 0,3% от текущих годовых глобальных выбросов серного загрязнения в атмосферу. Его вклад в негативное воздействие на здоровье от твердых частиц в воздухе будет значительно меньше десятой доли того, что было бы, если бы то же количество выбрасывалось у поверхности. Что касается его воздействия на климат, то это будет около 1% серы, выброшенной в стратосферу в результате извержения горы Пинатубо на Филиппинах в 1992 году. Это хорошо изученное событие подтверждает утверждение, что никаких высокорисковых неизвестных последствий не возникнет.
В то же время 100 килотонн серы в год — это нетривиально: это более чем в два раза превышает естественный фоновый поток серы из тропосферы в стратосферу при отсутствии необычной вулканической активности. Эффект охлаждения будет достаточным, чтобы отсрочить глобальный рост температуры примерно на треть года, что является компенсацией, которая будет сохраняться до тех пор, пока поддерживается субкритическое развертывание. А поскольку солнечная геоинженерия более эффективна в противодействии росту экстремальных осадков, чем росту температуры, развертывание отсрочит увеличение интенсивности тропических циклонов более чем на полгода. Эти выгоды не являются незначительными для тех, кто больше всего рискует пострадать от последствий изменения климата (хотя ни одна из этих выгод не обязательно будет очевидна из-за естественной изменчивости климатической системы).
Следует отметить, что наш сценарий в 100 килотонн в год является произвольным. Мы определяем субкритическое развертывание как развертывание, достаточное для существенного увеличения количества аэрозолей в стратосфере, но значительно меньшее, чем требуется для отсрочки потепления на десятилетие. Согласно этому определению, такое развертывание может быть в несколько раз больше или сего меньше нашего примерного сценария.
Конечно, никакое количество солнечной геоинженерии не может устранить необходимость снижения концентрации парниковых газов в атмосфере. В лучшем случае солнечная геоинженерия является дополнением к сокращению выбросов. Но даже рассмотренный нами сценарий субкритического развертывания будет значительным дополнением: за десятилетие он даст примерно половину охлаждающего эффекта от полного прекращения выбросов Европейского Союза.
Политика субкритического развертывания
Описанное нами субкритическое развертывание может служить нескольким правдоподобным научным и техническим целям. Оно продемонстрирует технологии хранения, подъема и рассеивания для полномасштабного развертывания. В случае дополнения наблюдательной программой оно также позволит оценить возможности мониторинга. Оно напрямую прояснит, как сульфаты переносятся по стратосфере и как сульфатные аэрозоли взаимодействуют с озоновым слоем. Через несколько лет такого субкритического развертывания мы получим гораздо лучшее представление о научных и технологических барьерах для полномасштабного внедрения.
В то же время субкритическое развертывание повлечет риски для инициатора. Оно может спровоцировать политическую нестабильность и вызвать ответные меры со стороны других стран и международных организаций, которые не одобрят игру с глобальным термостатом без координации и надзора на мировом уровне. Оппозиция может исходить из глубоко укоренившегося неприятия модификации окружающей среды или из более прагматичных опасений, что полномасштабное развертывание будет пагубным для некоторых регионов.
Инициаторы развертывания могут руководствоваться широким спектром соображений. Самое очевидное: государство или коалиция государств могут прийти к выводу, что солнечная геоинженерия может значительно снизить их климатический риск, и что такое субкритическое развертывание обеспечит эффективный баланс между целью подтолкнуть мир к полномасштабному внедрению и минимизацией риска политической отдачи.
Инициаторы могут решить, что субкритический проект может сделать возможными более крупные вмешательства. В то время как ученые могут быть готовы делать выводы о солнечной геоинженерии на основе крошечных экспериментов и моделей, политики и общественность могут быть очень осторожны в отношении атмосферных вмешательств, способных изменить климатическую систему и повлиять на всех ее обитателей. Субкритическое развертывание, не встретившее серьезных неожиданностей, могло бы в значительной степени снизить крайние опасения по поводу полномасштабного внедрения.
Инициаторы также могли бы заявить о некоторой ограниченной выгоде от самого субкритического развертывания. Хотя эффекты будут слишком малыми, чтобы их можно было легко обнаружить на земле, методы, используемые для приписывания экстремальных погодных явлений изменению климата, могли бы подтвердить заявления о небольшом снижении суровости таких явлений.
Они также могли бы утверждать, что их действия просто восстанавливают недавно утраченную защиту атмосферы. Сокращение выбросов серы судами сейчас спасает жизни, создавая более чистый воздух, но оно также ускоряет потепление, истончая отражающий покров, который создавало это загрязнение. Сценарий субкритического развертывания, который мы обрисовали, восстановил бы почти половину этой защиты от солнца, но без компенсирующего загрязнения воздуха.
Инициаторы также могли бы убедить себя, что их действия соответствуют международному праву, поскольку они могут проводить развертывание полностью в пределах своего национального воздушного пространства, и поскольку эффекты, хотя и глобальные, не вызовут «значительного трансграничного вреда» — соответствующего порога по обычному международному праву.
Последствия управления такими субкритическими развертываниями будут зависеть от политических обстоятельств. Если бы это было сделано крупной державой без существенных попыток многостороннего взаимодействия, можно было бы ожидать резкой негативной реакции. С другой стороны, если бы развертывание осуществлялось коалицией, включающей страны, сильно уязвимые к изменению климата, и приглашающей другие государства присоединиться к коалиции и разработать общую архитектуру управления, многие государства могли бы публично критиковать, но в частном порядке приветствовать снижение климатических рисков благодаря геоинженерии.
SAI иногда описывается как воображаемый социотехнический сценарий, относящийся к далекому научно-фантастическому будущему. Но технически осуществимо начать субкритическое развертывание того типа, который мы описываем здесь, уже через пять лет. Государство или коалиция государств, желающие осмысленно протестировать как науку, так и политику развертывания, могут рассмотреть такие субкритические или демонстрационные развертывания по мере того, как климатические риски становятся все более очевидными.
Мы не выступаем за такие действия — напротив, мы подтверждаем нашу поддержку моратория против развертывания до тех пор, пока наука не будет критически оценена и не будет широко согласована некая архитектура управления. Однако адекватное понимание взаимосвязанных технологий и политики SAI затруднено восприятием того, что оно должно начинаться со значительных усилий, которые существенно замедлят или даже обратят вспять потепление. Изложенный нами здесь пример иллюстрирует, что инфраструктурные барьеры для развертывания преодолеваются легче, чем принято считать. Политики должны учитывать это — и скоро — при рассмотрении вопроса о том, как развивать солнечную геоинженерию в общественных интересах и какие предохранительные барьеры следует установить.
Дэвид У. Кейт — профессор геофизических наук и основатель инициативы по системному проектированию климата в Чикагском университете.
Уэйк Смит — преподаватель в Школе окружающей среды Йельского университета и научный сотрудник Гарвардской школы Кеннеди.
Мы благодарим Кристиана В. Райса из VPE Aerospace за расчеты полезной нагрузки, выполненные в этом исследовании. За более подробной информацией о наших оценках обращайтесь к этому PDF.
