science >> Wetenschap >  >> Natuur

Modelleringsstrategie stelt wetenschappers in staat om manieren te onderzoeken om opwarming te beperken, bijwerkingen verminderen

Met behulp van een geavanceerd computermodel, wetenschappers hebben voor het eerst aangetoond dat een nieuwe onderzoeksbenadering van geo-engineering mogelijk kan worden gebruikt om de opwarming van de aarde tot een specifiek doel te beperken en tegelijkertijd enkele van de risico's en zorgen die in eerdere onderzoeken zijn geïdentificeerd, te verminderen, inclusief ongelijkmatige koeling van de aarde.

De wetenschappers ontwikkelden een gespecialiseerd algoritme voor een model van het aardsysteem dat de hoeveelheid en locatie van geo-engineering varieert - in dit geval injecties van zwaveldioxide hoog in de atmosfeer - dat zou in theorie nodig zijn, jaar tot jaar, om de opwarming effectief af te dekken. Ze waarschuwen, echter, dat er meer onderzoek nodig is om te bepalen of deze aanpak praktisch zou zijn, of zelfs mogelijk, in de echte wereld.

De bevindingen van het nieuwe onderzoek, geleid door wetenschappers van het National Center for Atmospheric Research (NCAR), Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), en de Cornell-universiteit, een belangrijke stap voorwaarts op het gebied van geo-engineering. Nog altijd, er zijn veel vragen die beantwoord moeten worden over zwaveldioxide-injecties, inclusief hoe dit soort techniek regionale neerslagpatronen zou kunnen veranderen en de mate waarin dergelijke injecties de ozonlaag zouden beschadigen. De mogelijkheid van een wereldwijde geo-engineering-inspanning om de opwarming tegen te gaan, roept ook ernstige bestuurlijke en ethische zorgen op.

"Dit is een belangrijke mijlpaal en belooft wat er in de toekomst mogelijk zou kunnen zijn, " zei NCAR-wetenschapper Yaga Richter, een van de hoofdauteurs. "Maar het is nog maar het begin; er moet nog veel meer onderzoek worden gedaan."

Eerdere modelleringsstudies hebben doorgaans getracht de vraag te beantwoorden:"Wat gebeurt er als we aan geo-engineering doen?" De resultaten van die onderzoeken hebben de resultaten beschreven - zowel positieve als negatieve - van het injecteren van een vooraf bepaalde hoeveelheid sulfaten in de atmosfeer, vaak precies op de evenaar van de aarde. Maar ze hebben niet geprobeerd om bij het begin de uitkomst te specificeren die ze hoopten te bereiken.

In een reeks nieuwe onderzoeken de onderzoekers draaiden de vraag om, in plaats daarvan vragen, "Hoe kan geo-engineering worden gebruikt om aan specifieke klimaatdoelstellingen te voldoen?"

"We hebben de vraag echt verlegd, en door dit te doen, ontdekten dat we beter kunnen begrijpen wat geo-engineering kan bereiken, ' zei Richter.

De onderzoeksresultaten worden gedetailleerd beschreven in een reeks artikelen die zijn gepubliceerd in een speciale uitgave van de Tijdschrift voor Geofysisch Onderzoek – Sferen.

Een vulkaan nabootsen

In theorie, geo-engineering - grootschalige interventies die zijn ontworpen om het klimaat te wijzigen - kunnen vele vormen aannemen, van het lanceren van in een baan om de aarde draaiende zonnespiegels tot het bemesten van koolstofhongerige oceaanalgen. Voor dit onderzoek is het team bestudeerde één veelbesproken aanpak:het injecteren van zwaveldioxide in de bovenste atmosfeer, boven de wolkenlaag.

Het idee om de opwarming van de aarde met deze injecties tegen te gaan, is geïnspireerd op de grootste vulkaanuitbarstingen uit de geschiedenis. Als vulkanen uitbarsten, ze blazen zwaveldioxide hoog de atmosfeer in, waar het chemisch wordt omgezet in lichtverstrooiende sulfaatdeeltjes, aerosolen genaamd. Deze sulfaten, die enkele jaren in de atmosfeer kan blijven hangen, worden verspreid over de aarde door stratosferische winden, vormen een reflecterende laag die de planeet afkoelt.

Om deze effecten na te bootsen, zwaveldioxide rechtstreeks in de stratosfeer kan worden geïnjecteerd, misschien met behulp van hoogvliegende vliegtuigen. Maar hoewel de injecties de opwarming van de aarde zouden tegengaan, ze zouden niet alle problemen aanpakken die verband houden met klimaatverandering, en ze zouden waarschijnlijk hun eigen negatieve bijwerkingen hebben.

Bijvoorbeeld, de injecties zouden de verzuring van de oceaan niet compenseren, die rechtstreeks verband houdt met de uitstoot van kooldioxide. Geo-engineering kan ook leiden tot aanzienlijke verstoringen van regenpatronen en vertragingen bij het genezen van het ozongat. Bovendien, toen geo-engineering begon, als de samenleving een snelle en drastische temperatuurstijging wilde vermijden, de injecties zouden moeten doorgaan totdat de mitigatie-inspanningen voldoende waren om de opwarming op zichzelf te stoppen.

Er zouden waarschijnlijk ook aanzienlijke internationale governance-uitdagingen zijn die moeten worden overwonnen voordat een geo-engineeringprogramma kan worden geïmplementeerd.

"Voor besluitvormers om de voor- en nadelen van geo-engineering nauwkeurig af te wegen tegen die van door de mens veroorzaakte klimaatverandering, ze hebben meer informatie nodig, " zei PNNL-wetenschapper Ben Kravitz, ook een hoofdauteur van de studies. "Ons doel is om beter te begrijpen wat geo-engineering kan doen - en wat niet."

De complexe chemie modelleren

Voor de nieuwe onderzoeken de wetenschappers gebruikten het NCAR-gebaseerde Community Earth System Model met zijn uitgebreide atmosferische component, het klimaatmodel van de hele atmosfeergemeenschap. WACCM bevat gedetailleerde chemie en fysica van de bovenste atmosfeer en is onlangs bijgewerkt om de evolutie van stratosferische aerosolen uit brongassen te simuleren, inclusief geo-engineering.

"Het was van cruciaal belang voor deze studie dat ons model de chemie in de atmosfeer nauwkeurig kon vastleggen, zodat we konden begrijpen hoe snel zwaveldioxide zou worden omgezet in aerosolen en hoe lang die aerosolen zouden blijven hangen, " zei NCAR-wetenschapper Michael Mills, ook een hoofdauteur. "De meeste wereldwijde klimaatmodellen bevatten deze interactieve atmosferische chemie niet."

De wetenschappers hebben ook aanzienlijk verbeterd hoe het model tropische stratosferische winden simuleert, die om de paar jaar van richting veranderen. Het nauwkeurig weergeven van deze winden is van cruciaal belang om te begrijpen hoe aerosolen over de planeet worden geblazen.

De wetenschappers hebben hun model met succes getest door te zien hoe goed het de enorme uitbarsting van de berg Pinatubo in 1991 kon simuleren, inclusief de hoeveelheid en snelheid van aerosolvorming, evenals hoe die aerosolen over de hele wereld werden vervoerd en hoe lang ze in de atmosfeer bleven.

Toen begonnen de wetenschappers de effecten te onderzoeken van het injecteren van zwaveldioxide op verschillende breedtegraden en hoogten. Uit eerdere onderzoeken, de wetenschappers wisten dat sulfaten die alleen op de evenaar worden geïnjecteerd, de aarde ongelijk beïnvloeden:de tropen te veel afkoelen en de polen te weinig. Dit is vooral problematisch omdat klimaatverandering het noordpoolgebied in een sneller tempo opwarmt. Klimaatverandering zorgt er ook voor dat het noordelijk halfrond sneller opwarmt dan het zuidelijk halfrond.

De onderzoekers gebruikten het model om 14 mogelijke injectieplaatsen op zeven verschillende breedtegraden en twee verschillende hoogten te bestuderen - iets wat nog nooit eerder is geprobeerd in geo-engineeringonderzoek. Ze ontdekten dat ze de koeling gelijkmatiger over de wereld konden verspreiden door injectieplaatsen aan weerszijden van de evenaar te kiezen.

Meerdere doelen behalen

De onderzoekers hebben vervolgens al hun werk samengevoegd tot één modelsimulatie met specifieke doelstellingen:de gemiddelde opwarming van de aarde tot het einde van de eeuw beperken tot het niveau van 2020 en het verschil in afkoeling tussen de evenaar en de polen en tussen de noordelijke en zuidelijk halfrond.

Ze gaven het model vier keuzes van injectieplaatsen - op 15 graden en 30 graden noord en zuid in de breedte - en implementeerden vervolgens een algoritme dat bepaalt, voor elk jaar, de beste injectieplaatsen en de hoeveelheid zwaveldioxide die op die plaatsen nodig is. Het vermogen van het model om de hoeveelheid geo-engineering die elk jaar nodig is te herformuleren, op basis van de omstandigheden van dat jaar, liet de simulatie ook toe om te reageren op natuurlijke fluctuaties in het klimaat.

Het model hield de oppervlaktetemperaturen met succes in de buurt van het niveau van 2020 tegen een achtergrond van toenemende uitstoot van broeikasgassen die consistent zou zijn met een business-as-usual-scenario. Het vermogen van het algoritme om injectieplaatsen te kiezen, koelde de aarde gelijkmatiger af dan in eerdere studies, omdat het meer zwaveldioxide kon injecteren in gebieden die te snel opwarmden en minder in gebieden die te veel waren afgekoeld.

Echter, tegen het einde van de eeuw, de hoeveelheid zwaveldioxide die elk jaar zou moeten worden geïnjecteerd om de door de mens veroorzaakte opwarming van de aarde te compenseren, zou enorm zijn:bijna vijf keer de hoeveelheid die op 15 juni door de berg Pinatubo in de lucht werd gespuwd, 1991.

De onderzoeksvraag omdraaien

"De resultaten tonen aan dat het mogelijk is om de onderzoeksvraag die geo-engineeringstudies heeft geleid om te draaien en niet alleen te onderzoeken wat geo-engineering doet, maar het als een ontwerpprobleem te zien, " zei Doug MacMartin, een wetenschapper bij Cornell en het California Institute of Technology. "Als we het in dat licht zien, we kunnen dan beginnen met het ontwikkelen van een strategie om de doelstellingen van de samenleving te bereiken."

In de huidige reeks onderzoeken door het geo-engineeringplan slechts één keer per jaar aan te passen, konden de onderzoekers de gemiddelde wereldtemperatuur in een bepaald jaar op het niveau van 2020 houden, maar regionale temperaturen - evenals seizoensgebonden temperatuurveranderingen - waren soms koeler of heter dan gewenst. Volgende stappen zouden dus kunnen bestaan ​​uit het onderzoeken van de mogelijkheid om vaker aanpassingen te doen op een andere keuze van injectielocaties.

De wetenschappers werken al aan een nieuwe studie om hen te helpen de mogelijke effecten van geo-engineering op regionale fenomenen te begrijpen. zoals de Aziatische moessons.

"We zijn nog ver verwijderd van het begrijpen van alle interacties in het klimaatsysteem die kunnen worden veroorzaakt door geo-engineering, wat betekent dat we nog niet het volledige scala aan mogelijke bijwerkingen begrijpen, " zei NCAR-wetenschapper Simone Tilmes, een hoofdauteur. "Maar klimaatverandering brengt ook risico's met zich mee. Voortzetting van onderzoek naar geo-engineering is van cruciaal belang om de voordelen en bijwerkingen te beoordelen en om besluitvormers en de samenleving te informeren."