Полярное охлаждение

Художник С.Тюнин

Все знают, что Мировой океан — это кухня погоды нашей планеты. Оказывается, он может сыграть совершенно неожиданную роль в борьбе с глобальным потеплением. Способ, предлагаемый группой исследователей из Австрии и Бразилии во главе с Джулианом Дэвидом Хантом, сотрудником Международного института прикладного системного анализа в Лаксенбурге (Австрия), весьма рискованный, однако к нему придется прибегнуть, если другие, не менее рискованные способы радикального преобразования природы (по-современному — геоинженерии) не сумеют сохранить человеческую цивилизацию в том виде, в каком мы ее знаем.

Баланс тепла

Глобальное потепление развивается независимо от споров о его причине — деятельность человека, внутренний разогрев Земли или разогрев всей Солнечной системы. Фоном же для него служат неработоспособные международные договоры, от подписания которых отказываются некоторые промышленно развитые страны, и нежелание или неспособность мировых политических деятелей предпринять решительные действия для стабилизации климата, на что не устают указывать радикальные экологические активисты, например ставшая всем известной шведка Грета Тунберг. Поэтому, скорее всего, нагрев планеты пойдет так, как он идет сейчас, и приведет к хорошо известным последствиям. Наиболее заметные из них — таяние ледников и оскудение питаемых ими рек, затопление огромных прибрежных территорий, опустынивание не менее огромных территорий внутри континентов, повышение частоты катастрофических стихийных бедствий — ураганов, ливней, наводнений.

Удивительно, но именно одной из таких катастроф — исчезновением ледяной шапки над Северным Ледовитым океаном — Хант с коллегами и хочет воспользоваться для охлаждения планеты («Springer Nature Applied Sciences», 2020, № 2:15). Прежде чем перейти к их идее, посмотрим, какие же радикальные методы есть у человечества для предотвращения в недалеком будущем упомянутых климатических неприятностей, для чего воспользуемся обзором Тимоти Лентона и Нем Вогхан из британского Центра Тиндалла по исследованиям изменения климата («Atmospheric Chemistry and Physics», 2009, № 9, 5539–5561), где приведены подробные оценки различных технологий.

Механику глобального потепления удается разглядеть, рассматривая тепловой баланс планеты. В нем есть три значительных составляющих. Первая — это коротковолновое излучение, приходящее от Солнца. Его удельный поток на внешней границе атмосферы измерен точно — 342 Вт/м². Из них почти треть — 107 Вт/м² отражается, а оставшиеся 235 Вт/м² поглощаются. В совокупности эта энергия идет на нагрев— атмосферы, поверхности суши и океана, — а также на фотосинтез растений и водорослей. В этом случае солнечная энергия консервируется в виде энергии химических связей.

Вторая составляющая — длинноволновое, то есть тепловое, излучение; его испускает сама нагретая поверхность планеты. Это излучение частично проходит сквозь атмосферу и отправляется в космос, а частично поглощается парниковыми газами, прежде всего водяным паром, и вторично нагревает атмосферу и поверхность планеты.

Третья часть — это тепло биологического происхождение, оно возникает из­-за распада органики, то есть высвобождает энергию солнечного света, который был законсервирован в результате фотосинтеза. Такой распад происходит в процессе жизнедеятельности всех живых организмов. Однако если все обитатели планеты используют относительно недавно законсервированный свет — травоядные поедают листья, выросшие в этом году, грибы разлагают древесину, которая формировалась в течение сотни-­другой лет, — то человек нашел способ извлекать и ту энергию, что была законсервирована миллионы лет назад: он сжигает ископаемое топливо. При этом выделяется еще и углекислый газ, также захороненный миллионы лет назад, и, попав в атмосферу, он вносит дополнительный вклад в парниковый эффект, сдвигая климат к тому, более теплому, что был давным-­давно.

И вот оказывается, что в этом балансе ныне образовался небольшой, но крайне неприятный для нас избыток потока тепла, который не может покинуть пределы нашей планеты. Его величина около 1% от всей энергии, получаемой Землей, однако именно от этакой безделицы и надо избавиться во что бы то ни стало, создать дополнительный сток, иначе наступят катастрофические последствия, которые упомянуты в начале статьи.

Протрем окно в космос!

Когда речь заходит о борьбе с глобальным потеплением, в подавляющем большинстве случаев рассматривается единственный вариант — сокращение выбросов углекислого газа. Действительно, этот способ кажется перспективным, ведь, очистив атмосферу от этого газа, можно увеличить ее прозрачность для длинноволнового, теплового, излучения; отмыть от созданной человеческой цивилизацией грязи «окно», через которое тепло уходит в космос.

Однако всякая техническая идея хороша, когда она подкреплена расчетом. Базой для таких расчетов служит формула, которая связывает величину избыточного теплового потока с отношением текущей концентрации углекислого газа к некоему базовому значению. Формула простая: «лишний» поток составляет 6,35 ln(CO₂/CO_{2 база}) Вт/м². За базу принято 278 ppm — содержание углекислого газа в 1800 году, так сказать, начало индустриальной эры, и подспудно считается, что именно тогда климат был оптимален, именно к нему надо стремиться. Напомним, что в это время на Земле заканчивается Малый ледниковый период: зимой дети гоняют на коньках по Темзе и Дунаю, в Париже, Вене и Лондоне метут метели, замерзшая Москва­река по полгода служит местом проведения ярмарок, а добраться из России в Швецию можно пешком — по льду Балтийского моря, как это сделала русская армия зимой 1808 года.

Согласно расчетной формуле, при достигнутых в 2016 году 400 ppm углекислого газа в атмосфере, излишний, то есть не позволяющий вернуться в климат 1800 года, тепловой поток составляет 1,94 Вт/м². А если концентрация удвоится по сравнению с доиндустриальной, то поток станет 3,7 Вт/м². (Это важное число, которое надо запомнить.) Климатологи считают, что 3,7 Вт/м² уже очень много — цивилизация столько не выдержит. Сравнить есть с чем. Последний раз 350–450 ррm углекислого газа в атмосфере было в плиоцене, 3 млн лет тому назад; этот период предшествовал плейстоцену с его ледниковыми периодами и мамонтами, бродящими по степям Евразии. Так вот, в плиоцене температура была выше, чем в 1800 году, на 1,9–3,6^оС. И при этом в Северном полушарии ледники были крайне малочисленны, Северный Ледовитый океан, как правило, свободен ото льда, гренландский ледник сформировался лишь к концу периода, когда похолодало, а уровень моря — выше нынешнего на целых 35 метров! В плиоценовом климате под водой оказываются Лондон, Париж, Берлин, Санкт­-Петербург и многие-­многие другие низколежащие местности. Москва, Вена и Вашингтон, впрочем, выстоят. Если же содержание углекислого газа окажется 1000 ppm, то задерживаемый им поток тепла станет 8,13 Вт/м² и получится климат эоцена (32 млн лет тому назад), когда на арктических островах жили предки крокодилов и бегемотов, температура же была выше на 9–14^оС.

Этот расчет и лежит в основе идеи декарбонизации экономики: давайте перестанем жечь ископаемое топливо и удержим содержание углекислого газа в пределах хотя бы 500 ppm. Такая идея работает не очень хорошо — в последние 15 лет скорость роста концентрации углекислого газа составляет 1,5–2 ppm в год, несмотря на усилия, предпринятые в рамках Киотского протокола и Парижского соглашения, и это в три­-четыре раза больше, чем средняя скорость роста за период с 1800 года: процесс ускоряется. У человечества есть в запасе полвека-­век для того, чтобы стабилизировать парниковый эффект. Но и в этом случае стабилизация произойдет отнюдь не на желаемом уровне конца Малого ледникового периода, а на уровне плиоцена со всеми серьезными издержками вроде исчезновения ледников и роста уровня океана. К этим издержкам добавляются еще и политические риски (см. «Химию и жизнь» 2019, 7), ведь есть большая группа стран, экономика которых держится на добыче и экспорте именно ископаемого топлива; декарбонизация наносит этим странам существенный ущерб, а ведь среди них есть как обладатели огромных финансовых ресурсов, так и развитого военно­промышленного комплекса, в том числе и ядерного оружия. Совсем не очевидно, что эти ресурсы не будут задействованы для спасения декарбонизируемой экономики от краха.

Поэтому возникает альтернативная идея — не заниматься фанатичной декарбонизацией мировой экономики, но сосредоточиться на изъятии углекислого газа из атмосферы. Самый простой и очевидный способ — нарастить эффективность глобального фотосинтеза и поглубже закопать сконцентрированную в его результате солнечную энергию и связанный углекислый газ. Делать это можно двумя способами. Первый — сажать деревья (см. «Химию и жизнь», 2019, 4,), а затем в результате пиролиза превращать их в уголь, который закапывать в почву для улучшения ее структуры. Второй — выращивать водоросли, которые при отмирании захоронят углерод в иле на дне океана.

Однако расчет показывает, что эти способы не столь уж хороши. Так, потенциал для выращивания деревьев ограничен свободными площадями — они позволяют снизить содержание углекислого газа за столетие не более чем на 42 ppm. Соответствующее снижение теплового потока составит 0,49 Вт/м². Получение угля даст еще 0,4 Вт/м² за счет того, что удастся избежать гниения древесины. Подкормки океана фосфором, азотом и железом дадут в сумме такой прирост водорослей, что они сократят тепловой поток еще на 0,43 Вт/м². Иными словами, активизация фотосинтеза даст чуть менее половины от того, что требуется, если мы не хотим оказаться в климате плиоцена. Лидером же в технологиях работы с углекислым газом оказывается прямое его улавливание и либо закапывание в неизменном виде, либо превращение в какие­то минералы — карбонат кальция, например (см. «Химию и жизнь», 2018, 7). Потенциал этого способа — снижение теплового потока на 2,5 Вт/м². Как видно, только суммируя масштабную утилизацию углекислого газа, выращивание деревьев, пережигание их на уголь, возделывание водорослей и при умеренной декарбонизации удастся к 2100 году с запасом выйти на климат Малого ледникового периода. А одной декарбонизацией — никак.

Увы, в полном соответствии с мнением Греты Тунберг, о декарбонизации по большей части лишь говорят, мало кто всерьез воспринимает радикальные методы борьбы с углекислым газом. Так, лидером по посадке деревьев оказывается КНР, но Бразилия, лидер по вырубке, сводит баланс глобального леса к нулю. Удобрение океана фосфором, азотом и железом запрещено международными конвенциями, поскольку неизвестно, к каким последствиям это приведет для морской экосистемы — биологи предполагают, что к катастрофическим. Технологии улавливания и переработки углекислого газа созданы, но существуют в виде немногочисленных демонстрационных установок, тогда как для решения проблемы их число должно измеряться миллионами. В общем, пока что идея масштабного улавливания атмосферного углекислого газа не привлекает пристального внимания лиц, принимающих решения о судьбах планеты и выделяющих на это потребное финансирование. А что с альтернативными идеями?

Вернем тепло Солнцу!

Самая радикальная идея — закрыться от коротковолнового излучения еще до того, как оно попало на Землю. Это можно сделать двумя способами. Первый — поставить зеркало между Солнцем и Землей. Располагать его, надо, очевидно, в точке Лагранжа, где уравниваются силы от обоих космических тел: здесь зеркало висит без особых затрат энергии. От Земли такая точка удалена на расстояние 1,5 млн км, и в ней уж не раз размещали космические обсерватории.

Достоинство этой идеи в том, что теоретически можно отразить сколь угодно большую долю солнечного излучения и жечь ископаемое топливо без опасения попасть в климат не то что плиоцена, а даже эоцена. На практике же эта задача оказывается грандиозным преобразованием природы. В самом деле, чтобы скомпенсировать 3,7 Вт/м² излишнего теплового потока, требуется закрыть примерно 1,8% солнечного диска. Для этого площадь зеркала должна быть колоссальной — 4,7 млн км²! Только для того, чтобы устранить последствия ежегодного прироста углекислого газа, требуется каждый год строить огромный фрагмент зеркала площадью 36 тысяч км². Для доставки с Земли необходимых материалов нужно запустить в космос полторы сотни тысяч космических кораблей!

Очевидно, что столь массированные запуски могут вызвать на Земле уже другую катастрофу, не связанную с потеплением. Значит, пуски надо проводить с Луны, там же располагать производственную базу для изготовления кораблей, топлива к ним и элементов зеркала. Ну а в точке Лагранжа потребуется разместить постоянную базу для монтажа и обслуживания зеркала. От него будут не только убытки, но и прибыль — собранный свет можно частично превращать в электричество и отправлять его на Землю, радикально решив проблему энергоснабжения цивилизации без использования ископаемого топлива. Аналогичную технологию можно использовать и для защиты Марса от солнечного излучения, без которой идеи освоения Красной планеты выглядят совсем уж полной утопией. Этот проект очень интересен, ведь работа над зеркалом создаст совершенно иную реальность, переведет человечество на другой уровень технологии и социальной организации, заставит реально, а не на словах осваивать космос.

Как и в случае с утилизацией углекислого газа, многие технологии для такого грандиозного проекта уже есть, однако не видно никакого желания со стороны человечества к его осуществлению: многолетние разговоры о создании самой простой базы на Луне так и остаются разговорами, хотя со времени высадки там человека прошло уж полсотни лет. О лунном производстве в сколько-­нибудь обозримом будущем разговоры ведут лишь мечтатели и безоглядные оптимисты.

Менее грандиозный, но более рискованный способ отразить лишнее излучение — создать зеркало в тропосфере. Изучение последствий вулканических извержений, которые вызывали существенные похолодания, позволило определить лучший материал для такого зеркала — это мелкие, диаметром менее 0,23 мкм, капли серной кислоты. Согласно оценкам, в зависимости от размера капель для решения задачи потребуется распылять 1,5–5 Мт кислоты (в пересчете на серу) в год. На самом деле это не очень много — сжигание угля доставляет в атмосферу ежегодно 55–68 Мт серы. Тем не менее специалисты отмечают, что, когда вся эта сера прольется кислотными дождями, могут возникнуть серьезные эксцессы в био-­ и техносфере Земли; тут надо учитывать, что такие дожди будут не временным явлением, а постоянным долговременным фактором преобразования природы. При этом не совсем понятно, как создание жидкого тропосферного зеркала скажется на поведении атмосферы, ее химии и, соответственно, на климате. Например, некоторые расчеты показывают, что при укрупнении выше 2,5 мкм капли серной кислоты могут вызвать обратный эффект — усиление потепления. Тем не менее похоже, что при всех опасениях этот способ и будет применен в случае неизбежности климатической катастрофы, поскольку технически осуществим, а эффект охлаждения планеты наступит быстро; это обстоятельство, в частности, не раз подчеркивал бессменный руководитель Гидрометцентра СССР академик Ю.А.Израэль.

Затеним тропики, осветлим траву, загородим пустыню

Есть еще несколько способов повысить степень отражения солнечных лучей. Возьмем облака. Они способны внести немалый вклад, особенно если речь идет о многослойных облаках, формирующихся над поверхностями морей. Создание искусственных облаков — весьма мощный метод преобразования природы, с его помощью можно изъять из энергобаланса планеты весь вредный поток тепла в 3,7 Вт/м². Метод хорошо известен — разбрасывание на высоте формирования облаков частиц морской соли: они послужат центрами конденсации водяного пара, возникнут дополнительные капли воды или частиц льда, и способность облака к отражению света возрастет.

Расчет показывает, что плотность облаков надо увеличивать двукратно, что технически осуществимо. Площадь же, которую должна покрывать вечная пелена сплошной облачности, должна составлять, по разным оценкам, от 17 до 30% площади планеты. Поскольку в высоких широтах солнечный свет падает по касательной и отражается плохо, эту пелену надо формировать в тропиках. Если будет выбран такой способ борьбы с глобальным потеплением, тропики станут местом сумрачным и влажным, всегда закрытым облаками с соответствующими последствиями для всех его обитателей. Правда, экономическая жизнь там явно оживится, ведь облака существуют считаные дни, и для поддержания постоянной пелены необходимо расположить по всей зоне преобразования природы базы производства морской соли, размещения персонала, запасов топлива, содержания и ремонта летательных аппаратов для создания облаков.

Другое интересное решение — покрыть пустыни и ледники металлизированной пленкой, которая станет отражать солнечный свет. Площадь пустынь на Земле огромна, лежат они в средних широтах, поэтому и эффективность этого метода велика — с его помощью удастся убрать из баланса тепловой поток в 2,1 Вт/м². Заодно ледники от таяния защитим. Этот способ конкурирует с идеей сторонников солнечной энергетики создать в пустынях мощное производство электричества, доставлять которое потребителям станет создаваемая КНР Глобальная электросеть (см. «Химию и жизнь», 2019, 7). Казалось бы, солнечные батареи лучше, чем пленка, с пользой для цивилизации станут утилизировать солнечную энергию, но это не так. Выработанное электричество превратится в механическую работу, то есть перейдет в тепло, и будет достигнуто не сокращение теплового потока, а, в лучшем случае, сокращение выбросов углекислого газа, что не одно и то же.

Пустыни пока что пленкой никто не пробовал накрывать, а вот ледники в швейцарских Альпах так защищать пытаются, и небезуспешно. Эта интересная геоинженерная технология особенно близка нашему журналу, поскольку при ее выборе для борьбы с потеплением мировая химическая отрасль получает мощнейший стимул для своего развития — все­таки речь идет о миллионах квадратных километров пленки.

Менее эффективно действует изменение окраски огромных площадей, занятых травами, как дикими растениями — степей, саванн, прерий, так и культурными — пастбищами, лугами и полями: белая листва отражает больше солнечного света, чем зеленая. Если с культурными растениями теоретически это нетрудно осуществить — достаточно один раз вывести соответствующие сорта, хоть и трансгенные, а потом добровольно­-принудительно обеспечить их посев, то со степями это не получится: перевод диких растений на светлолистые разновидности будет долгим и небезболезненным для соответствующих экосистем. Эффективность же этих способов средняя — 0,35 Вт/м² для культурных и 0,51 Вт/м² для диких растений. Очевидно, что такое геоинженерное мероприятие может быть использовано только как дополнение к другим мерам — посадкам деревьев, сбору углекислого газа, творческой работе с облаками. Для начала применения этой технологии вообще нет никаких преград — можно хоть завтра заняться созданием и интродукцией светлолистых сортов культурных растений, однако сведений о том, что кто­-то думает о такой работе, нет.

Излучим тепло из океана

Собственно, этим списком и исчерпываются мало-­мальски реальные геотехнологии, отражающие солнечный свет. Новым же словом могут стать технологии излучательные, когда излишнее тепло излучается с поверхности планеты и уходит в космос. Именно эту свежую идею и предлагает рассмотреть упомянутый в самом начале статьи австрийско-­бразильский коллектив. Суть ее такова.

Сейчас, когда Северный Ледовитый океан покрыт льдом и снегом, он, несмотря на белый цвет, слабо отражает солнечный свет, который приходит в высокие широты по касательной. Зато лед надежно закрывает возможность для излучения тепла поверхностью океана. Когда северный ледовый панцирь растает, ситуация изменится: возникнет новый поток, уносящий тепло прочь от планеты. Увы, этот поток будет слабым: он лишь компенсирует потерю отражательной способности растаявшего льда. Но ситуацию можно радикально исправить, занявшись преобразованием природы.

Менее соленую воду (она показана светлым цветом) можно убирать с поверхности Северного Ледовитого океана разными способами. Например, закачивая ее в глубину. Тогда теплое течение из Атлантики поднимется вверх и океан превратится в хороший излучатель излишнего тепла в космос Julian David Hunt e.a. SN Applied Sciences (2020) 2:15

У Северного Ледовитого океана есть интересная особенность — большая часть его поверхности занята опресненной холодной водой — галоклином. Он формируется из-­за стока сибирских и североамериканских рек, а также таяния ледника Гренландии. А под галоклин ныряет течение, которое несет теплую воду из тропиков — знаменитый Гольфстрим и его ответвления. Ныряет он потому, что вода в нем солонее и, стало быть, ее удельный вес больше. А если бы Гольфстрим не нырял, теплая вода разлилась бы по всей акватории Северного (и уже не Ледовитого) океана. В результате поток тепла в космос от него резко бы вырос. При этом арктический климат сильно изменится. Так, средняя температура воздуха над полюсом в январе вырастет с нынешних 25 градусов мороза до нуля, а в самом жарком августе — с 3 до 8 тепла. И притом тепловой поток, уходящий в космос, окажется огромным — по самым скромным подсчетам, 26 Вт на квадратный метр площади океана или 0,75 Вт/м², если отнести ко всей площади Земли, как от посадки деревьев и выращивания водорослей, вместе взятых.

Как же надо в этом случае преобразовывать природу? Упомянутый коллектив исследователей предлагает вспомнить уже известные решения, главное из которых — повернуть северные реки вспять, пустить на юг примерно половину их стока. При этом возникает уже не раз обсужденный выигрыш: засушливые районы Средней Азии и юга Северной Америки получают так необходимую им влагу для интенсивного земледелия, а северные земли перестают страдать от разрушительных наводнений. Кроме того, на искусственных руслах можно поставить гидростанции и получить немало электричества. Торговля водой и электричеством делает проект самоокупаемым.

Дополнительные меры — предотвращение таяния гренландского ледника и закачка пресной воды на глубину. В первом случае предполагается обнести ледник стеной и изолировать его от контакта с теплыми морскими водами. Вторая же идея связана с тем, что распресненная вода с поверхности океана, будучи закачанной на глубину более километра, там и останется. Суда с насосами для закачки воды нужно ставить прежде всего в море Бофорта и в районе Берингова пролива — там ниже всего соленость поверхностных вод Северного Ледовитого океана. В принципе, можно ими заполнить и весь океан — это если из­-за гражданского сопротивления реки вспять повернуть не удастся.

В 50-­е годы рассматривали проект строительства дамбы через Берингов пролив и перекачки через нее менее соленых вод Северного Ледовитого океана в Тихий: в результате приток теплых вод атлантического океана должен был усилиться, а климат на севере Норвегии и СССР смягчиться. Но расчет показал, что тогда весь север Тихого океана замерзнет, а пустыня Гоби станет больше, и от этого проекта отказались.

Предварительный расчет показывает, что для успеха проекта засоления Северного Ледовитого океана в течение 50 лет надо перекачивать на юг воду северных рек со скоростью 50 тысяч кубометров в секунду, а в глубь океана закачивать поверхностную воду со скоростью 190 тысяч кубометров в секунду. Когда же термоклин будет убран и Гольфстрим растечется по Северному Ледовитому океану, потребность в такой массированной перекачке исчезнет, ведь соленость океана далее будет поддерживаться сама собой, за счет притока тропических вод. Энергии на работу насосов надо не так уж много — 116 ГВт. Это как пять ГЭС «Три ущелья» — крупнейшей в мире электростанции, построенной в 2012 году на Янцзы в рамках проекта поворота китайских рек.

Как видно, в принципе человечество обладает достаточным могуществом, чтобы не только ставить, но даже решать такие грандиозные задачи, как разогрев целого океана. Дело в последствиях столь радикального изменения объектов, определяющих климат планеты: очевидно, они будут существенны для всех обитателей Северной Америки и Евразии, то есть для большинства человечества и огромного числа видов животных. Но, с другой стороны, если дело дойдет до того, что ледяная шапка над полюсом полностью растает, их жизнь все равно изменится до неузнаваемости и терять станет нечего; тогда подобные проекты можно будет рассматривать всерьез, а не обсуждать в рубрике, где редакция не отвечает за измышления авторов.