Работа с альбедо

Как видно из предыдущей статьи, повышение альбедо планеты оказывается важнейшим инструментом создания комфортного климата. И слой сернокислотного аэрозоля в верхних слоях атмосферы — проверенный временем способ работы такого инструмента. Конечно, его применение имеет негативные последствия в виде затемнения атмосферы и выпадения кислотных дожей. Однако если выбирать между кислотным дождем и перспективой подъема уровня океана на 25 метров, первое смотрится менее болезненным. Как однажды заметил политолог С.Е. Кургинян по другому поводу: «Мы падали со скалы на острые камни, а упали в лужу жидкого дерьма. Да, неприятно, а что, на камни — лучше?». Какие же есть идеи на тему выращивания альбедо?

Иллюстрация Сергея Тюнина

Полярное затенение

Сравнительно недавно (см. «Химию и жизнь» 2020 №1) энтузиасты предлагали разместить слой аэрозоля над тропиками. Резон очевиден — на эту область круглогодично приходится самый большой поток солнечного тепла, значит, там его и надо отражать. Наверное, размышления об очевидных последствиях заставили экспертов отнестись к этой идее скептически. В самом деле, радикальное изменение теплового баланса в этой зоне не только лишит миллиарды обитающих там людей немалой доли урожая. Оно еще может привести к резким и непредсказуемым изменениям в работе всей кухни планетарной погоды. Видимо, осознание такого недостатка заставило изменить концепцию.

В свежей работе все тот же независимый исследователь Уманг Бхаттараи (Umang Bhattarai) с коллегами из Йельского, Кембриджского, Корнеллского и других уважаемых американских университетов (Environ. Res. Commun., 2022) предлагает создавать экран над полюсами.

Плюсы такого решения очевидны. Во-первых, именно в Арктике и в меньшей степени Антарктике потепление выражено в наибольшей степени и достигает чуть ли не 3°С при среднем на планете 1,09°С. Именно там идет опасное таяние огромного массива льда. Значит, охлаждая полюса, мы обратим климатическую ситуацию вспять и никаких дурных последствий для кухни погоды не будет.

Во-вторых, основные кислотные осадки выпадут, скорее всего, в виде снега и, возможно, захоронятся на долгие годы, а то и столетия. В любом случае, в этих районах сельское хозяйство не сильно развито, а местности слабо заселены. Кроме того, леса, скажем, в высоких широтах российской территории, и так живут под постоянным воздействием серной кислоты из газовых выбросов предприятий цветной металлургии.

В-третьих, по меньшей мере в Северном полушарии, в приполярной зоне, имеется развитая инфраструктура для организации полетов самолетов любого типа, в том числе и таких, которые могут забраться на требуемую высоту. А забираться нужно в тропопаузу — слой атмосферы, где резко падает высотный градиент температуры, то есть вертикальное перемешивание воздуха заторможено, и облака сернокислотного аэрозоля здесь будут держаться наиболее долго.

Над полюсом тропопауза начинается на высоте 10 км, то есть самолет должен взлетать не выше 13 км над уровнем моря; над экватором эту задачу решать труднее — там тропопауза начинается на высоте 16–18 км. А чем меньше высота, тем менее жесткие требования к самолету и ниже стоимость одного вылета. В принципе, в мире есть самолеты, способные выполнять такую задачу. Например, в США имеется разработанный в начале 50-х годов самолет-заправщик Боинг КС-135. У него максимальная высота полета 15,2 км. Правда, не очень ясно, способен ли он доставить на эту высоту все заявленные 100 тонн груза.

Есть, конечно, высотные самолеты-разведчики, в СССР это был М-17, созданный в ОКБ В.М. Мясищева, ныне переделанный в самолет М-55 «Геофизика». У таких машин потолок превышает 21 км, но полезный груз всего 1,5 тонны. А забрасывать нужно ежегодно 13,4 Мт Н₂SO₄, или 37 тысяч тонн в день. Если ориентироваться на заявленную грузоподъемность КС-135, то выйдет 370 рейсов в день, 135 тысяч в год, если на М-55, то в 66 раз больше.

Такие числа кажутся чудовищно большими, но это не так. Коммерческий авиатранспорт совершал в 2021 году 87 тысяч вылетов в день, то есть вся ежегодная программа соответствует двухдневным полетам глобального авиатранспорта. Более того, полет в тропопаузу и обратно не длителен — по полчаса на взлет-посадку и две минуты на распыление аэрозоля.

По оценкам авторов идеи, на всё про всё хватит двух сотен самолетов класса КС-135. Конечно, их нет в таком количестве, поэтому потребуется изготовление новых машин, но это и прекрасно — будут загружены предприятия самолетостроения. В общем, если не считать затрат на новые самолеты, весь проект ежегодно будет стоить всего 11 млрд долларов в ценах 2021 года. А результатом станет охлаждение полюсов на 2 градуса, что затормозит таяние полярных шапок и, может быть, вызовет их рост. Кстати, 13,4 Мт кислоты не так уж и много: только в США годовой объем производства в два раза больше, а мировое производство исчисляется сотнями миллионов тонн.

Очевидно, что человечеству по плечу и не такие задачи, как постройка в обозримый срок сотни высотных самолетов и заброс с их помощью мегатонн серной кислоты за границу тропосферы. А суммы, сопоставимые с требуемыми, оно с легкостью тратит на совершенно бессмысленные дела вроде постоянно ведущихся разорительных войн. Так что на пути создания сернокислотного экрана, охлаждающего планету, действительно нет никаких технических трудностей. Академик Израэль и подобные ему мыслители, предлагавшие эту идею с конца XX века, были правы: сделать несложно.

Гораздо сложнее просчитать все последствия появления такого экрана. Например, есть подозрения, что резкое полярное охлаждение скажется на интенсивности тропических муссонов, а это касается жизни огромного количества людей. Поэтому самое тяжелое, как отмечают авторы проекта, — уговорить мировое сообщество.

Тут ситуация двоякая. Формально нужно согласие государств, чьи территории находятся в высоких широтах. Это РФ, США, Канада, Дания, Исландия, Норвегия, Швеция и Финляндия на севере, а также Австралия, Новая Зеландия, ЮАР, Аргентина и Чили на юге. Именно оттуда надо запускать самолеты, и на их территории выпадут кислотные дожди или снега. Однако результатом станет изменение погоды на всей планете, которая где-то улучшится, а где-то ухудшится. Поэтому для учета разных интересов потребуются многолетние переговоры.

Конечно, все это станет возможным, если эксперты и связанные с ними политики поймут, что их многолетняя деятельность по стабилизации климата за счет развития системы экономических стимулов и противовесов не работает и пора бы переходить к реальным мероприятиям.

Польза морской пены

Интересно, что идеи изменить альбедо планеты не исчерпываются одним сернокислым экраном. Например, Рассел Зайтц (Russell Seitz) из Гарвардского университета еще в 2010 году предлагал осветлить океан. Что имеется в виду? В настоящее время океан при наблюдении из космоса смотрится как огромное пятно черного, в лучшем случае темно-синего цвета; то есть он отражает мало света, а поглощает много. Если осветлить океан, сделать его, скажем, голубым, то получится естественный отражатель, увеличивающий альбедо планеты. Как же это можно сделать? По мнению Зайтца, с помощью пузырьков воздуха, которые создают, например, ультразвуковым излучателем.

Любой, кто видел пузырьки, возникающие в воде хоть при продувании воздуха в аквариуме, хоть при шторме, знает, что их цвет — белый. Это результат отражения света от поверхности раздела газа, который находится внутри пузырька, и жидкости, в данном случае воды. Фактически пузырек играет роль искомого планетарного зеркала, просто никому не приходит в голову мысль, что маленьким пузырьком можно воспользоваться для решения глобальной проблемы. А вот Зайтцу эта мысль пришла, и он прикинул, как создать экран из такого пузырькового гидрозоля.

Есть данные о том, что природная популяция микропузырьков в воде составляет от 10⁴ до 10⁷ шт. на кубометр, а их размер 10—140 мкм. Эти пузырьки увеличивают альбедо океана на доли процента. Однако если уменьшить размер пузырьков, сделать так, чтобы они все были диаметром в микрон или меньше, то отражательная способность вырастет в тысячу раз, ведь рассеяние света зависит не от объема пузырька, а от площади поверхности.

Расчет показывает, что если взять пузырьки диаметром 6 микрон и поместить в каждый кубометр Мирового океана примерно миллиард штук, то есть сделать их объемную концентрацию 1 ppm, то увеличение альбедо полностью выберет нынешний тепловой дисбаланс планеты в 1 Вт/м². При этом цвет океана изменится с темно-синего на бирюзовый. Если пузырьков будет в десять раз больше, то океан станет голубым и тогда рост альбедо скомпенсирует даже 10-кратное увеличение содержания парниковых газов в атмосфере. А если бы удалось делать нанометровые пузырьки, то их для аналогичных эффектов понадобится и вовсе мало.

Естественно, возникает вопрос: а сколько такой пузырек живет? В чистой воде недолго, считаные минуты. Однако где она, эта чистая вода? Как правило, верхний слой океана заполнен микроживностью, которая выделяет продукты своей жизнедеятельности, а это, как правило, поверхностно-активные вещества. Именно они продлевают жизнь морской пене, которая порой грязными клочьями покрывает прибрежную линию. В такой грязной воде пузырьки могут жить долго, часами.

Если при их генерации использовать специальные поверхностно-активные вещества ПАВ (естественно, биоразлагаемые), то удастся продлить их жизнь на дни. Добавка таких ПАВ будет небольшой, порядка миллиграммов на кубометр обрабатываемой воды, а их стоимость при создании гидрозоля километровой площади не превысит 100 долларов. Так что стабильность пузырьков — вопрос не принципиальный, а технический. Нет проблем и с самой техникой производства гидрозолей: коммерческие генераторы сейчас выдают плотность пузырьков в сто тысяч ppm. Интересно, что у них уже есть два вида использования, способных решать еще одну задачу, помимо борьбы с потеплением.

Так, создание гидрозоля по курсу корабля заметно сокращает сопротивление воды его движению и экономит топливо. Всего в море находится одновременно 10 тысяч судов. Если их оснастить генераторами гидрозоля, да еще сделать получаемые пузырьки долгоживущими, то все эти суда будут поддерживать существование гидрозольного зеркала площадью до 10 млн квадратных километров. Такое зеркало полностью компенсирует тепловой эффект от выделяемых судами парниковых газов.

Другое важное направление — защита водоемов от высыхания. В мире имеется огромное количество водоемов технического назначения, от прудов для орошения фермерских хозяйств до водохранилищ и каналов, питающих мегаполисы и гидроэлектростанции. Расчет показывает, что солнце из них испаряет больше воды, чем человечество потребляет. Создавая гидрозольный экран на таких водоемах, удается опять-таки решать две задачи: сохранять воду и отражать солнечное тепло.

Расчет показывает, что фермер, использующий для орошения своих земель пруд площадью в гектар, сэкономит таким экраном 3600 тонн воды. Работа же генератора гидрозоля стоит недорого. Так что нет никакой необходимости ждать глобального проекта: каждый, у кого есть пруд, может внести лепту в охлаждение планеты, поставив генератор гидрозоля. Кстати, и для обитателей пруда будет подспорье: вода благодаря пузырькам будет насыщаться кислородом, что предотвратит заморы.

А сколько же надо энергии для глобального гидрозольного экрана? По расчету Зайтца, одного ветряка мегаваттной мощности хватит для генерации пузырьков, способных закрыть площадь от сотен до десятков тысяч квадратных километров (зависит от концентрации ПАВ в воде). Возьмем среднее значение — одну тысячу. Площадь, занятая водной поверхностью, как пресной, так и соленой, на Земле составляет более 300 млн квадратных километров. Для этой площади понадобится, как видно, 300 тысяч таких ветряков или мощность в 300 ГВт. Это в два раза меньше, чем суммарная мощность уже установленных к 2020 году ветряков. То есть задача при всей грандиозности выглядит более чем решаемой.

Впрочем, логичнее использовать не ветряки, а солнечных беспилотных роботов, которые станут перемещаться по выбранной акватории, распределяя ПАВ и постоянно возобновляя гидрозольный экран за счет генерации пузырьков. При мощности солнечной батареи в 1 кВт такой робот сможет контролировать один квадратный километр, при этом площадь солнечных батарей составит вполне разумные 10 квадратных метров. На всю водную гладь планеты потребуется 300 млн роботов. Это, конечно, много, но не чрезмерно, человечество в состоянии их изготовить.

При этом возникает сразу два бонуса. Во-первых, океанологи, ихтиологи, климатологи, разведчики получают исполнение своей заветной мечты — плотную сеть мониторинга всех параметров океана и приземной атмосферы, ведь совсем несложно оснастить роботов множеством датчиков. А во-вторых, возникает большое количество рабочих мест в таких наукоемких отраслях, как робототехника и солнечная энергетика.

Главное же преимущество осветления океана над идеей затемнения неба в том, что пузырьки все-таки живут не очень долго и в любой момент можно океан снова зачернить, отключив генератор гидрозоля.

Ничтожная объемная доля пузырьков в воде, измеряемая миллионными долями, может в разы увеличить способность водной поверхности отражать солнечное тепло и таким образом сделать даже десятикратный рост парниковых газов неопасным. Главное — получать пузырьки как можно меньшего размера. На графике расчет для пузырьков диаметром 6 мкм (Russell Seitz, «Bright Water»)

Щит из пыли

Некоторые мечтатели, в попытках сократить поток солнечного света, приходящего на Землю, предлагают и вовсе заняться преобразованием космического пространства; фактически создать новое тело Солнечной системы — пылевое облако в районе точки Лагранжа L1 системы Солнце — Земля. Напомним, что точки Лагранжа в системе взаимодействующих тел — это такие точки, где их взаимное действие уравновешивается.

У системы Солнце — Земля есть пять таких точек. Две из них, L3 и L4, движутся перед и за Землей по ее орбите, L5 находится на противоположенной стороне от Солнца, а еще две — на луче, идущем от Солнца к Земле: L1 — перед Землей, а L2 — за ней. В точке L2 расположены космические обсерватории, в том числе телескоп Джеймс Уэбб (см. «Химию и жизнь» 2022 №1), а в районе L1 — обсерватории для наблюдения за Солнцем, например SOHO.

Прелесть точек в том, что космическая станция, да и вообще любое малое космическое тело, находится в них в состоянии неустойчивого равновесия. То есть сохраняет свое положение без затрат энергии. Реально, конечно, энергию надо тратить, ведь Луна и другие планеты Солнечной системы, а также солнечный ветер постоянно вносят свои возмущения. Но бороться с ними гораздо менее энергозатратно, чем с гравитацией Солнца и Земли. Вот в точке L1 мечтатели и хотят поставить экран для защиты Земли от солнечного света. Все упирается в вопросы: из чего сделать и как доставить?

Экран должен быть диаметром в сотни километров и, очевидно, что доставить его с Земли можно только в мечтах, оба предыдущих проекта по усилению альбедо кажутся на этом фоне верхом рациональности. Однако творческую мысль не остановят никакие преграды. Астрономы из университета Юты и Смитсоновской астрофизической обсерватории во главе с Бенджамином Бромли (Benjamin C. Bromley) придумали сделать экран из лунной пыли.

Согласно их расчету, чтобы вернуть климат конца XVII века, когда была холодная эпоха, названная минимумом Маундера, и Хендрик Аверкамп рисовал катание на коньках по каналам Голландии, нужно закрывать Солнце на 9 дней в году. Или каждый день 0,025-ю часть его диска. Для этого в точке L1 потребуется пылевое облако диаметром 940 км (кстати, облако диаметром 7 000 км полностью закроет солнечный диск). На формирование такого диска пойдет где-то 100–150 миллионов тонн пыли.

Не сказать, что это очень много. Если эту пыль скомпактировать, то получится шар диаметром 200 метров, а по весу годовая выработка средней шахты открытого типа. Сделать это все можно, разместив в точке L1 космический пакгауз, в который прибывающие «грузовики» сгрузят привезенную пыль и откуда ее будут распылять в окрестном пространстве. Солнечный ветер станет выдувать пылинки, и за год облако почти рассосется. По расчету, для его поддержания нужно ежегодно пропускать через пакгауз десятки миллионов тонн пыли.

Пылевой экран, расположенный в точке Лагранжа L1, выглядит как пролетающая на фоне Солнца комета (Benjamin C. Bromley, «Dust as a solar shield»)

Однако возить эдакую махину с Земли очень накладно: в год примерно 20 тысяч пусков тяжелых ракет типа «Сатурн-5» (их американцы использовали для своей лунной программы 60-х годов). Даже вообразить такое количество пусков очень трудно, пока что человечество за всю космическую эру перевезло в космос лишь тысячную долю массы, потребной для создания щита. Что при такой интенсивности пусков произойдет с атмосферой и особенно с ее верхними слоями, доподлинно неизвестно, но ясно, что лучше и не пробовать. А вот если брать пыль с Луны, тогда проект обретает более реальные и безопасные черты: потребуется в десять раз меньше пусков таких ракет и стартовать они станут с Луны, где нет атмосферы.

Очевидно, что для грузовиков будут использованы какие-то иные двигатели, пока что массово в космонавтике не используемые. Иначе на Луне нужно разворачивать производство ракетного топлива, а это не столь уж просто. Энергии же для доставки десятков миллионов тонн пыли по маршруту Луна — точка L1 потребуется не то чтобы много: ее смогут выработать эффективные солнечные батареи суммарной площадью в несколько квадратных километров.

Если пофантазировать, то можно попытаться сформировать облако в виде грандиозного пылевого кристалла Фортова («Химия и жизнь» 2006 №4): он способен в значительной степени противостоять солнечному ветру за счет своей внутренней стабильности. Для создания кристалла требуется электрический заряд на частицах, который на лунной пыли наверняка имеется, и оборудование для формирования электрического поля, удерживающего их от разлета из-за кулоновского отталкивания.

При достаточном искусстве такая конструкция позволит существенно сократить расходы на поддержание солнцезащитного пылевого экрана. Он будет выглядеть с Земли как двигающееся по солнечному диску пятно. Ну а если пылевой кристалл сформировать не удастся, землянам откроется другой вид: по светилу будет блуждать пятно, оставляющее за собой заметный след в виде горизонтальной линии.

Впрочем, есть и другой способ. Если уж не удается удержать пылевое облако в точке Лагранжа, так может быть не стоит и стараться делать его стационарным? Вместо космического пакгауза и флота грузовиков нужно поставить на полюсе Луны огромный электрический ускоритель пылинок. Разгоняя их до первой космической скорости, он создаст непрерывный пылевой поток, а уж направить его в область между Землей и Солнцем — дело техники. Такой поток не хуже облака затеняет часть солнечного диска. В результате нам на Земле будет казаться, что Солнце перечеркнуто своеобразной буквой Z.

Поток лунной пыли, извергаемый с Северного полюса Луны, прочертит на Солнце интересный знак (Benjamin C. Bromley, «Dust as a solar shield»)

Будучи астрономами, авторы идеи не могут более детально конкретизировать проект, и тем более рассчитать затраты на него. Однако если человечество осознает необходимость заняться делом вместо того, чтобы привычно развлекаться делением мира на сектора влияния, эта идея может оказаться в числе востребованных. Как и любой другой подобный проект он не только решит климатическую проблему, но и выведет космонавтику из летаргического сна.