Geoengineering Gambit

Floder som matas av smältande snö och glaciärer levererar vatten till över en sjättedel av världens befolkning – långt över en miljard människor. Men dessa vattenkällor försvinner snabbt: Himalayaglaciärerna som matar floder i Indien, Kina och andra asiatiska länder kan vara borta om 25 år ( efter att denna berättelse dök upp i tryck drogs detta påstående tillbaka av forskare: se rättelse ). Sådana effekter av klimatförändringar överraskar inte längre forskarna. Men hastigheten med vilken de sker gör det. Jorden ser ut att förändras snabbare än vad klimatmodellerna förutspått, säger Daniel Schrag, professor i jord- och planetvetenskap vid Harvard University, som ger president Obama råd i klimatfrågor.

Atmosfäriska nivåer av koldioxid har redan klättrat till 385 delar per miljon, långt över de 350 miljondelar som många forskare säger är den övre gränsen för ett relativt stabilt klimat. Och trots regeringsledda ansträngningar för att begränsa koldioxidutsläppen i många länder, går de årliga utsläppen från förbränning av fossila bränslen upp, inte ner: under de senaste två decennierna har de ökat med 41 procent. Under de senaste 10 åren har koncentrationen av koldioxid i atmosfären ökat med nästan två miljondelar varje år. I denna takt kommer de att vara två gånger förindustriella nivåer i slutet av århundradet. Samtidigt växer forskarna övertygade om att klimatet kan vara känsligare för växthusgaser på den här nivån än vad man tidigare trott. Sannolikheten att vi ska undvika allvarliga skador verkar ganska låg, säger Schrag. Det bästa vi kommer att göra är förmodligen inte tillräckligt bra.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2010

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Denna chockerande insikt har fått många inflytelserika vetenskapsmän, inklusive Obama-rådgivare som Schrag, att i grunden ändra sitt tänkande om hur de ska reagera på klimatförändringarna. De har börjat uppmana regeringen att börja finansiera forskning om geoteknik – storskaliga system för att snabbt kyla jorden.

Strategier för geoengineering varierar mycket, från att skjuta upp biljoner solsköldar i rymden till att utlösa enorma algblomningar i haven. Den som har fått mest uppmärksamhet de senaste åren handlar om att injicera miljontals ton svaveldioxid högt upp i atmosfären för att bilda mikroskopiska partiklar som skulle skugga planeten. Många geoteknikförslag går decennier tillbaka, men fram till för bara några år sedan ansåg de flesta klimatforskare dem vara något mellan högteknologisk hybris och science fiction. Ämnet var faktiskt förbjudet territorium, säger Ronald Prinn, professor i atmosfärsvetenskap vid MIT. Det är inte bara oklart hur sådana tekniska bedrifter skulle åstadkommas och om de faktiskt skulle dämpa klimatet, utan de flesta forskare oroar sig för att de kan få katastrofala oavsiktliga konsekvenser. Vad mer är, att förlita sig på geoteknik för att kyla jorden, snarare än att minska utsläppen av växthusgaser, skulle förbinda framtida generationer att upprätthålla dessa system på obestämd tid. Av dessa skäl ansågs bara diskussionen om geoteknik vara en farlig distraktion för beslutsfattare som överväger hur de ska hantera den globala uppvärmningen. Prinn säger att han fram till för några år sedan trodde att dess förespråkare var borta från djupet.

Multimedia

• Prinn video

• Wright video

Det är inte bara en fransidé längre. Storbritanniens Royal Society publicerade en rapport om geoteknik i september som beskrev de kommande forsknings- och politiska utmaningarna. National Academies i USA arbetar med en liknande studie. Och John Holdren, chefen för Vita husets kontor för vetenskap och teknologipolitik, kom med idén strax efter att han utsågs. Klimatförändringarna sker snabbare än någon tidigare förutspått, sa han under ett samtal. Om vi ​​blir tillräckligt desperata kan vi försöka ägna oss åt geoteknik för att försöka skapa kyleffekter. För att förbereda oss, sa han, måste vi förstå möjligheterna och de möjliga biverkningarna. Till och med den amerikanska kongressen har nu intresserat sig och höll sina första utfrågningar om geoteknik i november.

Geoteknik kan vara en hemsk idé, men det kan vara bättre än att inte göra någonting, säger Schrag. Till skillnad från många tidigare förespråkare tror han inte att det är ett alternativ till att minska utsläppen av växthusgaser. Det är ingen technofix. Det är inte ett plåster. Det är ett stopp, säger han. Det finns potentiella biverkningar, ja. Men det kan vara bättre än alternativet, som är att blöda ihjäl.

FEM GEOENGINEERINGSSYSTEM
Forskare och entreprenörer har föreslagit tillvägagångssätt som sträcker sig från det relativt billiga och enkla till det utarbetade. Här är de som har fått mest uppmärksamhet hittills.
Sulfatinjektion: Flygplan, eller en slang upphängd av hundratals vingformade ballonger, kan injicera aerosoler i den övre atmosfären. Partiklarna skulle reflektera ljus och skugga jorden. Fördelar: Det kan vara billigt och snabbverkande, kyla jorden på månader. Nackdelar: Det kan orsaka torka. Injektioner kan behöva fortsätta i hundratals år. Fotokredit: Brown Bird Design

Söndagsstormar

Idén med geoengineering har en lång historia. På 1830-talet ville James Espy, den första federalt finansierade meteorologen i USA, bränna stora delar av appalacherna varje söndagseftermiddag, förutsatt att värmen från bränderna skulle framkalla regelbundna regnstormar. Mer än ett sekel senare övervägde meteorologer och fysiker i USA och Sovjetunionen var för sig en rad system för att förändra klimatet, ofta med målet att värma upp nordliga breddgrader för att förlänga växtsäsongerna och rensa farleder genom Arktis.

1974 föreslog en sovjetisk forskare, Mikhail Budyko, först vad som idag förmodligen är den ledande planen för att kyla ner jorden: injicera gaser i atmosfärens övre delar, där

de skulle bilda mikroskopiska partiklar för att blockera solljus. Idén bygger på ett naturfenomen. Med några decennier får en vulkan utbrott så våldsamt att den skickar flera miljoner ton svavel – i form av svaveldioxid – mer än 10 kilometer in i atmosfärens övre delar, en region som kallas stratosfären. De resulterande sulfatpartiklarna sprider sig snabbt och förblir suspenderade i flera år. De reflekterar och sprider solljus, vilket skapar ett dis som bleker blå himmel och orsakar dramatiska solnedgångar. Genom att minska mängden solljus som når ytan sänker diset också dess temperatur. Detta är vad som hände efter utbrottet 1991 av Mount Pinatubo i Filippinerna, som släppte ut cirka 15 miljoner ton svaveldioxid i stratosfären. Under de kommande 15 månaderna sjönk medeltemperaturen med en halv grad Celsius. (Inom några år satte sig sulfaterna ut ur stratosfären och kyleffekten var borta.)

Forskare uppskattar att kompensation för ökningen av koldioxidnivåerna som förväntas under detta århundrade skulle kräva att mellan en miljon och fem miljoner ton svavel pumpas in i stratosfären varje år. Olika strategier för att få upp allt svavel där har föreslagits. Miljardärsinvesteraren Nathan Myhrvold, tidigare teknikchef på Microsoft och grundare och VD för Intellectual Ventures, baserad i Bellevue, WA, har tänkt på flera, varav en utnyttjar det faktum att koleldade kraftverk redan släpper ut enorma mängder av svaveldioxid. Dessa utsläpp håller sig nära marken och regn tvättar bort dem ur atmosfären inom ett par veckor. Men om föroreningen kunde nå stratosfären, skulle den cirkulera i flera år, och kraftigt multiplicera dess påverkan på att reflektera solljus. För att få in svavlet i stratosfären, föreslår Myhrvold, varför inte använda en flexibel, uppblåsbar varmluftsballong skorsten 25 kilometer hög? Utsläppen från bara två koleldade anläggningar kan lösa problemet, säger han. Han uppskattar att hans lösning skulle kosta mindre än 100 miljoner dollar per år, inklusive kostnaden för att ersätta ballonger som skadats av stormar.

Molnljusning: Små droppar gjorda genom att spraya en extremt fin dimma av havsvatten i lågt liggande moln kan få dem att reflektera mer solljus än vanliga moln. Fördelar: Skuggning kan vara målinriktad - för att stoppa smältningen av ishavet i Arktis, till exempel. Nackdelar: Forskare vet inte hur det skulle påverka nederbörd och temperaturer över land, där det skulle betyda mest.

Inte överraskande är klimatforskare inte redo att skriva under på ett sådant upplägg. Vissa problem är uppenbara. Ingen har någonsin försökt bygga en 25 kilometer lång skorsten, för det första. Dessutom förstår forskare inte atmosfärisk kemi tillräckligt bra för att vara säkra på vad som skulle hända; långt ifrån att lindra klimatförändringarna kan det få katastrofala konsekvenser att skjuta in tonvis av sulfater i stratosfären. Kemin är för komplex för att vi ska kunna vara säkra, och klimatmodeller är inte tillräckligt kraftfulla för att berätta hela historien.

Vi vet att Pinatubo kylde jorden, men det är inte frågan, säger Schrag. Medeltemperaturen är inte det enda problemet. Du måste också ta hänsyn till regionala variationer i temperatur och effekter på nederbörd, förklarar han – just de saker som klimatmodeller är notoriskt dåliga på att ta hänsyn till. Prinn håller med: Om vi ​​sänker nivåerna av solljus är vi osäkra på klimatsystemets exakta reaktion på att göra det, av samma anledning som vi inte vet exakt hur klimatet kommer att reagera på en viss nivå av växthusgaser. Han tillägger, det är det stora problemet. Hur kan du konstruera ett system som du inte helt förstår?

De faktiska effekterna av Mount Pinatubo var i själva verket komplexa. Klimatmodeller vid den tiden förutspådde att genom att minska mängden solljus som träffar jordens yta, skulle diset av sulfater som produceras i ett sådant utbrott minska avdunstning, vilket i sin tur skulle minska mängden nederbörd över hela världen. Nederbörden minskade – men med mycket mer än forskarna hade förväntat sig. Året efter Mount Pinatubo hade den överlägset lägsta mängden nederbörd någonsin, säger Kevin Trenberth, senior forskare vid National Center for Atmospheric Research i Boulder, CO. Faktum är att det var 50 procent lägre än den tidigare låga för något år . Effekterna var dock inte enhetliga; på vissa ställen ökade faktiskt nederbörden. Ett mänskligt konstruerat sulfatdö kan ha liknande oförutsägbara resultat, varnar forskare.

Havsbefruktning: Att tillföra järn eller andra näringsämnen till havet kan främja algblomning, som skulle fånga upp koldioxid och lagra en del av den djupt i havet. Fördelar: Det skulle direkt ta itu med roten till klimatförändringen: koldioxid i atmosfären. Nackdelar: I bästa fall kan det kompensera en åttondel av de utsläpp av växthusgaser som tillskrivs människor, och det kan skada ekosystemen.

Även i bästa fall, där biverkningar

är små och hanterbara, skulle kylning av planeten genom att avleda solljus inte minska koldioxiden i atmosfären, och förhöjda nivåer av den gasen har konsekvenser utöver att höja temperaturen. En är att havet tar upp mer koldioxid och blir surare som ett resultat. Det skadar skaldjur och vissa former av plankton, en viktig matkälla för fiskar och valar. Fiskeindustrin kan bli ödelagd. Dessutom kommer koldioxidnivåerna att fortsätta att stiga om vi inte tar itu med dem direkt, så all solljusreducerande teknologi måste kontinuerligt höjas för att kompensera för deras uppvärmningseffekter.

Och om geotekniken måste stoppas – säg av miljömässiga eller ekonomiska skäl – skulle de högre nivåerna av växthusgaser orsaka en abrupt uppvärmning. Även om geotekniken fungerade perfekt, säger Raymond Pierrehumbert, professor i geofysiska vetenskaper vid University of Chicago, är du fortfarande i den situationen att hela planeten bara är ett globalt krig eller depression från att drabbas med kanske hundra år. global uppvärmning på mindre än ett decennium, vilket verkligen är katastrofalt. Geoteknik, om den genomfördes, skulle försätta jorden i ett extremt prekärt tillstånd.

Smartare sulfater

Att ta reda på konsekvenserna av olika geoengineeringsplaner och utveckla strategier för att göra dem säkrare och mer effektiva kommer att ta år, eller till och med årtionden, av forskning. För varje dollar vi spenderar på att ta reda på hur man faktiskt gör geoengineering, säger Schrag, måste vi spendera 10 dollar på att lära oss vad effekterna kommer att bli.

Space Shades: Biljontals skivor som skjuts ut i rymden kan reflektera inkommande solljus. Fördelar: Rymdbaserade system förorenar inte atmosfären. Väl på plats skulle de kyla jorden snabbt. Nackdelar: Tekniken kan ta årtionden att utveckla. Och att lansera biljoner diskar är fantastiskt dyrt.

Till att börja med är forskare inte ens säkra på att sulfater som levereras under loppet av decennier, snarare än i en kort vulkanisk explosion, kommer att arbeta för att kyla ner planeten. En nyckelfråga är hur mikroskopiska partiklar interagerar i stratosfären. Det är möjligt att sulfatpartiklar som tillsätts upprepade gånger till samma område med tiden skulle klumpa ihop sig. Om det hände kunde partiklarna börja interagera med längre vågig strålning än bara våglängderna för elektromagnetisk energi i synligt ljus. Detta skulle fånga en del av värmen som naturligt flyr ut i rymden, vilket orsakar en nettouppvärmningseffekt snarare än en kyleffekt. Eller så kunde de större partiklarna falla ut från himlen innan de hade en chans att avleda solens värme. För att studera sådana fenomen tänker David Keith, chef för Energy and Environmental Systems Group vid University of Calgary, experiment där ett flygplan skulle spraya en gas vid lågt ångtryck över en yta på 100 kvadratkilometer. Gasen skulle kondensera till partiklar i stratosfären, och planet skulle flyga tillbaka genom partikelmolnet för att göra mätningar. Att systematiskt ändra storleken på partiklarna, mängden partiklar i ett givet område, tidpunkten för deras frisättning och andra variabler kan avslöja nyckeldetaljer om deras mikroskala interaktioner.

Men även om beteendet hos sulfatpartiklar kan förstås och hanteras, är det långt ifrån klart hur injicering av dem i stratosfären skulle påverka stora, komplexa klimatsystem. Hittills har de flesta modellerna varit råa; först nyligen började de till exempel ta hänsyn till is- och havsströmmars rörelser. Sulfater skulle kyla planeten under dagen, men de skulle inte göra någon skillnad när solen inte skiner. Som ett resultat skulle nätterna förmodligen vara varmare i förhållande till dagar, men forskare har gjort lite för att modellera denna effekt och studera hur den kan påverka ekosystemen. På samma sätt kan du påverka årstiderna, säger Schrag: sulfaterna skulle sänka temperaturen mindre under vintern (när det är mindre dagsljus) och mer under sommaren. Och forskare har gjort lite för att förstå hur stratosfäriska cirkulationsmönster skulle förändras med tillsats av sulfater, eller exakt hur någon av dessa saker kan påverka var och när vi kan uppleva torka, översvämningar och andra katastrofer.

Om forskare kunde lära sig mer om effekterna av sulfater i stratosfären, kan det öka den spännande möjligheten till smart geoteknik, säger Schrag. Vulkanutbrott är råa verktyg som släpper ut mycket svavel under loppet av några dagar,

och allt från en plats. Men geoingenjörer kunde välja exakt var de skulle skicka sulfater in i stratosfären, samt när och hur snabbt.

Konstgjorda träd: Olika kemiska reaktioner kan användas för att fånga upp koldioxid från atmosfären för permanent lagring. Fördelar: I det långa loppet kan detta minska atmosfäriska koncentrationer av koldioxid. Det finns ingen självklar gräns för hur mycket av växthusgasen som kan lagras. Nackdelar: Det kan vara mycket dyrt och energikrävande, och det skulle ta lång tid att sänka temperaturen.

Hittills tänker vi på en väldigt förenklad sak, säger Schrag. Vi pratar om att injicera saker i stratosfären på ett enhetligt sätt. De effekter som hittills har förutspåtts är dock inte jämnt fördelade. Förändringar i avdunstning, till exempel, kan vara förödande om de orsakar torka på land, men om mindre regn faller över havet är det inte en så stor sak. Genom att dra fördel av stratosfäriska cirkulationsmönster och säsongsvariationer i väder kan det vara möjligt att begränsa de mest skadliga konsekvenserna. Man kan pulsa injektioner, säger han. Du kan bygga smarta system som kan eliminera några av dessa negativa effekter.

Istället för att avsiktligt förorena stratosfären är en annan och potentiellt mindre riskabel strategi för geoteknik att dra ut koldioxid ur luften. Men den nödvändiga tekniken skulle vara utmanande att utveckla och införa i stor skala.

I sitt labb på 10:e våningen i stadsdelen Morningside Heights på Manhattan, experimenterar Klaus Lackner, professor i geofysik vid Department of Earth and Environmental Engineering vid Columbia University, med ett material som kemiskt binder till koldioxid i luften och sedan, när den sköljs i vatten frigörs gasen i en koncentrerad form som lätt kan fångas upp. Arbetet är i ett tidigt skede. Lackners kolinfångningsanordningar ser ut som missformade provrörsborstar; de måste doppas för hand i vatten och det är svårt att snabbt försluta dem i den improviserade kammaren som används för att mäta koldioxiden de släpper ut. Men han föreställer sig automatiserade system – miljontals av dem, var och en lika stor som en liten stuga – utspridda över landsbygden nära geologiska reservoarer som kan lagra de gaser de fångar upp. Ett system baserat på detta material, beräknar han, skulle kunna ta bort koldioxid från luften tusen gånger så snabbt som träd gör nu. Andra på Columbia arbetar på sätt att utnyttja det faktum att peridotsten reagerar med koldioxid för att bilda magnesiumkarbonat och andra mineraler, vilket tar bort växthusgasen från atmosfären. Forskarna hoppas kunna påskynda dessa naturliga reaktioner.

Det är långt ifrån klart att dessa idéer för att fånga kol kommer att vara praktiska. Vissa kan till och med kräva så mycket energi att de skapar en nettoökning av koldioxid. Men även om det tar oss hundra år att lära oss hur man gör det, säger Pierrehumbert, är det fortfarande användbart, eftersom CO2 naturligtvis tar tusen år att komma ut ur atmosfären.

Krigets frön

Flera befintliga geoengineeringschemes kunde dock prövas relativt billigt och enkelt. Och även om ingen vet om de skulle vara säkra eller effektiva, betyder det inte att de inte kommer att prövas.

David Victor, chef för Laboratory on International Law and Regulation vid University of California, San Diego, ser två scenarier där det kan hända. Först, det desperata Hail Mary-passet: Ett land som är ganska sårbart för klimatförändringar är desperat efter att ändra resultat och ser att ansträngningarna att minska utsläppen inte bär frukt. Grova geotekniksystem kan vara mycket billiga, och därför kan det här alternativet till och med vara tillgängligt för en Trinidad eller Bangladesh – den förra rik på gasexport och ganska sårbar, och den senare fattig men tillräckligt stor för att kunna göra något som ses som väsentligt för överlevnad. Och för det andra, det arroganta ingenjörsscenariot i sovjetisk stil: ett land som drivs av ingenjörer och som inte är alltför exponerat för den allmänna opinionen eller för avvikande röster åtar sig geoteknik som ett nationellt uppdrag – ungefär som massiv konstruktion av dåligt designade kärnreaktorer, projekt för avledning av floder, vidarebosättning av befolkningar och andra nationella uppdrag som är svåra att fullfölja när allmänheten är informerad, lyhörd och vid makten. I båda fallen kan ett enda land som agerar ensamt påverka klimatet i hela världen.

Hur skulle världen reagera? I extrema fall, säger Victor, kan det leda till krig. Vissa länder

kan invända mot att kyla jorden, särskilt om högre temperaturer har gett dem fördelar som längre växtsäsonger och mildare vintrar. Och om geoengineering minskar nederbörden kan länder som har upplevt torka på grund av global uppvärmning drabbas ännu mer.

Inga nuvarande internationella lagar eller avtal skulle tydligt hindra ett land från att ensidigt starta ett geoteknikprojekt. Och för lite är känt nu för att ett styrande organ som FN ska kunna fastställa sunda regler – regler som i alla fall kan ignoreras av ett land som är inställt på att försöka rädda sig från en klimatkatastrof. Victor säger att det bästa hoppet är att ledande forskare runt om i världen samarbetar för att så tydligt som möjligt fastställa vilka faror som kan vara inblandade i geoteknik och hur, om alls, den kan användas. Genom öppen internationell forskning, säger han, kan vi öka oddsen – inte till 100 procent – ​​att ansvarsfulla normer skulle uppstå.

Redo eller inte

2006 skrev Paul Crutzen, den holländska forskaren som vann Nobelpriset i kemi för sina upptäckter om utarmningen av det stratosfäriska ozonskiktet, en uppsats i tidskriften Klimatförändringar där han förklarade att ansträngningarna att minska utsläppen av växthusgaser har varit grovt misslyckade. Han efterlyste ökad forskning om genomförbarheten och miljökonsekvenserna av klimatteknik, även om han medgav att injicering av sulfater i stratosfären kan skada ozonskiktet och orsaka stora, oförutsägbara bieffekter. Trots dessa faror, sade han, kan klimatteknik i slutändan vara det enda tillgängliga alternativet för att snabbt minska temperaturhöjningarna.

På den tiden var Crutzens uppsats kontroversiell, och många forskare kallade den oansvarig. Men sedan dess har det tjänat till att föra ut geoengineering i det fria, säger David Keith, som började studera ämnet 1989. Efter att en vetenskapsman av Crutzen, som förstod stratosfären lika bra som någon annan, gick ut för att studera sulfatinjektion som ett sätt att kyla jorden, många andra forskare var villiga att börja prata om det.

Bland de senaste omvändarna finns David Battisti, professor i atmosfäriska vetenskaper vid University of Washington. Särskilt ett problem oroar honom. Studier av värmeböljor visar att skörden sjunker kraftigt när temperaturerna stiger 3 °C till 4 °C över det normala – de temperaturer som MIT:s Prinn förutspår att vi kan nå även med strikta utsläppskontroller. När han talade vid ett symposium för åldersteknik vid MIT i höstas, sa Battisti: I slutet av århundradet, bara på grund av enbart temperaturen, tittar vi på en minskning med 30 till 40 procent av skörden, medan efterfrågan på grödor under de kommande 50 åren maten förväntas bli mer än fördubblad.

Battisti är väl medveten om de osäkerheter som omger geoteknik. Enligt forskning han nyligen genomförde, var de första datormodellerna som försökte visa hur skugga jorden skulle påverka klimatet avstängda med 2 °C till 3 °C i förutsägelser om regionala temperaturförändringar och med så mycket som 40 procent i förutsägelser om regional nederbörd . Men med en miljard människor som redan är undernärda och miljarder fler som skulle kunna gå hungriga om den globala uppvärmningen stör jordbruket, har Battisti motvilligt medgett att vi kan behöva överväga en klimatteknisk patch. Bättre data och bättre modeller kommer att hjälpa till att klargöra effekterna av geoteknik. Ge oss 30 eller 40 år så är vi där, sa han vid MIT-symposiet. Men om 30 till 40 år, på den nivå vi ökar CO2, kommer vi att behöva detta, oavsett om vi är redo eller inte.

Kevin Bullis är Teknikgranskning energiredaktör.

Dölj