Стеклянная пыль, искусственные вулканы и фертилизация океана. Сможет ли геоинженерия остановить глобальное потепление

«Наш дом в огне» — девиз современных экоактивистов, кричащий о невозможности игнорировать изменение климата. ООН называет глобальное потепление климатической катастрофой, которая приведет к разрушению экосистем, природным катаклизмам, дефициту воды и еды и массовой миграции, в результате которой миллионы людей станут климатическими беженцами. Решить проблему обещает геоинженерия — глобальное направленное изменение климата. Биолог Марина Слащева рассказывает, что это такое, как ученые предлагают преобразовывать климат Земли и какие угрозы несет вмешательство в одну из самых сложных систем на планете.

Главный источник климатического кризиса — сжигание полезных ископаемых и последующая эмиссия парниковых газов. Цель Парижского соглашения, принятого в 2015 году и подписанного 55 странами, — снизить эмиссию настолько, чтобы рост глобальной средней температуры не превышал двух, а лучше полутора градусов Цельсия до конца века. Однако уже в 2019 году глобальная средняя температура увеличилась на один градус по сравнению с доиндустриальным периодом, и такими темпами к концу столетия она может подняться на три градуса, которые ученые называют точкой невозврата для планетарной экосистемы. Удержание глобального потепления на уровне двух градусов требует радикального снижения эмиссии парниковых газов, к чему ни корпорации, ни политики пока явно не готовы, поэтому всё чаще звучат предложения по радикальной модификации климата — геоинженерии.

Первые идеи геоинженерии расцвели на волне послевоенного технологического оптимизма и попали в фокус научных исследований СССР и США. В 1950-х и 1960-х они еще не были направлены на борьбу с глобальным потеплением, а скорее изучались в рамках гонки вооружений — в качестве потенциального инструмента военных действий. Американских исследователей особенно интересовал контроль и усиление дождей, а в Советском Союзе даже звучали идеи уничтожения арктических ледников для нагрева страны.

В 1966 году, во время войны во Вьетнаме, США впервые использовали засев облаков как климатическое оружие: распыляемый с самолетов иодид серебра вызвал осадки, превышающие норму в три раза. О действиях военных во Вьетнаме обществу стало известно только спустя несколько лет, и в 1976 году ООН выпустила конвенцию, запрещающую использовать климатические модификации в военных или других враждебных целях.

Но исследования в области геоинженерии продолжались. Сегодня для каждой бреши, пробитой глобальным потеплением на земле, в океане или в воздухе, ученые или бизнесмены предлагают свою «технологическую заплатку». Планета слишком сильно нагревается из-за парниковых газов — отразим или повернем солнечные лучи, чтобы грели меньше. Слишком много углекислого газа в атмосфере — попытаемся загнать джинна обратно в бутылку и собрать газ. А океан настолько огромен, что, кажется, способен, помимо пластика, поглощать те же самые парниковые газы. В то время как некоторые методы выглядят явно рискованными, другие начинают казаться приемлемыми даже некоторым ученым, хотя их последствия не только не изучены до конца, но и вряд ли могут быть изучены в принципе. Правда ли, что перед лицом катастрофы лучше рискнуть?

Солнышко в руках

Можно ли как-то противостоять глобальному потеплению, охладив планету? Идеи искусственного снижения температуры относятся к области управления солнечным излучением. Ученым не пришлось долго ломать голову над тем, как сделать так, чтобы на Землю попадало меньше солнечных лучей. Достаточно было понаблюдать за извержениями вулканов, при которых в атмосферу попадает большое количество пепла и газов, таких как диоксид серы, который эффективно отражает солнечные лучи.

Влияние извержения вулкана на климат может быть очень масштабным. Ученые полагают, что вулканическая зима 535 года — сильное охлаждение всей планеты — была обусловлена мощным извержением вулкана, так как следы соединений серы обнаруживаются в ледниках того периода. Точно виновник события неизвестен, но среди подозреваемых — вулкан Кракатау в Индонезии. Он снова мощно извергался в 1883 году, и хотя это событие не задокументировано досконально, считается, что его извержение привело к охлаждению Северного полушария на 0,4 градуса в течение следующего года.

Другое извержение — вулкана Пинатубо на Филиппинах — в 1991 году унесло сотни жизней и было признано одним из самых разрушительных в XX веке. В атмосферу попало около 20 тонн диоксида серы. Облако распространилось по всей стратосфере и привело к глобальному снижению температуры на полградуса Цельсия в течение двух лет. Извержение Пинатубо можно назвать самым крупным естественным современным экспериментом по геоинженерии.

Благодаря вулканам возникла идея искусственно распылять аэрозоли, содержащие сульфаты (соединения серы) или другие частицы с отражательной способностью, в нижних слоях атмосферы, например с вертолетов или гигантских воздушных шаров.

Выражаясь научно, это называется увеличением альбедо стратосферы. Альбедо — отражательная способность любой поверхности, в этом случае атмосферы. Чем лучше атмосфера отражает солнечные лучи, не пропуская их к поверхности Земли, тем выше альбедо.

Главная проблема метода в том, что однозначных выводов о его использовании сделать практически невозможно. Чтобы предсказать эффект распыления аэрозолей в стратосфере, нужно проводить эксперименты в небольших масштабах. Но в таких экспериментах аэрозоли быстро распыляются в воздухе, а результаты нельзя экстраполировать на глобальное применение. В реальности же даже небольших, хорошо контролируемых исследований проведено не было.

В 2010 году в журнале «Российская метеорология и гидрология» вышла статья, где российские ученые заявили о первом эксперименте по распылению аэрозоля в стратосфере с самолета на протяжении десяти километров. В статье не указан химический состав аэрозоля, лишь говорится, что «отражательная способность и средний размер частиц были близки к естественному аэрозолю, извергаемому вулканами». Сообщается, что аэрозоль снизил солнечное излучение в зоне распыления на один процент, но, похоже, международное сообщество не обратило внимания на эти результаты.

За прошедшее десятилетие на Западе ближе всего к «полевым» испытаниям подошли британский проект SPICE (Stratospheric Particle Injection for Climate Engineering) и гарвардская группа SCoPEx (Stratospheric Controlled Perturbation Experiment). Эксперименты обоих были отложены из-за давления общественности, и группа из Гарварда недавно выпустила теоретическую статью, в которой последствия глобальной солнечной геоинженерии моделируются с помощью компьютера.

Другой известный проект — «Арктический лед» (Arctic Ice Project) — собирается повышать отражательную способность арктических ледников, что позволит отражать больше солнечных лучей обратно в атмосферу, а также сохранит стремительно тающие ледники. Команда «Арктического льда» собирается распылять микроскопические стеклянные частицы, очень похожие на песок, по поверхности арктического льда и уже проводит испытания на озерах Аляски. Лед на этих озерах летом тает, и ученые могут изучить дальнейшую судьбу стеклянных частиц и их влияние на экосистему. В отличие от микропластика эти частицы совершенно безопасны для животных (даже если их проглотить) и экосистемы, поэтому такой сценарий называется «мягкой» геоинженерией. В настоящий момент испытания приостановлены из-за пандемии.

Похожая инициатива осуществляется в Швейцарии на протяжении последнего десятилетия: местные жители пытаются предотвратить таяние альпийских ледников, накрывая их огромными белыми одеялами, отражающими солнечные лучи. Даже такие низовые меры, по словам эксперта по ледникам Дэвида Волькена, могут сократить таяние ледника на 70%, хотя это никак не решает проблему глобального потепления.

Природа подбросила ученым еще одно возможное решение: некоторые культурные растения, употребляемые в пищу, обладают высоким альбедо, то есть отражают солнечные лучи лучше, чем другие. К таким относятся растения с крупными блестящими листьями, покрытыми восковым налетом, например некоторые сорта ячменя и кукурузы, и эти свойства могут быть дополнительно улучшены с помощью генной инженерии. Вероятно, в XXI веке станет популярной диета с высоким альбедо. По крайней мере разведение агрокультур, эффективно отражающих солнечные лучи, кажется более безобидным, чем предложения вырубить леса в заснеженных регионах, чтобы создать сплошную гладкую подушку снега, отражающую солнце.

В области солнечной геоинженерии нет ни одного метода с доказанными безопасностью и эффективностью.

В случае изменения отражательной способности атмосферы ученые больше всего опасаются глобальной разбалансировки климата. Улучшив ситуацию в одной точке планеты, солнечная геоинженерия может сильно ухудшить ее в другой: нарушить систему муссонов и усугубить засуху в Африке и Азии, в результате чего почти два миллиона людей могут остаться без источников еды и воды. А в долгосрочной перспективе солнечная геоинженерия может оказаться бомбой замедленного действия: что нас ждет, если распыление аэрозоля с отражающими частицами внезапно прекратится? Такой сценарий называют «шоком терминации» (termination shock), и некоторые данные показывают, что в результате внезапного прекращения подобных вмешательств глобальная температура может резко возрасти, и это приведет к массовой гибели экосистем.

Наконец, слабое место солнечной геоинженерии в том, что ее методы никак не решают проблему повышенной концентрации парниковых газов в атмосфере, а только ставят глобальное потепление на паузу, за время которой люди, предположительно, станут сжигать меньше полезных ископаемых или придумают что-то еще.

Поймай меня, если сможешь

Более прямым подходом геоинженерии к решению проблемы глобального потепления является извлечение парниковых газов из атмосферы, которое еще называют негативной эмиссией. Растения поглощают углекислый газ естественным образом, но посадка лесов может быть не только неэффективной, но и вредной, поэтому ученые ищут другие способы извлечения углекислого газа из воздуха

Компания Carbon Engineering под руководством гарвардского профессора Дэвида Кейта развивает технологию прямого захвата воздуха (direct-air capture).

В ней большие объемы воздуха прогоняются через гигантские вентиляторы, где углекислый газ растворяется в щелочной жидкости и, проходя несколько этапов химической обработки, сам превращается в жидкость. Дальше есть два варианта его использования. При смешивании с водородом его можно конвертировать в бензин или дизель и использовать вновь как топливо. Хотя сжигание топлива приводит к выбросу углекислого газа обратно в атмосферу, Кейт отмечает, что это топливо с нейтральной эмиссией, так как оно произведено без дополнительной добычи полезных ископаемых.

Второй вариант нацелен на негативную эмиссию и предполагает перманентное хранение сжиженного углекислого газа в резервуарах глубоко под землей. Возможность такого хранения огромных запасов углекислого газа подвергается критике: это экономически невыгодно и требует субсидий, резервуары могут разрушиться по многим причинам, включая естественные катаклизмы и движение тектонических плит, и, наконец, углекислый газ в таких концентрациях крайне токсичен для растений и животных. Тем не менее компания Carbon Engineering интересна тем, что первая предложила расчеты стоимости захвата углекислого газа из воздуха и собирается коммерциализировать разработку к 2021 году, зарабатывая на продаже топлива с нейтральной эмиссией.

Еще одна идея по извлечению углекислого газа из атмосферы известна уже более тридцати лет и за это время фигурировала в нескольких крупных скандалах. В 1988 году океанограф Джон Мартин сказал: «Дайте мне полтанкера железа, и я устрою вам ледниковый период». Его идея заключалась в следующем: фитопланктон в океане (одноклеточные фотосинтезирующие водоросли) может эффективно поглощать углекислый газ из воздуха, но его размножение ограничивается количеством в воде нутриентов, таких как железо. Если обойти это бутылочное горлышко и насытить океан железом, то фитопланктон сможет размножаться эффективнее и поглощать гораздо больше углекислого газа, после этого оседая на дно и депонируя там углерод.

Джон Мартин верил, что таким образом можно обратить глобальное потепление вспять и даже охладить планету. Сейчас этот способ называют фертилизацией океана. Предполагается, что так можно убить сразу двух зайцев: стремительный рост зеленых водорослей не только позволяет активно извлекать углекислый газ из атмосферы, но и преобразует пищевую цепь и создает больше биомассы, которой могут питаться другие обитатели океана. За счет этого популяция промысловых рыб может восстанавливаться и даже расти — очень заманчивое предложение для рыбопромысловых уголков Земли, где популяция рыб в последние годы стабильно снижается.

За последние тридцать лет было проведено по крайней мере 13 экспериментов по фертилизации океана разного масштаба.

Особенно прославился бизнесмен Русс Джордж — основатель стартапа Planktos, в планы которого входило сбросить несколько тонн железа в международные воды у Галапагосских островов в 2007 году. Тогда же стартап начал продавать «углеродные компенсации» (carbon offsets) — своего рода индульгенции, позволяющие компаниям повысить эмиссию парниковых газов, которую Planktos компенсировал бы за счет своей технологии фертилизации океана. Из-за давления общественности от эксперимента пришлось отказаться, и Planktos, получивший солидную дозу негативна в публичном пространстве, объявил о банкротстве.

Но вскоре Русс Джордж, уже с новой компанией (Haida Salmon Restoration Corporation) и совершенно иной риторикой, появился у берегов Британской Колумбии, где пообещал коренным индейцам хайда увеличить популяцию лосося и получил от них финансирование. В 2012 году компания Джорджа сбросила более 100 тонн сульфата железа у канадского побережья в Тихом океане, хотя формально морская геоинженерия запрещена Конвенцией ООН о биологическом разнообразии и поправкой к Лондонской конвенции по предотвращению загрязнения моря. Этот эксперимент вызвал еще больший международный резонанс, и канадское правительство даже начало расследование против Джорджа, которое спустя годы так ни к чему и не привело, поскольку конвенции не имеют особой законодательной силы.

Без сомнений, фертилизация океана вызывает взрывной рост фитопланктона — это легко обнаружить в толще воды и даже по фотографиям со спутников. Но никаких подтверждений того, что популяция рыбы растет, а углерод эффективно оседает на дне вместе с мертвым фитопланктоном, нет. По поводу последнего приходится только спекулировать, так как количество депонированного углекислого газа практически невозможно измерить. Зато у ученых есть множество опасений, связанных с последствиями фертилизации океана и ее влиянием на морские экосистемы. Отчет Конвенции о биологическом разнообразии описывает основные из них.

Во-первых, не весь фитопланктон, фиксирующий углекислый газ, одинаково полезен: водоросли-динофлагелляты могут производить токсичные вещества, которые отравляют рыбу и могут быть опасны для людей, употребляющих рыбу с накопившимися токсинами (это явление известно как красные приливы). Хотя высокий уровень токсинов при фертилизации не наблюдался напрямую, в одном из экспериментов был зафиксирован рост популяции динофлагеллят. Сами динофлагелляты не зависят от железа, но они питаются органическими веществами, выделяемыми цианобактериями, рост которых, в свою очередь, напрямую зависит от концентрации железа в воде. Так что рост водорослей, выделяющих токсины, является существенной опасностью и для рыб, и для людей, и, вероятно, их токсичный эффект либо не тестировался в некоторых экспериментах, либо не выявлялся из-за небольших масштабов фертилизации.

Во-вторых, фертилизация океана ведет к разным биохимическим изменениям в воде. Активный рост фитопланктона может привлекать не только рыб. Избыточное количество сине-зеленых водорослей после смерти оседает на дно океана, где ими любят лакомиться бактерии. Но бактерии, разлагая органику, потребляют кислород, что может привести к его нехватке в воде — гипоксии. Недостаток кислорода, растворенного в воде, негативно сказывается на многих обитателях океана, в том числе рыбах, и даже может приводить к их смерти. Но концентрация кислорода в толще воды не исследовалась ни в одном из экспериментов по фертилизации.

Кроме того, углекислый газ является главной причиной закисления океана. Естественный океан имеет слегка щелочную среду, но из-за растворения в воде углекислого газа, концентрация которого значительно повысилась в атмосфере за последние десятилетия, pH снижается и вода становится более кислотной. Попытки извлечь углекислый газ из атмосферы за счет океана могут привести к ускорению его закисления. А pH воды сказывается на процессах минерализации, делая кости и скелеты морских животных более ломкими и уязвимыми. Эти изменения могут быть настолько глобальны, что их влияние на морскую экосистему предсказать невозможно.

Наконец, в борьбе с глобальным потеплением фертилизация океана может оказать медвежью услугу: чрезмерное количество фитопланктона влияет на круговорот азота в океане, в результате чего в атмосферу может выделяться оксид азота (N2O). Повышенная концентрация этого газа наблюдалась в некоторых экспериментах по фертилизации. Оксид азота тоже является парниковым газом, но куда более опасным: его парниковый эффект в 300 раз превышает эффект углекислого газа. Кроме того, при фертилизации как побочные продукты могут выделяться диметилсульфид и метан, которые обладают похожими эффектами. Из-за этого все усилия по переносу СО₂ в океан могут оказаться бессмысленными.

Сели бы вы в самолет, который, по идее, должен летать, но экспериментальных доказательств этому нет? Марсия Макнатт, геофизик и президент Национальной академии наук США, отмечает, что термин «геоинженерия» не совсем корректный, потому что любая «инженерия» подразумевает точность в расчетах и знание того, как устроена система, чего явно нельзя сказать о геоинженерии. В настоящий момент все идеи манипуляции климатом выглядят рискованными. Они могут повлечь за собой глобальный сбой в системе ветров и осадков, гибель животных или целых экосистем, ускоренное закисление океана и шок терминации, в случае если человечество решится на такие меры, но что-то внезапно пойдет не по плану.

Помимо этого геоинженерию окружает огромное количество социополитических проблем, в первую очередь — кто будет принимать решение о применении таких серьезных мер? С учетом современного уровня международной кооперации возникают серьезные опасения, что решение окажется в руках развитых и защищенных стран, а все последствия будут испытывать на себе бедные страны, расположенные в засушливых регионах. Такой сценарий называют односторонней геоинженерией.

Еще страшнее ситуация, в которой в ответ на меры преобразования климата одних стран другие, опасаясь засухи или иных последствий, начнут принимать противоположные меры — контргеоинженерии. Это может превратиться в масштабную климатическую войну.

Некоторые предлагают решать проблему односторонней геоинженерии с помощью «гражданской» геоинженерии: передать действия по изменению климата в руки миллионов человек, сделав систему полностью децентрализованной. Например, миллионы людей могли бы за совсем небольшие деньги запускать миллионы воздушных шаров, наполненных диоксидом серы, который, попадая в атмосферу, отражал бы больше солнечных лучей, — своеобразный климатический DIY. Но в таком случае процесс может стать еще более неконтролируемым и ответственных за него невозможно будет найти. Также справедливо, что обещания починить климат на планете с помощью геоинженерии поощряют политическое бездействие: политикам проще поддерживать текущий курс, ориентированный на сжигание полезных ископаемых, чем срочно внедрять достаточно жесткие и не особо популярные меры по сокращению эмиссии парниковых газов.

Неизвестно, станет ли геоинженерия спасением в будущем, но однозначно не стоит прибегать к таким мерам только потому, что у нас не осталось другого выбора. Методы геоинженерии требуют больше независимых и хорошо контролируемых исследований, чтобы мы могли лучше взвесить выгоду от их применения и риски, которые человечество берет на себя, вмешиваясь в климат на всей планете.