Injeção estratosférica de aerossol - Stratospheric aerosol injection

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Balão com fio proposto para injetar aerossóis na estratosfera.

A injeção de aerossol estratosférico é um método proposto de geoengenharia solar (ou modificação da radiação solar) para reduzir as mudanças climáticas induzidas pelo homem . Isso introduziria aerossóis na estratosfera para criar um efeito de resfriamento via escurecimento global , que ocorre naturalmente a partir de erupções vulcânicas . Parece que a injeção de aerossol estratosférico, em uma intensidade moderada, poderia contrariar a maioria das mudanças de temperatura e precipitação, ter efeito rápido, ter baixos custos diretos de implementação e ser reversível em seus efeitos climáticos diretos. O Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas conclui que "é o método [geoengenharia solar] mais pesquisado, com grande concordância de que poderia limitar o aquecimento a menos de 1,5 ° C." No entanto, como outras abordagens de geoengenharia solar, a injeção de aerossol estratosférico faria isso de maneira imperfeita e outros efeitos são possíveis, particularmente se usada de maneira subótima.

Em 2021 havia pouca pesquisa e os aerossóis naturais existentes na estratosfera não eram bem compreendidos, então não há uma ideia clara de qual material seria usado. Alumina , calcita e sal estão sendo considerados. O principal método de entrega proposto é a aeronave customizada .

Métodos

Materiais

Várias formas de enxofre foram propostas como substância injetada, pois é em parte como as erupções vulcânicas resfriam o planeta. Gases precursores, como dióxido de enxofre e sulfeto de hidrogênio , foram considerados. De acordo com as estimativas, "um quilo de enxofre bem colocado na estratosfera compensaria aproximadamente o efeito de aquecimento de várias centenas de milhares de quilos de dióxido de carbono". Um estudo calculou o impacto da injeção de partículas de sulfato, ou aerossóis , a cada um a quatro anos na estratosfera em quantidades iguais às elevadas pela erupção vulcânica do Monte Pinatubo em 1991 , mas não abordou os muitos desafios técnicos e políticos envolvidos no potencial esforços de geoengenharia solar. O uso de ácido sulfúrico gasoso parece reduzir o problema de crescimento de aerossol. Materiais como partículas fotoforéticas , dióxido de titânio e diamante também estão sendo considerados.

Entrega

Várias técnicas foram propostas para fornecer o aerossol ou gases precursores. A altitude necessária para entrar na estratosfera é a altura da tropopausa , que varia de 11 quilômetros (6,8 mi / 36.000 pés) nos pólos a 17 quilômetros (11 mi / 58.000 pés) no equador.

  • Aeronaves civis, incluindo o Boeing 747-400 e Gulfstream G550 / 650, C-37A poderiam ser modificados a um custo relativamente baixo para entregar quantidades suficientes de material necessário de acordo com um estudo, mas um metastudo posterior sugere que uma nova aeronave seria necessária, mas fácil de desenvolve.
  • Aeronaves militares como a variante F15-C do F-15 Eagle têm o teto de vôo necessário , mas carga útil limitada. Aeronaves militares, como o KC-135 Stratotanker e o KC-10 Extender, também possuem o teto necessário e maior capacidade de carga útil.
  • A artilharia modificada pode ter a capacidade necessária, mas requer uma carga de pólvora poluente e cara para elevar a carga útil. A artilharia ferroviária pode ser uma alternativa não poluente.
  • Os balões de grande altitude podem ser usados ​​para levantar gases precursores, em tanques, bexigas ou no envelope dos balões.

Sistema de injeção

A latitude e a distribuição dos locais de injeção foram discutidas por vários autores. Embora um regime de injeção quase equatorial permita que as partículas entrem na perna ascendente da circulação Brewer-Dobson , vários estudos concluíram que um regime de injeção mais amplo e de latitude mais alta reduzirá as taxas de fluxo de massa de injeção e / ou produzirá benefícios climáticos. A concentração da injeção do precursor em uma única longitude parece ser benéfica, com a condensação sobre as partículas existentes reduzida, dando melhor controle da distribuição do tamanho dos aerossóis resultantes. O longo tempo de residência do dióxido de carbono na atmosfera pode exigir um compromisso de escala de milênio com o SRM se a redução agressiva das emissões não for buscada simultaneamente.

Formação de aerossol

A formação de aerossol primário, também conhecida como formação de aerossol homogêneo, ocorre quando SO gasoso
2combina-se com oxigênio e água para formar ácido sulfúrico aquoso (H 2 SO 4 ). Essa solução líquida ácida está na forma de vapor e se condensa em partículas de matéria sólida, de origem meteorítica ou de poeira transportada da superfície para a estratosfera. A formação de aerossol secundária ou heterogênea ocorre quando o vapor de H 2 SO 4 se condensa nas partículas de aerossol existentes. As partículas ou gotículas de aerossol existentes também entram em contato umas com as outras, criando partículas ou gotículas maiores em um processo conhecido como coagulação . Temperaturas atmosféricas mais altas também levam a partículas maiores. Essas partículas maiores seriam menos eficazes na dispersão da luz solar porque o pico de dispersão da luz é obtido por partículas com diâmetro de 0,3 μm.

Vantagens da técnica

As vantagens desta abordagem em comparação com outros meios possíveis de geoengenharia solar são:

  • Imita um processo natural : os aerossóis de enxofre estratosférico são criados por processos naturais existentes (especialmente vulcões ), cujos impactos foram estudados por meio de observações. Isso contrasta com outras técnicas de geoengenharia solar mais especulativas que não têm análogos naturais (por exemplo, guarda-sol espacial ).
  • Viabilidade tecnológica : Em contraste com outras técnicas propostas de geoengenharia solar, como o clareamento de nuvens marinhas , grande parte da tecnologia necessária já existe: fabricação de produtos químicos , projéteis de artilharia , aeronaves de alta altitude, balões meteorológicos , etc. Desafios técnicos não resolvidos incluem métodos para entregar o material em diâmetro controlado com boas propriedades de espalhamento.
  • Escalabilidade : Algumas técnicas de geoengenharia solar, como telhados frios e proteção contra gelo , podem fornecer apenas uma intervenção limitada no clima devido à escala insuficiente - não se pode reduzir a temperatura em mais do que uma certa quantidade com cada técnica. A pesquisa sugeriu que esta técnica pode ter um alto "potencial de forçamento" radiativo.

Incertezas

É incerto o quão eficaz qualquer técnica de geoengenharia solar seria, devido às dificuldades de modelagem de seus impactos e à natureza complexa do sistema climático global . Certos problemas de eficácia são específicos para aerossóis estratosféricos.

  • Vida útil dos aerossóis : Os aerossóis de enxofre troposférico têm vida curta. A distribuição de partículas na estratosfera inferior do Ártico normalmente garantirá que elas permaneçam no ar apenas por algumas semanas ou meses, já que o ar nesta região é predominantemente descendente. Para garantir a resistência, a entrega em altitudes maiores é necessária, garantindo uma resistência típica de vários anos, permitindo a injeção na perna ascendente da circulação de Brewer-Dobson acima da tropopausa tropical . Além disso, o dimensionamento das partículas é crucial para sua durabilidade.
  • Entrega de aerossol : Existem duas propostas de como criar uma nuvem de aerossol de sulfato estratosférico, seja através da liberação de um gás precursor ( SO
    2    ) ou a liberação direta de ácido sulfúrico ( H
    2    TÃO
    4    ) e enfrentam desafios diferentes. Se SO
    2    o gás é liberado e se oxidará para formar H
    2    TÃO
    4    e então condensar para formar gotículas longe do local da injeção. Liberando SO
    2    não permitiria controle sobre o tamanho das partículas que são formadas, mas não exigiria um mecanismo de liberação sofisticado. Simulações sugerem que, como o SO
    2    Se a taxa de liberação for aumentada, haveria retornos decrescentes no efeito de resfriamento, pois partículas maiores seriam formadas, as quais têm uma vida útil mais curta e são dispersores de luz menos eficazes. If H
    2    TÃO
    4    é liberado diretamente, então as partículas de aerossol se formariam muito rapidamente e, em princípio, o tamanho da partícula poderia ser controlado, embora os requisitos de engenharia para isso sejam incertos. Supondo uma tecnologia para H direto
    2    TÃO
    4    liberação poderia ser concebida e desenvolvida, permitiria o controle sobre o tamanho da partícula para possivelmente aliviar algumas das ineficiências associadas com SO
    2     liberar.

Custo

Os primeiros estudos sugerem que a injeção de aerossol estratosférico pode ter um custo direto relativamente baixo. O custo anual de entrega de 5 milhões de toneladas de um aerossol intensificador de albedo (suficiente para compensar o aquecimento esperado no próximo século) a uma altitude de 20 a 30 km é estimado em US $ 2 bilhões a 8 bilhões. Em comparação, as estimativas de custo anual para danos climáticos ou mitigação de emissões variam de US $ 200 bilhões a 2 trilhões.

Um estudo de 2016 descobriu que o custo por 1 W / m 2 de resfriamento está entre 5–50 bilhões de dólares americanos / ano. Como as partículas maiores são menos eficientes no resfriamento e caem do céu mais rapidamente, espera-se que o custo do resfriamento da unidade aumente com o tempo, à medida que o aumento da dose leva a partículas maiores, mas menos eficientes, por mecanismo como coalescência e amadurecimento de Ostwald. Suponha que RCP8.5, -5.5 W / m 2 de resfriamento seria necessário até 2100 para manter o clima de 2020. No nível de dose necessário para fornecer esse resfriamento, a eficiência líquida por massa de aerossóis injetados reduziria para menos de 50% em comparação com a implantação de baixo nível (abaixo de 1W / m 2 ). A uma dose total de -5,5 W / m 2 , o custo seria entre 55-550 bilhões de USD / ano quando a redução da eficiência também fosse levada em consideração, trazendo as despesas anuais a níveis comparáveis ​​a outras alternativas de mitigação.

Outros possíveis efeitos colaterais

A geoengenharia solar em geral apresenta vários problemas e riscos. No entanto, certos problemas são específicos ou mais pronunciados da injeção de sulfeto estratosférico.

  • Destruição do ozônio : é um efeito colateral potencial dos aerossóis de enxofre; e essas preocupações foram apoiadas por modelagem. No entanto, isso só pode ocorrer se quantidades altas o suficiente de aerossóis derivam ou são depositadas em nuvens estratosféricas polares antes que os níveis de CFCs e outros gases destruidores de ozônio caiam naturalmente para níveis seguros porque os aerossóis estratosféricos, juntamente com os gases destruidores de ozônio, são responsável pela destruição da camada de ozônio. Por isso, foi proposta a injeção de outros aerossóis que podem ser mais seguros, como calcita. A injeção de aerossóis sem sulfeto como calcita (calcário) também teria um efeito de resfriamento ao mesmo tempo em que neutralizaria a redução da camada de ozônio e seria esperado que reduzisse outros efeitos colaterais.
  • Branqueamento do céu : Haveria um efeito na aparência do céu a partir da injeção de aerossol estratosférico, notavelmente um leve enevoamento do céu azul e uma mudança na aparência do pôr do sol . Como a injeção estratosférica de aerossol pode afetar as nuvens permanece incerto. De acordo com um estudo sobre um ar mais limpo, a redução da poluição por aerossóis levou ao clareamento solar na Europa e na América do Norte, que foi responsável pelo aumento da produção de milho nos Estados Unidos nos últimos 30 anos.
  • Mudança de temperatura estratosférica : os aerossóis também podem absorver alguma radiação do Sol, da Terra e da atmosfera circundante. Isso muda a temperatura do ar circundante e pode impactar potencialmente a circulação estratosférica, que por sua vez pode impactar a circulação da superfície.
  • Deposição e chuva ácida : A deposição superficial de sulfato injetado na estratosfera também pode ter impacto nos ecossistemas. No entanto, a quantidade e a ampla dispersão dos aerossóis injetados significam que seu impacto nas concentrações de partículas e na acidez da precipitação seria muito pequeno.
  • Conseqüências ecológicas : As conseqüências da injeção de aerossol estratosférico nos sistemas ecológicos são desconhecidas e podem variar de acordo com o ecossistema, com impactos diferentes nos biomas marinhos e terrestres.

Pesquisa ao ar livre

Quase todo o trabalho até agora com injeção de sulfato estratosférico foi limitado a modelagem e trabalho de laboratório. Em 2009, uma equipe russa testou a formação de aerossóis na baixa troposfera usando helicópteros. Em 2015, David Keith e Gernot Wagner descreveram um potencial experimento de campo, o Stratospheric Controlled Perturbation Experiment (SCoPEx), usando injeção de carbonato de cálcio estratosférico , mas em outubro de 2020 a hora e o local ainda não haviam sido determinados.

Em 2012, o projeto de injeção de partículas estratosféricas para engenharia climática da Universidade de Bristol planejou um teste de campo limitado para avaliar um sistema de distribuição potencial. O grupo recebeu apoio do EPSRC , NERC e STFC no valor de £ 2,1 milhões e foi um dos primeiros projetos do Reino Unido com o objetivo de fornecer conhecimento baseado em evidências sobre o gerenciamento da radiação solar. Embora o teste de campo tenha sido cancelado, o painel do projeto decidiu continuar os elementos baseados em laboratório do projeto. Além disso, foi realizado um exercício de consulta a membros do público num projeto paralelo da Cardiff University , com exploração específica de atitudes face ao teste SPICE. Esta pesquisa descobriu que quase todos os participantes da pesquisa estavam dispostos a permitir que o teste de campo continuasse, mas muito poucos se sentiam confortáveis ​​com o uso real de aerossóis estratosféricos. Uma campanha de oposição à geoengenharia liderada pelo Grupo ETC elaborou uma carta aberta pedindo que o projeto fosse suspenso até que um acordo internacional seja alcançado, apontando especificamente para a próxima convenção das partes da Convenção sobre Diversidade Biológica em 2012.

Governança

A maior parte da governança existente dos aerossóis de sulfato estratosférico é aplicável ao gerenciamento da radiação solar de forma mais ampla. No entanto, alguns instrumentos legais existentes seriam relevantes especificamente para os aerossóis de sulfato estratosférico. Em nível internacional, a Convenção sobre Poluição Atmosférica Transfronteiriça de Longo Alcance (Convenção CLRTAP) obriga os países que a ratificaram a reduzir suas emissões de determinados poluentes atmosféricos transfronteiriços. Notavelmente, tanto a gestão da radiação solar quanto as mudanças climáticas (bem como os gases de efeito estufa) poderiam satisfazer a definição de "poluição do ar" que os signatários se comprometem a reduzir, dependendo de seus reais efeitos negativos. Compromissos com valores específicos dos poluentes, incluindo sulfatos, são feitos por meio de protocolos à Convenção CLRTAP. A implementação total ou os testes de campo de resposta climática em larga escala de aerossóis de sulfato estratosférico podem fazer com que os países excedam seus limites. No entanto, porque as injeções estratosféricas se espalhariam por todo o globo, em vez de se concentrarem em alguns países próximos, e poderiam levar a reduções líquidas na "poluição do ar" que a Convenção CLRTAP deve reduzir.

A injeção estratosférica de aerossóis de sulfato faria com que a Convenção de Viena para a Proteção da Camada de Ozônio fosse aplicável devido aos seus possíveis efeitos deletérios sobre o ozônio estratosférico. Esse tratado geralmente obriga suas Partes a aprovar políticas para controlar as atividades que "têm ou podem ter efeitos adversos resultantes da modificação ou provável modificação da camada de ozônio". O Protocolo de Montreal à Convenção de Viena proíbe a produção de certas substâncias destruidoras da camada de ozônio, por meio de eliminação progressiva. Os sulfatos atualmente não estão entre as substâncias proibidas.

Nos Estados Unidos, a Lei do Ar Limpo pode dar à Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos autoridade para regular os aerossóis de sulfato estratosférico.

Sementeira Welsbach

A semeadura Welsbach é um método patenteado de engenharia climática , envolvendo a semeadura da estratosfera com pequenas (10 a 100 mícrons ) partículas de óxido de metal ( dióxido de tório , óxido de alumínio ). O objetivo da semeadura de Welsbach seria "(reduzir) o aquecimento atmosférico devido ao efeito estufa resultante de uma camada de gases de efeito estufa", convertendo a energia radiativa em comprimentos de onda do infravermelho próximo em radiação em comprimentos de onda do infravermelho distante, permitindo alguns dos radiação para escapar para o espaço, resfriando a atmosfera. A semeadura conforme descrito seria realizada por aviões em altitudes entre 7 e 13 quilômetros.

Patente

O método foi patenteado pela Hughes Aircraft Company em 1991, patente US 5003186. Citação da patente:

"O aquecimento global tem sido uma grande preocupação para muitos cientistas ambientais. Os cientistas acreditam que o efeito estufa é responsável pelo aquecimento global. Quantidades muito maiores de gases que retêm o calor foram geradas desde a Revolução Industrial. Esses gases, como CO 2 , CFC , e metano, se acumulam na atmosfera e permitem que a luz do sol entre livremente, mas bloqueia o calor de escapar (efeito estufa). Esses gases são relativamente transparentes à luz do sol, mas absorvem fortemente a radiação infravermelha de longo comprimento de onda liberada pela terra. "

"Esta invenção se refere a um método para a redução do aquecimento global resultante do efeito estufa e, em particular, a um método que envolve a semeadura da estratosfera terrestre com materiais do tipo Welsbach."

Viabilidade

O método nunca foi implementado e não é considerado uma opção viável pelos atuais especialistas em geoengenharia; na verdade, o mecanismo proposto é considerado uma violação da segunda lei da termodinâmica. Os métodos de geoengenharia atmosférica propostos atualmente usariam outros aerossóis, em altitudes consideravelmente mais altas.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos