INGEGNERIA DEL TEMPO E DEL CLIMA
William R. Cotton
2008
Dipartimento di Scienze dell'atmosfera, Colorado State University, Fort Collins, CO
[A fondo pagina il documento originale in lingua inglese]
1. INTRODUZIONE
Ho preparato un position paper su "Weather and Climate Engineering" per un seminario su "Perturbed Clouds in the Climate System" organizzato dall'Institute for Advanced Studies (FIAS) di Francoforte, tenutosi a Francoforte, in Germania, nel marzo 2008. Il position position alla fine sarà un capitolo di un libro. Penso che sia opportuno condividere con la comunità delle modifiche meteorologiche i punti principali di questo documento di posizione. Il documento di sintesi evidenzia le aree di maggiore progresso nella ricerca sulle modifiche meteorologiche rilevando i maggiori successi e fallimenti. In questo documento citerò solo gli argomenti che ho trattato e mi concentrerò sugli insegnamenti tratti dal cloud seeding rilevanti per l'ingegneria climatica. Mi concentrerò principalmente sull'ingegneria del clima che definisco un sottoinsieme dello schema generale di geoingegneria che si occupa specificamente di modificare il clima della Terra. Concluderò con raccomandazioni e preoccupazioni che ho sull'attuazione delle strategie di ingegneria del clima.
Devo notare che questo è scritto dal punto di vista di uno scienziato che è naturalmente scettico riguardo alle molte affermazioni su come gli umani possano influenzare il tempo e il clima. Questa filosofia di quello che chiamerò sano scetticismo è nata dalla mia formazione universitaria nella ricerca sulle modificazioni meteorologiche dove c'erano molte affermazioni di grande successo nel modificare il tempo. Eppure, dopo oltre 50 anni di ricerche, non possiamo indicare forti prove fisiche e statistiche che queste prime affermazioni siano state realizzate. Ho portato questo scetticismo nell'area del cambiamento climatico, dove sembra esserci un consenso tra la comunità scientifica (IPCC 2007) sul fatto che la produzione umana di CO2 stia causando una tendenza al riscaldamento globale. Non nego che l'evidenza sia molto forte del fatto che siamo in un periodo di riscaldamento globale del clima e che l'aggiunta di CO2 all'atmosfera contribuirà al riscaldamento. Tuttavia, rimango ancora scettico sul fatto che le attuali tendenze del riscaldamento globale siano dovute esclusivamente a cause umane e che altre cause della variabilità del clima naturale non siano i principali fattori che contribuiscono.
2. IMPLICAZIONI DELLA RICERCA SEDING DI CLOUD ALL'INGEGNERIA DEL CLIMA
Dopo una revisione dei concetti e degli esperimenti intenzionali di semina delle nuvole, tra cui semina glaciogenica e semina igroscopica, ho riassunto le implicazioni dell'ingegneria meteorologica per l'ingegneria climatica come segue.
La comunità scientifica ha stabilito una serie di criteri per determinare che esiste una "prova" che la semina ha migliorato le precipitazioni. Per una solida "prova" (vedi NRC 2003; Garstang et al. 2005) che la semina influenzi le precipitazioni, sono necessarie sia forti prove fisiche di opportune modifiche alle strutture delle nuvole sia prove significative significative. Allo stesso modo, per una solida "prova" che l'ingegneria del clima sta influenzando il clima, o anche che la CO2 sta modificando il clima, sono necessarie sia forti prove fisiche di adeguate modifiche al clima sia significative prove statistiche.
Un'altra lezione dalla valutazione degli esperimenti di seeding delle nuvole è che la "variabilità naturale" delle nuvole e delle precipitazioni può essere piuttosto ampia e quindi può inibire la valutazione conclusiva anche degli esperimenti statistici meglio progettati. Lo stesso si può dire per valutare gli effetti dell'ingegneria del clima o che la CO2 prodotta dall'uomo sta alterando il clima. Se il segnale non è forte, per valutare se l'attività umana ha prodotto alcuni effetti osservati (causa ed effetto), è necessario un record di tempo molto più lungo di quello disponibile per la maggior parte se non per tutti i set di dati. Dobbiamo ricorrere a set di dati "proxy" che si traducono in incertezze nelle calibrazioni, incoerenze tra stime di dati precedenti e misurazioni più recenti, grande rumore nei dati e copertura inadeguata del campionamento delle variabili di controllo selezionate. Quindi non abbiamo una misura adeguata della "variabilità naturale" del clima. Avventurarsi nell'ingegneria del clima riconoscendo che potrebbe esistere una “variabilità naturale” potenzialmente grande è davvero pericoloso.
Un altro meno appreso dal cloud seeding è che il cloud seeding è spesso richiesto dai politici per dimostrare che stanno facendo qualcosa durante i periodi di siccità e gravi carenze idriche o in seguito a gravi catastrofi. Ciò nonostante la mancanza di forti prove scientifiche sul funzionamento del seeding delle nuvole. Mi riferisco a questo come all'uso di placebo politici. Prevedo che se ci troviamo in una vera crisi climatica, i politici chiederanno misure di ingegneria del clima che altereranno le avverse tendenze climatiche.
3. INGEGNERIA CLIMATICA
Mi concentrerò solo sull'ingegneria climatica in quanto riguarda i cambiamenti ingegneristici nell'albedo globale e nell'emissione di radiazioni ad onde lunghe nella parte superiore dell'atmosfera causate dagli aerosol e dalla modifica delle nuvole. Non entrerò nel più ampio contesto della geoingegneria che include cose come la cattura e lo smaltimento di CO2 dai flussi di gas di combustione, l'aumento dell'assorbimento netto di CO2 nella biosfera terrestre, l'aumento dell'assorbimento netto di CO2 negli oceani, il sequestro del carbonio, le energie alternative o anche cambiando l'albedo degli oceani e delle superfici terrestri.
3.1 Emulazione dei vulcani
I vulcani sono i principali caratteri jolly nel sistema climatico.
Un'eruzione vulcanica maggiore distribuisce grandi quantità di polvere e detriti nella troposfera superiore e nella bassa stratosfera. Ancora più importante introducono grandi quantità di SO2 nella bassa stratosfera che subiscono una lenta produzione di gas-particella, in particolare la formazione di gocce di acido solforico. Queste gocce altamente solubili disperdono la radiazione solare riducendo così la quantità di luce solare che raggiunge la superficie. Una singola grande eruzione può produrre una riduzione della radiazione solare che può durare per circa due anni e può provocare una perdita di calore residuo nello strato misto oceanico per un massimo di 10 anni.
L'idea di introdurre aerosol di solfato nella stratosfera risale a diversi anni fa a Budyko (1974), Dyson e Marland (1979), e gli è stata attribuita una più recente rilevanza dal premio Nobel, Paul Crutzen (Crutzen 2006). L'idea è di bruciare S2 o H2S trasportati nella stratosfera da palloncini, pistole di artiglieria o razzi per produrre SO2. Crutzen suggerisce che per migliorare il tempo di permanenza e quindi ridurre al minimo la massa richiesta, i gas dovrebbero essere introdotti nel ramo di circolazione stratosferica verso l'alto nei tropici dove può avvenire la conversione lenta da gas a particella. Crutzen stima che 1,9 Tg S sarebbero necessari per compensare il riscaldamento di 1,4 W / m2 con CO2, il che ridurrebbe la profondità ottica dell'1,3%. Egli stima che ciò possa essere ottenuto mediante un dispiegamento continuo di circa 1-2 Tg S all'anno per un costo totale di $ 25-50 miliardi. Per compensare un raddoppio della CO2 (riscaldamento stimato a 4 W / m2), sono necessarie stime di Crutzen 5,4 Tg S all'anno con corrispondenti aumenti dei costi. Poiché lo scattering di queste particelle è dovuto allo scattering di Rayleigh, ci aspettiamo, come nei vulcani, che il cielo sarà imbiancato e che prevarranno tramonti rossi e albe. Una conseguenza negativa della semina di SO2 nella stratosfera è che l'ozono stratosferico sarebbe ridotto. Crutzen ha osservato che El-Chichón ha introdotto 3-5 Tg S nella stratosfera riducendo l'ozono del 16% a 20 km di altitudine, mentre il monte Pinatubo che ha introdotto 10 Tg S ha contribuito a ridurre del 2,5% la perdita di ozono nella colonna. Immagino che qualcuno potrebbe tradurlo in tassi di aumento dell'incidenza del cancro della pelle attraverso l'aumento delle quantità di radiazioni UV.
Un'altra opzione rilevata da Crutzen (2006) e NRC (2003) sarebbe quella di rilasciare particelle di fuliggine nella bassa stratosfera bruciando, avete indovinato, combustibili fossili.
Come l'ipotesi invernale nucleare (vedi recensione di Cotton e Pielke 2007), le particelle di fuliggine assorbirebbero la radiazione solare. Ciò esaurirebbe la radiazione solare che raggiunge la superficie ma riscalderebbe la stratosfera. Questo riscaldamento potrebbe avere conseguenze indesiderabili in termini di cambiamenti nelle circolazioni stratosferiche e di riduzione dell'ozono. Sarebbe meno costoso fornire in quanto solo l'1,7% della massa di zolfo sarebbe necessaria per produrre lo stesso effetto di raffreddamento.
È stato anche proposto di fabbricare specchi che sono stati introdotti nello spazio (NAS 1992) e di introdurre uno scudo solare nel punto Lagrange Sole-Terra (1,5 x 106 km dalla Terra) (inizio 1989), ma non mi concentrerò su queste ipotesi e invece concentrare maggiormente la discussione sulle strategie relative al seeding delle nuvole.
La prova più forte che abbiamo che gli aerosol di inquinamento aumentano il cloud albedo proviene dalle tracce delle navi.
La Figura 1 mostra una tipica traccia della nave. In effetti, Porch et al. (1990) si riferivano a loro come la pietra di rosetta che collega i cambiamenti nell'aerosol sugli oceani e gli effetti dell'albedo sulle nuvole sul clima.
Le misurazioni mostrano che le tracce delle navi contengono concentrazioni di goccioline più elevate, dimensioni di goccioline più piccole e contenuto di acqua liquida più elevato rispetto alle nuvole circostanti (Radke et al. 1989). Le piste sono spesso lunghe almeno 300 km e larghe circa 9 km (Durkee et al. 2000). Si formano in genere in strati limite relativamente poco profondi tra 300 me 750 m di profondità. Non si formano in strati limite più profondi di 800 m (Durkee et al. 2000).
Si ipotizza quindi che dovremmo produrre più tracce di navi. Le regioni più sensibili a tali cambiamenti sono le regioni oceaniche subtropicali ad alta pressione. Si potrebbero ridisegnare le rotte delle navi (con incentivi economici) per le navi che bruciano carbone ad alto contenuto di zolfo per navigare lungo le regioni sopravento degli alti subtropicali.
Questi potrebbero essere integrati con ulteriori navi esaltatrici di albedo per navigare avanti e indietro lungo il lato sopravento degli strati di stratocumulo marino nelle regioni vulnerabili. Sono necessarie ricerche per stimare il numero di navi supplementari e i costi di incentivazione economica per ottenere un auspicabile aumento della media di albedo. Mi aspetto che i costi sarebbero proibitivi. Esistono prove modellistiche che non tutte le nuvole rispondono all'aumento dell'inquinamento da aerosol con un aumento dell'albedo (Jiang et al. 2002; Ackerman et al. 2004; Lu e Seinfeld 2005). Pertanto, la scienza delle risposte al cloud agli aerosol deve essere avanzata prima che questa ipotesi possa essere implementata come strategia. Quindi, naturalmente, ci sono le conseguenze negative di nuvole intenzionalmente inquinanti, tra cui una pioviggine acida. Almeno le regioni interessate sarebbero ben al largo della maggior parte delle attività umane.
L'idea della semina igroscopica delle nuvole di stratocumulo marino non è nuova in quanto Latham (1990; 2002) ha proposto di generare gocce d'acqua di mare di circa 1 μm vicino alla superficie dell'oceano per migliorare le concentrazioni di goccioline. Uno spruzzo di gocce d'acqua di mare verrebbe prodotto da atomizzatori ad alto volume o soffiando aria attraverso tubi porosi che produrrebbero bolle d'aria che salirebbero sulla superficie del mare e scopperebbero proprio come l'azione dell'onda naturale produce le bolle. La prima tecnica ha il vantaggio di poter essere più certi che le particelle di sale così prodotte avrebbero dimensioni ottimali per competere con il CCN naturale e quindi aumentare le concentrazioni di goccioline una volta che le particelle vengono loftate in nuvole nello strato limite turbolento marino. Il vantaggio di questa tecnica è che le materie prime sarebbero libere e non inquinanti. Ma la produzione e il movimento di un gran numero di galleggianti generatori galleggianti o torri sarebbe davvero molto costoso. Latham afferma che i requisiti di alimentazione per il loro funzionamento potrebbero essere forniti dall'azione solare o delle onde, o persino dall'energia eolica. Propongono effettivamente lo sviluppo di velieri basati sull'effetto Magnus in cui le torri rotanti non solo svilupperebbero l'ascensore aerodinamico per spingere le navi ma guidare i generatori di spruzzi di mare (Latham et al. 2008). La Figura 2 è un concetto dell'artista di tali velieri basati sulla forza magnetica progettati per la generazione di spruzzi di mare. Stime approssimative degli effetti climatici dell'implementazione di un grande insieme di tali navi per produrre spruzzi di mare su una vasta area sono state fatte con un GCM. Il GCM, tuttavia, non considera possibili risposte dinamiche negative come un miglior trascinamento e come risultato delle alterazioni nella pioviggine che le simulazioni di risoluzione delle nuvole hanno suggerito (Jiang et al. 2002; Ackerman et al. 2004; Lu e Seinfeld 2005). Pertanto, il GCM stima probabilmente un errore dal lato di produrre una maggiore influenza di raffreddamento di quanto si possa ottenere nella realtà.
Nel complesso, l'approccio all'ingegneria del clima che utilizza concetti di semina igroscopica merita di essere esaminato in modo più completo con modelli ed esperimenti sul campo limitati. Devo ammettere di essere scettico sul fatto che si potrebbe attuare una strategia di questo tipo quasi continuamente su aree abbastanza grandi da contrastare in modo significativo il riscaldamento delle serre.
Le nuvole di strato intermedio, chiamate anche altostrato, sono onnipresenti in grandi regioni di medie latitudini.
Un'altitudine tipica di queste nuvole è di circa 3 km MSL e durante le stagioni fredde molte di queste nuvole sono superrefrigerate. Si ritiene che gli strati di livello medio svolgano un ruolo neutrale nel bilancio delle radiazioni terrestri poiché riflettono sulla quantità di radiazioni solari assorbendo le radiazioni ad onde lunghe (LW). Tuttavia, questo equilibrio quasi radiativo potrebbe essere sconvolto dal seeding selettivo di nuvole in tutto il mondo. Ad esempio, considera le nuvole di strati non congelanti. Si può immaginare la semina sistematica di queste nuvole di giorno con gli aerosol di inquinamento (piccole particelle igroscopiche) per aumentare il loro albedo e di notte i semi con CCN gigante o materiali di semina igroscopici convenzionali per farli piovere, rendendoli così più trasparenti alle radiazioni LW. Ciò sposterebbe il loro contributo al bilancio radiativo globale in un effetto di raffreddamento netto. Una strategia simile potrebbe essere seguita per gli strati super raffreddati. In tal caso, durante il giorno si potrebbe seminare di nuovo con aerosol inquinanti per aumentare il loro albedo, ma di notte sementi con materiali di semina glaciogenici come AgI. È stato dimostrato più volte che la semina di strati super raffreddati ridurrà il percorso totale della condensa di quelle nuvole, rendendole così più trasparenti alle radiazioni LW. La Figura 3 mostra un classico esempio di eliminazione degli strati super raffreddati mediante semina con materiali glaciogenici.
queste nuvole di giorno con aerosol di inquinamento (piccole particelle igroscopiche) per aumentare il loro albedo e di notte semi con CCN gigante o materiali di semina igroscopici convenzionali per farli piovere, rendendoli così più trasparenti alle radiazioni LW. Ciò sposterebbe il loro contributo al bilancio radiativo globale in un effetto di raffreddamento netto. Una strategia simile potrebbe essere seguita per gli strati super raffreddati. In tal caso, durante il giorno si potrebbe seminare di nuovo con aerosol inquinanti per aumentare il loro albedo, ma di notte sementi con materiali di semina glaciogenici come AgI. È stato dimostrato più volte che la semina di strati super raffreddati ridurrà il percorso totale della condensa di quelle nuvole, rendendole così più trasparenti alle radiazioni LW. La Figura 3 mostra un classico esempio di eliminazione degli strati super raffreddati mediante semina con materiali glaciogenici.
Una domanda è: come si può fare questo a livello globale in modo economico? Alcune industrie con alte pile potrebbero essere drogate con l'aerosol appropriato.
L'uso di aeromobili pendolari con i loro carburanti a reazione drogati con generatori di aerosol è un'altra possibilità. Anche l'uso di UAV o dirigibili per la dispersione di aerosol potrebbe essere preso in considerazione. Potenziali conseguenze avverse, tuttavia, sono probabilmente inclusi gli impatti sulle precipitazioni, sugli estremi della temperatura fredda locale (che influirebbero anche sulla domanda di combustibili fossili) e sul ciclo idrologico.
Nel complesso, questo approccio alla lotta contro il riscaldamento dei gas a effetto serra è più costoso e meno fattibile della semina igroscopica di stratocumuli marini.
Su una media annua le nuvole coprono tra il 55 e il 60% della terra (Matveev 1984) e gran parte di quella copertura nuvolosa è composta da nuvole alte e medie. Si pensa che i cirri globali contribuiscano al riscaldamento dell'atmosfera grazie al loro contributo al trasferimento verso il basso della radiazione LW. In altre parole sono un agente serra. L'attività umana sta già modificando i cirri attraverso la produzione di scie di aeromobili. Kuhn (1970) ha scoperto che le scie esauriscono la radiazione solare e aumentano le radiazioni LW verso il basso, ma durante il giorno la loro influenza sulle onde corte domina e contribuiscono al raffreddamento netto della superficie.
Kuhn (1970) calcolò che se le scie persistessero per 24 ore il loro effetto netto si sarebbe raffreddato. Altri hanno concluso che portano al riscaldamento superficiale (Liou et al. 1991; Schumann 1994) ma Sassen (1997) osserva che il segno dell'impatto climatico delle scie dipende dalla dimensione delle particelle. Stime globali degli effetti delle scie che contribuiscono al riscaldamento netto (Minnis et al. 2004).
È stato anche proposto di seminare in aria chiara nella troposfera superiore per produrre cirri artificiali che riscalderebbero la superficie abbastanza da ridurre le richieste di riscaldamento durante la stagione fredda (Detwiler e Cho 1982). Quindi le prospettive per la semina dei cirri per contribuire al raffreddamento globale della superficie non sembrano essere molto buone.
L'unico approccio che potrebbe essere possibile è quello di eseguire una semina su vasta area con fuliggine o aerosol carbonacei che assorbirebbero la radiazione solare e gli strati di cirri caldi abbastanza da dissipare forse i cirri (un effetto semi-diretto). Questa strategia sarebbe simile a quella proposta da Watts (1997) e Crutzen (2006) per l'implementazione nella stratosfera. Come osservato da Crutzen (2006), è necessario solo l'1,7% della massa di zolfo per produrre una simile intensità di raffreddamento superficiale.
L'applicazione a livello di cirri nella troposfera superiore avrebbe il doppio vantaggio di assorbire le radiazioni solari, contribuendo così al raffreddamento superficiale e alla dissipazione dei cirri che aumenterebbero le radiazioni a onde lunghe in uscita. Naturalmente, la fuliggine che si attacca ai cristalli di ghiaccio ridurrà l'albedo dei cirri, contrastando in tal modo l'effetto di riscaldamento a onde lunghe. Inoltre, ci sono prove che le particelle di fuliggine possono agire come nuclei di ghiaccio, contribuendo così a maggiori concentrazioni di cristalli di ghiaccio per nucleazione eterogenea ma possibilmente a ridurre la produzione di cristalli per nucleazione omogenea (DeMott et al. 1994; Kärcher et al. 2007). Quindi sarebbe meglio progettare l'aerosol carbonaceo per essere inefficace come IN.
Le possibili conseguenze negative di una tale procedura possono essere ipotizzate solo in questo momento, ma hanno maggiori probabilità di avere un impatto sul ciclo idrologico. Sono necessari complessi modelli chimici, cloud-solving e globali per valutare la fattibilità di questo approccio e per stimare possibili conseguenze avverse. La fattibilità di questo approccio in termini di strategie di attuazione è probabilmente paragonabile alla semina dei solfati nella bassa stratosfera. I costi sarebbero simili alle stime di Crutzen per la semina stratosferica.
In questo documento ho riassunto le lezioni apprese dall'ingegneria meteorologica (seeding delle nuvole) e ho rivisto l'ingegneria climatica. Ho dimostrato che dalla valutazione del seeding delle nuvole sono state apprese numerose lezioni, come prove sia di forte evidenza fisica di opportune modifiche al sistema climatico sia di prove statistiche altamente significative. Questo sarà piuttosto impegnativo poiché trovo difficile immaginare che esperimenti statistici randomizzati possano essere progettati e implementati per periodi di tempo abbastanza lunghi per isolare i segnali di modifica dalla "variabilità naturale" di fondo del sistema climatico.
Come ho già detto, se come comunità scientifica richiediamo gli stessi standard di "prova" imposti alla comunità di modifica del tempo per la valutazione delle ipotesi di semina delle nuvole e per la valutazione dei gas a effetto serra prodotti dall'uomo, stiamo cambiando il clima, (che penso dovremmo), siamo molto lontani dal poter dire che la CO2 sta alterando il clima. Allo stesso modo, per una solida "prova"
che l'ingegneria climatica sta influenzando il clima, i livelli richiesti di valutazioni del modello fisico e valutazioni statistiche saranno estremamente difficili.
Ciò che è necessario prima di tutto è una dimostrata capacità di previsione del modello climatico che sia abbastanza grande da essere in grado di districare il segnale di modificazione del clima dalla "variabilità naturale" o "rumore" del sistema climatico. Una volta raggiunta questa abilità predittiva, esiste l'opportunità di applicare metodi statistici avanzati che utilizzano statistiche di output del modello e variabili di risposta osservate che possono confermare l'ipotesi. Inoltre, questo modello di previsioni climatiche dovrebbe essere in grado di identificare e quantificare conseguenze indesiderate impreviste dell'ingegneria del clima.
Alan Robock (Robock 2008) ha recentemente scritto un articolo intitolato "Twenty Reasons Why Geogenineering May is a Bad Idea". In quel documento ha osservato che una possibile risposta all'ingegneria del clima per mitigare il riscaldamento dei gas a effetto serra è che è probabile che le precipitazioni vengano modificate sia a livello globale che regionale. Alcuni paesi potrebbero trovarsi in una siccità in risposta all'ingegneria del clima. Molte delle ipotesi di ingegneria climatica legate al cloud hanno probabilmente un impatto sul ciclo idrologico, in particolare quelle ipotesi associate alla modifica delle nuvole di medio e alto livello. Altri motivi elencati da Robock (2008) sono:
Per quanto riguarda le conseguenze inattese, non credo che comprendiamo tutti i fattori che influenzano la variabilità del clima né abbiamo dimostrato una capacità di previsione del clima per meritare l'attuazione di una strategia di mitigazione del riscaldamento climatico. Supponiamo di implementare uno dei concetti di ingegneria del clima che ho delineato sopra per raffreddare il pianeta in opposizione al riscaldamento delle serre. Se avrà successo, questo raffreddamento porterà a risposte oceaniche su scale temporali da decenni a forse un secolo. Nel frattempo supponiamo di trovarci nel mezzo di un periodo di maggiore attività vulcanica. La tendenza al raffreddamento per attività vulcanica unita alla nostra tendenza al raffreddamento "ingegnerizzata" potrebbe portarci in una piccola era glaciale o peggio. Mi aspetto che le conseguenze sarebbero molto peggiori del riscaldamento globale.
Nonostante queste preoccupazioni, raccomando di attuare in tutto il mondo importanti iniziative nella progettazione dell'ingegneria climatica utilizzando i modelli più avanzati.
Prima di poter realizzare l'implementazione dell'ingegneria del clima è necessaria una ricerca fondamentale per far avanzare la nostra comprensione quantitativa del sistema climatico, della variabilità del clima, delle possibilità scientifiche o dell'ingegneria del clima, dei requisiti tecnici, degli impatti sociali e delle strutture politiche
necessario per la sua attuazione.
L'ingegneria del clima dovrebbe essere considerata una misura "ultimo sussulto" per prevenire conseguenze catastrofiche di un clima che cambia.
Un aspetto meno appreso dal seeding delle nuvole che ho menzionato in precedenza è che il seeding delle nuvole è spesso richiesto dai politici per dimostrare che stanno facendo qualcosa durante i periodi di siccità e gravi carenze idriche o in seguito a gravi catastrofi. Ciò nonostante la mancanza di forti prove scientifiche sul funzionamento del seeding delle nuvole. Mi riferisco a questo come all'uso di placebo politici. Prevedo che se ci troviamo in una vera crisi climatica, i politici chiederanno misure di ingegneria del clima che altereranno le avverse tendenze climatiche. In tal caso, assicuriamoci di farlo con il livello più avanzato di conoscenza del sistema climatico e le piene conseguenze delle nostre azioni.
Infine, esorto la comunità delle modifiche meteorologiche a considerare l'inserimento dell'ingegneria del clima in un programma nazionale generale in "ingegneria del clima e del clima". Penso che potrebbe esserci un forte sostegno politico per sviluppare un programma nazionale ben finanziato che includa sia la ricerca di ingegneria meteorologica che la ricerca di ingegneria climatica.
Suggerisco che la migliore casa per un tale programma sarebbe il Dipartimento di sicurezza nazionale o la NASA. Le due aree dell'ingegneria meteorologica che dovrebbero avere la massima priorità sono il potenziamento delle risorse idriche nel bacino del fiume Colorado e l'ingegneria degli uragani.
Le aree a cui dovrebbe essere data la massima priorità della ricerca in ingegneria del clima è l'emulazione dei vulcani nella produzione di aerosol stratosferici di lunga durata, aumentando l'albedo delle nuvole di stratocumulo marino e dissipando i cirri usando la semina di aerosol carbonaceo.
Un'altra opzione rilevata da Crutzen (2006) e NRC (2003) sarebbe quella di rilasciare particelle di fuliggine nella bassa stratosfera bruciando, avete indovinato, combustibili fossili.
Come l'ipotesi invernale nucleare (vedi recensione di Cotton e Pielke 2007), le particelle di fuliggine assorbirebbero la radiazione solare. Ciò esaurirebbe la radiazione solare che raggiunge la superficie ma riscalderebbe la stratosfera. Questo riscaldamento potrebbe avere conseguenze indesiderabili in termini di cambiamenti nelle circolazioni stratosferiche e di riduzione dell'ozono. Sarebbe meno costoso fornire in quanto solo l'1,7% della massa di zolfo sarebbe necessaria per produrre lo stesso effetto di raffreddamento.
È stato anche proposto di fabbricare specchi che sono stati introdotti nello spazio (NAS 1992) e di introdurre uno scudo solare nel punto Lagrange Sole-Terra (1,5 x 106 km dalla Terra) (inizio 1989), ma non mi concentrerò su queste ipotesi e invece concentrare maggiormente la discussione sulle strategie relative al seeding delle nuvole.
3.2 Altre tracce della nave!
La prova più forte che abbiamo che gli aerosol di inquinamento aumentano il cloud albedo proviene dalle tracce delle navi.
La Figura 1 mostra una tipica traccia della nave. In effetti, Porch et al. (1990) si riferivano a loro come la pietra di rosetta che collega i cambiamenti nell'aerosol sugli oceani e gli effetti dell'albedo sulle nuvole sul clima.
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| Figura 1. Numerose tracce di navi - nuvole formate dallo scarico dei fumaioli delle navi - sono visibili a nord e ad ovest del pennacchio di fumo. [Immagine gentilmente concessa da SeaWiFS Project, NASA GSFC e ORBIMAGE.] |
Le misurazioni mostrano che le tracce delle navi contengono concentrazioni di goccioline più elevate, dimensioni di goccioline più piccole e contenuto di acqua liquida più elevato rispetto alle nuvole circostanti (Radke et al. 1989). Le piste sono spesso lunghe almeno 300 km e larghe circa 9 km (Durkee et al. 2000). Si formano in genere in strati limite relativamente poco profondi tra 300 me 750 m di profondità. Non si formano in strati limite più profondi di 800 m (Durkee et al. 2000).
Si ipotizza quindi che dovremmo produrre più tracce di navi. Le regioni più sensibili a tali cambiamenti sono le regioni oceaniche subtropicali ad alta pressione. Si potrebbero ridisegnare le rotte delle navi (con incentivi economici) per le navi che bruciano carbone ad alto contenuto di zolfo per navigare lungo le regioni sopravento degli alti subtropicali.
Questi potrebbero essere integrati con ulteriori navi esaltatrici di albedo per navigare avanti e indietro lungo il lato sopravento degli strati di stratocumulo marino nelle regioni vulnerabili. Sono necessarie ricerche per stimare il numero di navi supplementari e i costi di incentivazione economica per ottenere un auspicabile aumento della media di albedo. Mi aspetto che i costi sarebbero proibitivi. Esistono prove modellistiche che non tutte le nuvole rispondono all'aumento dell'inquinamento da aerosol con un aumento dell'albedo (Jiang et al. 2002; Ackerman et al. 2004; Lu e Seinfeld 2005). Pertanto, la scienza delle risposte al cloud agli aerosol deve essere avanzata prima che questa ipotesi possa essere implementata come strategia. Quindi, naturalmente, ci sono le conseguenze negative di nuvole intenzionalmente inquinanti, tra cui una pioviggine acida. Almeno le regioni interessate sarebbero ben al largo della maggior parte delle attività umane.
L'idea della semina igroscopica delle nuvole di stratocumulo marino non è nuova in quanto Latham (1990; 2002) ha proposto di generare gocce d'acqua di mare di circa 1 μm vicino alla superficie dell'oceano per migliorare le concentrazioni di goccioline. Uno spruzzo di gocce d'acqua di mare verrebbe prodotto da atomizzatori ad alto volume o soffiando aria attraverso tubi porosi che produrrebbero bolle d'aria che salirebbero sulla superficie del mare e scopperebbero proprio come l'azione dell'onda naturale produce le bolle. La prima tecnica ha il vantaggio di poter essere più certi che le particelle di sale così prodotte avrebbero dimensioni ottimali per competere con il CCN naturale e quindi aumentare le concentrazioni di goccioline una volta che le particelle vengono loftate in nuvole nello strato limite turbolento marino. Il vantaggio di questa tecnica è che le materie prime sarebbero libere e non inquinanti. Ma la produzione e il movimento di un gran numero di galleggianti generatori galleggianti o torri sarebbe davvero molto costoso. Latham afferma che i requisiti di alimentazione per il loro funzionamento potrebbero essere forniti dall'azione solare o delle onde, o persino dall'energia eolica. Propongono effettivamente lo sviluppo di velieri basati sull'effetto Magnus in cui le torri rotanti non solo svilupperebbero l'ascensore aerodinamico per spingere le navi ma guidare i generatori di spruzzi di mare (Latham et al. 2008). La Figura 2 è un concetto dell'artista di tali velieri basati sulla forza magnetica progettati per la generazione di spruzzi di mare. Stime approssimative degli effetti climatici dell'implementazione di un grande insieme di tali navi per produrre spruzzi di mare su una vasta area sono state fatte con un GCM. Il GCM, tuttavia, non considera possibili risposte dinamiche negative come un miglior trascinamento e come risultato delle alterazioni nella pioviggine che le simulazioni di risoluzione delle nuvole hanno suggerito (Jiang et al. 2002; Ackerman et al. 2004; Lu e Seinfeld 2005). Pertanto, il GCM stima probabilmente un errore dal lato di produrre una maggiore influenza di raffreddamento di quanto si possa ottenere nella realtà.
Nel complesso, l'approccio all'ingegneria del clima che utilizza concetti di semina igroscopica merita di essere esaminato in modo più completo con modelli ed esperimenti sul campo limitati. Devo ammettere di essere scettico sul fatto che si potrebbe attuare una strategia di questo tipo quasi continuamente su aree abbastanza grandi da contrastare in modo significativo il riscaldamento delle serre.
3.3 Semina di strati di livello medio
Le nuvole di strato intermedio, chiamate anche altostrato, sono onnipresenti in grandi regioni di medie latitudini.
Un'altitudine tipica di queste nuvole è di circa 3 km MSL e durante le stagioni fredde molte di queste nuvole sono superrefrigerate. Si ritiene che gli strati di livello medio svolgano un ruolo neutrale nel bilancio delle radiazioni terrestri poiché riflettono sulla quantità di radiazioni solari assorbendo le radiazioni ad onde lunghe (LW). Tuttavia, questo equilibrio quasi radiativo potrebbe essere sconvolto dal seeding selettivo di nuvole in tutto il mondo. Ad esempio, considera le nuvole di strati non congelanti. Si può immaginare la semina sistematica di queste nuvole di giorno con gli aerosol di inquinamento (piccole particelle igroscopiche) per aumentare il loro albedo e di notte i semi con CCN gigante o materiali di semina igroscopici convenzionali per farli piovere, rendendoli così più trasparenti alle radiazioni LW. Ciò sposterebbe il loro contributo al bilancio radiativo globale in un effetto di raffreddamento netto. Una strategia simile potrebbe essere seguita per gli strati super raffreddati. In tal caso, durante il giorno si potrebbe seminare di nuovo con aerosol inquinanti per aumentare il loro albedo, ma di notte sementi con materiali di semina glaciogenici come AgI. È stato dimostrato più volte che la semina di strati super raffreddati ridurrà il percorso totale della condensa di quelle nuvole, rendendole così più trasparenti alle radiazioni LW. La Figura 3 mostra un classico esempio di eliminazione degli strati super raffreddati mediante semina con materiali glaciogenici.
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| Figura 2. Il concetto dell'artista di un veliero a effetto magnus per la generazione di spruzzi di mare. [Da Latham et al. 2008. Usato con il permesso dell'artista John MacNeill.] |
queste nuvole di giorno con aerosol di inquinamento (piccole particelle igroscopiche) per aumentare il loro albedo e di notte semi con CCN gigante o materiali di semina igroscopici convenzionali per farli piovere, rendendoli così più trasparenti alle radiazioni LW. Ciò sposterebbe il loro contributo al bilancio radiativo globale in un effetto di raffreddamento netto. Una strategia simile potrebbe essere seguita per gli strati super raffreddati. In tal caso, durante il giorno si potrebbe seminare di nuovo con aerosol inquinanti per aumentare il loro albedo, ma di notte sementi con materiali di semina glaciogenici come AgI. È stato dimostrato più volte che la semina di strati super raffreddati ridurrà il percorso totale della condensa di quelle nuvole, rendendole così più trasparenti alle radiazioni LW. La Figura 3 mostra un classico esempio di eliminazione degli strati super raffreddati mediante semina con materiali glaciogenici.
Una domanda è: come si può fare questo a livello globale in modo economico? Alcune industrie con alte pile potrebbero essere drogate con l'aerosol appropriato.
L'uso di aeromobili pendolari con i loro carburanti a reazione drogati con generatori di aerosol è un'altra possibilità. Anche l'uso di UAV o dirigibili per la dispersione di aerosol potrebbe essere preso in considerazione. Potenziali conseguenze avverse, tuttavia, sono probabilmente inclusi gli impatti sulle precipitazioni, sugli estremi della temperatura fredda locale (che influirebbero anche sulla domanda di combustibili fossili) e sul ciclo idrologico.
Nel complesso, questo approccio alla lotta contro il riscaldamento dei gas a effetto serra è più costoso e meno fattibile della semina igroscopica di stratocumuli marini.
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| Figura 3. Modello di pista lungo circa 20 miglia prodotto facendo cadere ghiaccio secco tritato da un aereo. L'anello di sicurezza simile a una spilla all'estremità vicina del modello si è verificato quando il distributore di ghiaccio secco è stato inavvertitamente lasciato funzionare mentre l'aereo ha iniziato a salire per raggiungere l'altitudine da cui fotografare i risultati. [Da Havens et al. (1978). Foto per gentile concessione del Dr. Vincent Schaefer.] |
3.4 Seminare cirri o creare più scie
Su una media annua le nuvole coprono tra il 55 e il 60% della terra (Matveev 1984) e gran parte di quella copertura nuvolosa è composta da nuvole alte e medie. Si pensa che i cirri globali contribuiscano al riscaldamento dell'atmosfera grazie al loro contributo al trasferimento verso il basso della radiazione LW. In altre parole sono un agente serra. L'attività umana sta già modificando i cirri attraverso la produzione di scie di aeromobili. Kuhn (1970) ha scoperto che le scie esauriscono la radiazione solare e aumentano le radiazioni LW verso il basso, ma durante il giorno la loro influenza sulle onde corte domina e contribuiscono al raffreddamento netto della superficie.
Kuhn (1970) calcolò che se le scie persistessero per 24 ore il loro effetto netto si sarebbe raffreddato. Altri hanno concluso che portano al riscaldamento superficiale (Liou et al. 1991; Schumann 1994) ma Sassen (1997) osserva che il segno dell'impatto climatico delle scie dipende dalla dimensione delle particelle. Stime globali degli effetti delle scie che contribuiscono al riscaldamento netto (Minnis et al. 2004).
È stato anche proposto di seminare in aria chiara nella troposfera superiore per produrre cirri artificiali che riscalderebbero la superficie abbastanza da ridurre le richieste di riscaldamento durante la stagione fredda (Detwiler e Cho 1982). Quindi le prospettive per la semina dei cirri per contribuire al raffreddamento globale della superficie non sembrano essere molto buone.
L'unico approccio che potrebbe essere possibile è quello di eseguire una semina su vasta area con fuliggine o aerosol carbonacei che assorbirebbero la radiazione solare e gli strati di cirri caldi abbastanza da dissipare forse i cirri (un effetto semi-diretto). Questa strategia sarebbe simile a quella proposta da Watts (1997) e Crutzen (2006) per l'implementazione nella stratosfera. Come osservato da Crutzen (2006), è necessario solo l'1,7% della massa di zolfo per produrre una simile intensità di raffreddamento superficiale.
L'applicazione a livello di cirri nella troposfera superiore avrebbe il doppio vantaggio di assorbire le radiazioni solari, contribuendo così al raffreddamento superficiale e alla dissipazione dei cirri che aumenterebbero le radiazioni a onde lunghe in uscita. Naturalmente, la fuliggine che si attacca ai cristalli di ghiaccio ridurrà l'albedo dei cirri, contrastando in tal modo l'effetto di riscaldamento a onde lunghe. Inoltre, ci sono prove che le particelle di fuliggine possono agire come nuclei di ghiaccio, contribuendo così a maggiori concentrazioni di cristalli di ghiaccio per nucleazione eterogenea ma possibilmente a ridurre la produzione di cristalli per nucleazione omogenea (DeMott et al. 1994; Kärcher et al. 2007). Quindi sarebbe meglio progettare l'aerosol carbonaceo per essere inefficace come IN.
Le possibili conseguenze negative di una tale procedura possono essere ipotizzate solo in questo momento, ma hanno maggiori probabilità di avere un impatto sul ciclo idrologico. Sono necessari complessi modelli chimici, cloud-solving e globali per valutare la fattibilità di questo approccio e per stimare possibili conseguenze avverse. La fattibilità di questo approccio in termini di strategie di attuazione è probabilmente paragonabile alla semina dei solfati nella bassa stratosfera. I costi sarebbero simili alle stime di Crutzen per la semina stratosferica.
4. CONCLUSIONI
In questo documento ho riassunto le lezioni apprese dall'ingegneria meteorologica (seeding delle nuvole) e ho rivisto l'ingegneria climatica. Ho dimostrato che dalla valutazione del seeding delle nuvole sono state apprese numerose lezioni, come prove sia di forte evidenza fisica di opportune modifiche al sistema climatico sia di prove statistiche altamente significative. Questo sarà piuttosto impegnativo poiché trovo difficile immaginare che esperimenti statistici randomizzati possano essere progettati e implementati per periodi di tempo abbastanza lunghi per isolare i segnali di modifica dalla "variabilità naturale" di fondo del sistema climatico.
Come ho già detto, se come comunità scientifica richiediamo gli stessi standard di "prova" imposti alla comunità di modifica del tempo per la valutazione delle ipotesi di semina delle nuvole e per la valutazione dei gas a effetto serra prodotti dall'uomo, stiamo cambiando il clima, (che penso dovremmo), siamo molto lontani dal poter dire che la CO2 sta alterando il clima. Allo stesso modo, per una solida "prova"
che l'ingegneria climatica sta influenzando il clima, i livelli richiesti di valutazioni del modello fisico e valutazioni statistiche saranno estremamente difficili.
Ciò che è necessario prima di tutto è una dimostrata capacità di previsione del modello climatico che sia abbastanza grande da essere in grado di districare il segnale di modificazione del clima dalla "variabilità naturale" o "rumore" del sistema climatico. Una volta raggiunta questa abilità predittiva, esiste l'opportunità di applicare metodi statistici avanzati che utilizzano statistiche di output del modello e variabili di risposta osservate che possono confermare l'ipotesi. Inoltre, questo modello di previsioni climatiche dovrebbe essere in grado di identificare e quantificare conseguenze indesiderate impreviste dell'ingegneria del clima.
Alan Robock (Robock 2008) ha recentemente scritto un articolo intitolato "Twenty Reasons Why Geogenineering May is a Bad Idea". In quel documento ha osservato che una possibile risposta all'ingegneria del clima per mitigare il riscaldamento dei gas a effetto serra è che è probabile che le precipitazioni vengano modificate sia a livello globale che regionale. Alcuni paesi potrebbero trovarsi in una siccità in risposta all'ingegneria del clima. Molte delle ipotesi di ingegneria climatica legate al cloud hanno probabilmente un impatto sul ciclo idrologico, in particolare quelle ipotesi associate alla modifica delle nuvole di medio e alto livello. Altri motivi elencati da Robock (2008) sono:
• Continua acidificazione degli oceani.
• Riduzione dell'ozono.
• Effetti sulla biosfera.
• Precipitazione acida potenziata.
• Effetti sui cirri (riferimento alla semina S nella stratosfera).
• Sbiancamento del cielo (riferimento alla semina S nella stratosfera).
• Effetti sui cirri (riferimento alla semina S nella stratosfera).
• Meno radiazioni solari per l'energia solare, specialmente per quelle che richiedono radiazioni solari dirette.
• Riscaldamento rapido quando si ferma.
• Con quale rapidità è possibile arrestare gli effetti?
• Impatti ambientali dell'iniezione di aerosol.
• Errore umano.
• Conseguenze inattese.
• I programmi percepiti come funzionanti ridurranno l'incentivo a mitigare le emissioni di gas serra.
• Uso della tecnologia per scopi militari.
• Controllo commerciale della tecnologia.
• Viola l'attuale trattato.
• Sarebbe tremendamente costoso.
• Anche se funziona, chi avrà la mano sul termostato? Come può il mondo concordare il clima ottimale?
• Chi ha il diritto morale di modificare pubblicamente il clima globale?
Per quanto riguarda le conseguenze inattese, non credo che comprendiamo tutti i fattori che influenzano la variabilità del clima né abbiamo dimostrato una capacità di previsione del clima per meritare l'attuazione di una strategia di mitigazione del riscaldamento climatico. Supponiamo di implementare uno dei concetti di ingegneria del clima che ho delineato sopra per raffreddare il pianeta in opposizione al riscaldamento delle serre. Se avrà successo, questo raffreddamento porterà a risposte oceaniche su scale temporali da decenni a forse un secolo. Nel frattempo supponiamo di trovarci nel mezzo di un periodo di maggiore attività vulcanica. La tendenza al raffreddamento per attività vulcanica unita alla nostra tendenza al raffreddamento "ingegnerizzata" potrebbe portarci in una piccola era glaciale o peggio. Mi aspetto che le conseguenze sarebbero molto peggiori del riscaldamento globale.
Nonostante queste preoccupazioni, raccomando di attuare in tutto il mondo importanti iniziative nella progettazione dell'ingegneria climatica utilizzando i modelli più avanzati.
Prima di poter realizzare l'implementazione dell'ingegneria del clima è necessaria una ricerca fondamentale per far avanzare la nostra comprensione quantitativa del sistema climatico, della variabilità del clima, delle possibilità scientifiche o dell'ingegneria del clima, dei requisiti tecnici, degli impatti sociali e delle strutture politiche
necessario per la sua attuazione.
L'ingegneria del clima dovrebbe essere considerata una misura "ultimo sussulto" per prevenire conseguenze catastrofiche di un clima che cambia.
Un aspetto meno appreso dal seeding delle nuvole che ho menzionato in precedenza è che il seeding delle nuvole è spesso richiesto dai politici per dimostrare che stanno facendo qualcosa durante i periodi di siccità e gravi carenze idriche o in seguito a gravi catastrofi. Ciò nonostante la mancanza di forti prove scientifiche sul funzionamento del seeding delle nuvole. Mi riferisco a questo come all'uso di placebo politici. Prevedo che se ci troviamo in una vera crisi climatica, i politici chiederanno misure di ingegneria del clima che altereranno le avverse tendenze climatiche. In tal caso, assicuriamoci di farlo con il livello più avanzato di conoscenza del sistema climatico e le piene conseguenze delle nostre azioni.
Infine, esorto la comunità delle modifiche meteorologiche a considerare l'inserimento dell'ingegneria del clima in un programma nazionale generale in "ingegneria del clima e del clima". Penso che potrebbe esserci un forte sostegno politico per sviluppare un programma nazionale ben finanziato che includa sia la ricerca di ingegneria meteorologica che la ricerca di ingegneria climatica.
Suggerisco che la migliore casa per un tale programma sarebbe il Dipartimento di sicurezza nazionale o la NASA. Le due aree dell'ingegneria meteorologica che dovrebbero avere la massima priorità sono il potenziamento delle risorse idriche nel bacino del fiume Colorado e l'ingegneria degli uragani.
Le aree a cui dovrebbe essere data la massima priorità della ricerca in ingegneria del clima è l'emulazione dei vulcani nella produzione di aerosol stratosferici di lunga durata, aumentando l'albedo delle nuvole di stratocumulo marino e dissipando i cirri usando la semina di aerosol carbonaceo.
Ringraziamenti: l'autore vorrebbe riconoscere Brenda Thompson per la sua assistenza in questo documento. Questo materiale si basa sul lavoro finanziato dalla National Science Foundation sotto la concessione N. ATM-0526600. Qualsiasi opinione, risultato e conclusione o raccomandazione espressi in questo materiale sono quelli degli autori e non riflettono necessariamente le opinioni della National Science Foundation.
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