Inyección de aerosol estratosférico - Stratospheric aerosol injection

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Globo atado propuesto para inyectar aerosoles en la estratosfera.

La inyección de aerosol estratosférico es un método propuesto de geoingeniería solar (o modificación de la radiación solar) para reducir el cambio climático inducido por el hombre . Esto introduciría aerosoles en la estratosfera para crear un efecto de enfriamiento a través del oscurecimiento global , que ocurre naturalmente a partir de erupciones volcánicas . Parece que la inyección de aerosoles estratosféricos, a una intensidad moderada, podría contrarrestar la mayoría de los cambios de temperatura y precipitación, surtir efecto rápidamente, tener bajos costos directos de implementación y ser reversible en sus efectos climáticos directos. El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático concluye que "es el método [de geoingeniería solar] más investigado, con un alto acuerdo en que podría limitar el calentamiento por debajo de 1,5 ° C". Sin embargo, al igual que otros enfoques de geoingeniería solar, la inyección de aerosol estratosférico lo haría de manera imperfecta y son posibles otros efectos, particularmente si se usa de una manera subóptima.

A partir de 2021, ha habido poca investigación y los aerosoles naturales existentes en la estratosfera no se comprenden bien, por lo que no hay una idea clara de qué material se utilizaría. Se están considerando alúmina , calcita y sal . El principal método de entrega propuesto son los aviones personalizados .

Métodos

Materiales

Se propusieron varias formas de azufre como sustancia inyectada, ya que así es en parte cómo las erupciones volcánicas enfrían el planeta. Se han considerado gases precursores como el dióxido de azufre y el sulfuro de hidrógeno . Según las estimaciones, "un kilogramo de azufre bien colocado en la estratosfera compensaría aproximadamente el efecto de calentamiento de varios cientos de miles de kilogramos de dióxido de carbono". Un estudio calculó el impacto de inyectar partículas de sulfato, o aerosoles , cada uno a cuatro años en la estratosfera en cantidades iguales a las generadas por la erupción volcánica del Monte Pinatubo en 1991 , pero no abordó los muchos desafíos técnicos y políticos involucrados en posibles esfuerzos de geoingeniería solar. El uso de ácido sulfúrico gaseoso parece reducir el problema del crecimiento de aerosoles. También se están considerando materiales como partículas fotoforéticas , dióxido de titanio y diamante.

Entrega

Se han propuesto varias técnicas para administrar el aerosol o los gases precursores. La altitud requerida para ingresar a la estratosfera es la altura de la tropopausa , que varía de 11 kilómetros (6.8 mi / 36,000 pies) en los polos a 17 kilómetros (11 mi / 58,000 pies) en el ecuador.

  • Los aviones civiles, incluidos el Boeing 747-400 y Gulfstream G550 / 650, C-37A podrían modificarse a un costo relativamente bajo para entregar cantidades suficientes de material requerido según un estudio, pero un metaestudio posterior sugiere que se necesitaría un nuevo avión pero fácil de desarrollar.
  • Los aviones militares como la variante F15-C del F-15 Eagle tienen el techo de vuelo necesario , pero una carga útil limitada. Los aviones cisterna militares como el KC-135 Stratotanker y el KC-10 Extender también tienen el techo necesario y tienen una mayor capacidad de carga útil.
  • La artillería modificada puede tener la capacidad necesaria, pero requiere una carga de pólvora contaminante y costosa para elevar la carga útil. La artillería Railgun podría ser una alternativa no contaminante.
  • Los globos de gran altitud se pueden utilizar para levantar gases precursores, en tanques, vejigas o en la envoltura de los globos.

Sistema de inyección

Varios autores han analizado la latitud y distribución de los lugares de inyección. Si bien un régimen de inyección casi ecuatorial permitirá que las partículas ingresen al tramo ascendente de la circulación de Brewer-Dobson , varios estudios han concluido que un régimen de inyección más amplio y de mayor latitud reducirá las tasas de flujo másico de inyección y / o producirá beneficios climáticos. La concentración de la inyección de precursor en una sola longitud parece ser beneficiosa, ya que se reduce la condensación en las partículas existentes, lo que permite un mejor control de la distribución de tamaño de los aerosoles resultantes. El largo tiempo de residencia del dióxido de carbono en la atmósfera puede requerir un compromiso de escala de tiempo del milenio con la SRM si no se persigue simultáneamente una reducción agresiva de las emisiones.

Formación de aerosoles

La formación primaria de aerosoles, también conocida como formación homogénea de aerosoles, se produce cuando el SO gaseoso
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se combina con oxígeno y agua para formar
ácido sulfúrico acuoso (H 2 SO 4 ). Esta solución líquida ácida está en forma de vapor y se condensa en partículas de materia sólida, ya sea de origen meteorítico o del polvo transportado desde la superficie a la estratosfera. La formación secundaria o heterogénea de aerosoles se produce cuando el vapor de H 2 SO 4 se condensa sobre las partículas de aerosol existentes. Las partículas o gotitas de aerosol existentes también se encuentran entre sí, creando partículas o gotitas más grandes en un proceso conocido como coagulación . Las temperaturas atmosféricas más cálidas también conducen a partículas más grandes. Estas partículas más grandes serían menos efectivas para dispersar la luz solar porque la dispersión máxima de la luz se logra mediante partículas con un diámetro de 0,3 μm.

Ventajas de la técnica

Las ventajas de este enfoque en comparación con otros posibles medios de geoingeniería solar son:

  • Imita un proceso natural : los aerosoles de azufre estratosférico son creados por procesos naturales existentes (especialmente volcanes ), cuyos impactos han sido estudiados mediante observaciones. Esto contrasta con otras técnicas de geoingeniería solar más especulativas que no tienen análogos naturales (por ejemplo, la sombrilla espacial ).
  • Viabilidad tecnológica : a diferencia de otras técnicas de geoingeniería solar propuestas, como el aclarado de nubes marinas , gran parte de la tecnología necesaria ya existe: fabricación de productos químicos , proyectiles de artillería , aeronaves de gran altitud, globos meteorológicos , etc. Los desafíos técnicos no resueltos incluyen métodos para entregar el material en un diámetro controlado con buenas propiedades de dispersión.
  • Escalabilidad : Algunas técnicas de geoingeniería solar, como los techos fríos y la protección contra el hielo , solo pueden proporcionar una intervención limitada en el clima debido a una escala insuficiente; no se puede reducir la temperatura en más de una cierta cantidad con cada técnica. La investigación ha sugerido que esta técnica puede tener un alto "potencial de forzamiento" radiativo.

Incertidumbres

Es incierto cuán efectiva sería cualquier técnica de geoingeniería solar, debido a las dificultades para modelar sus impactos y la naturaleza compleja del sistema climático global . Ciertos problemas de eficacia son específicos de los aerosoles estratosféricos.

  • Vida útil de los aerosoles : los aerosoles de azufre troposférico son de corta duración. La entrega de partículas a la estratosfera inferior en el Ártico generalmente asegurará que permanezcan en el aire solo durante unas pocas semanas o meses, ya que el aire en esta región es predominantemente descendente. Para garantizar la resistencia, se necesita una entrega a mayor altitud, lo que garantiza una resistencia típica de varios años al permitir la inyección en el tramo ascendente de la circulación de Brewer-Dobson por encima de la tropopausa tropical . Además, el tamaño de las partículas es crucial para su resistencia.
  • Entrega de aerosol : Hay dos propuestas sobre cómo crear una nube de aerosol de sulfato estratosférico, ya sea mediante la liberación de un gas precursor ( SO
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    ) o la liberación directa de ácido sulfúrico ( H
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    ) y estos se enfrentan a diferentes desafíos. Si SO
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    se libera gas que se oxidará para formar H
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    y luego se condensan para formar gotitas lejos del lugar de la inyección. Liberando SO
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    no permitiría controlar el tamaño de las partículas que se forman pero no requeriría un mecanismo de liberación sofisticado. Las simulaciones sugieren que como el SO
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    la tasa de liberación aumenta, habría rendimientos decrecientes sobre el efecto de enfriamiento, ya que se formarían partículas más grandes que tienen una vida útil más corta y son dispersores de luz menos efectivos. Si H
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    se libera directamente, las partículas de aerosol se formarían muy rápidamente y, en principio, el tamaño de las partículas podría controlarse, aunque los requisitos de ingeniería para esto son inciertos. Suponiendo una tecnología para directo H
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    La liberación podría ser concebida y desarrollada, permitiría el control sobre el tamaño de las partículas para posiblemente aliviar algunas de las ineficiencias asociadas con SO
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    liberación.

Costo

Los primeros estudios sugieren que la inyección de aerosol estratosférico podría tener un costo directo relativamente bajo. El costo anual de entregar 5 millones de toneladas de un aerosol mejorador del albedo (suficiente para compensar el calentamiento esperado durante el próximo siglo) a una altitud de 20 a 30 km se estima en US $ 2 mil millones a 8 mil millones. En comparación, las estimaciones de costos anuales para el daño climático o la mitigación de emisiones oscilan entre 200 mil millones de dólares estadounidenses y 2 billones de dólares.

Un estudio de 2016 encuentra que el costo por 1 W / m 2 de enfriamiento se encuentra entre 5 y 50 mil millones de USD / año. Debido a que las partículas más grandes son menos eficientes en el enfriamiento y caen del cielo más rápido, se espera que el costo de enfriamiento unitario aumente con el tiempo a medida que una dosis mayor conduce a partículas más grandes, pero menos eficientes, por mecanismos como la coalescencia y la maduración de Ostwald. Suponga que se necesitarían RCP8.5, -5.5 W / m 2 de enfriamiento para 2100 para mantener el clima de 2020. Al nivel de dosis requerido para proporcionar este enfriamiento, la eficiencia neta por masa de aerosoles inyectados se reduciría por debajo del 50% en comparación con el despliegue de bajo nivel (por debajo de 1W / m 2 ). Con una dosis total de -5,5 W / m 2 , el costo estaría entre 55-550 mil millones de USD / año cuando también se tiene en cuenta la reducción de la eficiencia, llevando el gasto anual a niveles comparables a otras alternativas de mitigación.

Otros posibles efectos secundarios

La geoingeniería solar en general plantea varios problemas y riesgos. Sin embargo, ciertos problemas son específicos o más pronunciados con la inyección de sulfuro estratosférico.

  • Agotamiento de la capa de ozono : es un efecto secundario potencial de los aerosoles de azufre; y estas preocupaciones han sido respaldadas por modelos. Sin embargo, esto solo puede ocurrir si cantidades suficientemente altas de aerosoles se desplazan o se depositan en las nubes estratosféricas polares antes de que los niveles de CFC y otros gases destructores del ozono caigan naturalmente a niveles seguros porque los aerosoles estratosféricos, junto con los gases destructores del ozono, son responsable del agotamiento del ozono. Por tanto, se ha propuesto la inyección de otros aerosoles que pueden ser más seguros como la calcita. La inyección de aerosoles sin sulfuro como la calcita (piedra caliza) también tendría un efecto refrescante al tiempo que contrarrestaría el agotamiento del ozono y se esperaría que redujera otros efectos secundarios.
  • Blanqueamiento del cielo : Habría un efecto en la apariencia del cielo por la inyección de aerosol estratosférico, notablemente un ligero enturbiamiento del cielo azul y un cambio en la apariencia de las puestas de sol . La forma en que la inyección de aerosol estratosférico puede afectar a las nubes sigue siendo incierta. Según un estudio sobre un aire más limpio, la reducción de la contaminación por aerosoles ha provocado una iluminación solar en Europa y América del Norte, que ha sido responsable de un aumento en la producción de maíz de EE. UU. Durante los últimos 30 años.
  • Cambio de temperatura estratosférica : los aerosoles también pueden absorber algo de radiación del Sol, la Tierra y la atmósfera circundante. Esto cambia la temperatura del aire circundante y podría tener un impacto potencial en la circulación estratosférica, que a su vez puede afectar la circulación de la superficie.
  • Deposición y lluvia ácida : La deposición superficial de sulfato inyectado en la estratosfera también puede tener un impacto en los ecosistemas. Sin embargo, la cantidad y la amplia dispersión de los aerosoles inyectados significa que su impacto sobre las concentraciones de partículas y la acidez de la precipitación sería muy pequeño.
  • Consecuencias ecológicas : Las consecuencias de la inyección de aerosoles estratosféricos en los sistemas ecológicos son desconocidas y potencialmente varían según el ecosistema con diferentes impactos en los biomas marinos y terrestres.

Investigación al aire libre

Casi todo el trabajo hasta la fecha sobre la inyección de sulfato estratosférico se ha limitado a trabajos de modelado y de laboratorio. En 2009, un equipo ruso probó la formación de aerosoles en la troposfera inferior utilizando helicópteros. En 2015, David Keith y Gernot Wagner describieron un posible experimento de campo, el Experimento de Perturbación Controlada Estratosférica (SCoPEx), utilizando inyección de carbonato de calcio estratosférico , pero hasta octubre de 2020 aún no se había determinado la hora y el lugar.

En 2012, el proyecto de inyección de partículas estratosféricas para ingeniería climática (SPICE), dirigido por la Universidad de Bristol, planificó una prueba de campo limitada para evaluar un posible sistema de suministro. El grupo recibió el apoyo de EPSRC , NERC y STFC por una suma de £ 2,1 millones y fue uno de los primeros proyectos del Reino Unido destinados a proporcionar conocimientos basados ​​en pruebas sobre la gestión de la radiación solar. Aunque se cancelaron las pruebas de campo, el panel del proyecto decidió continuar con los elementos de laboratorio del proyecto. Además, se llevó a cabo un ejercicio de consulta con el público en un proyecto paralelo de la Universidad de Cardiff , con una exploración específica de las actitudes hacia la prueba SPICE. Esta investigación encontró que casi todos los participantes en la encuesta estaban dispuestos a permitir que prosiguiera la prueba de campo, pero muy pocos se sentían cómodos con el uso real de aerosoles estratosféricos. Una campaña de oposición a la geoingeniería liderada por el Grupo ETC redactó una carta abierta pidiendo la suspensión del proyecto hasta que se alcance un acuerdo internacional, señalando específicamente la próxima convención de las partes del Convenio sobre la Diversidad Biológica en 2012.

Gobernancia

La mayor parte de la gobernanza existente de los aerosoles de sulfato estratosférico proviene de la que se aplica a la gestión de la radiación solar de manera más amplia. Sin embargo, algunos instrumentos legales existentes serían relevantes para los aerosoles de sulfato estratosférico específicamente. A nivel internacional, el Convenio sobre la contaminación atmosférica transfronteriza a larga distancia (Convenio CLRTAP) obliga a los países que lo han ratificado a reducir sus emisiones de contaminantes atmosféricos transfronterizos particulares. En particular, tanto la gestión de la radiación solar como el cambio climático (así como los gases de efecto invernadero) podrían satisfacer la definición de "contaminación del aire" que los signatarios se comprometen a reducir, dependiendo de sus efectos negativos reales. Los compromisos con valores específicos de los contaminantes, incluidos los sulfatos, se realizan a través de protocolos del Convenio CLRTAP. La implementación completa o las pruebas de campo de respuesta climática a gran escala de aerosoles de sulfato estratosférico podrían hacer que los países excedan sus límites. Sin embargo, debido a que las inyecciones estratosféricas se esparcirían por todo el mundo en lugar de concentrarse en unos pocos países cercanos, y podrían conducir a reducciones netas en la "contaminación del aire" que la Convención CLRTAP debe reducir.

La inyección estratosférica de aerosoles de sulfato haría que la Convención de Viena para la Protección de la Capa de Ozono fuera aplicable debido a sus posibles efectos nocivos sobre el ozono estratosférico. Ese tratado generalmente obliga a sus Partes a promulgar políticas para controlar las actividades que "tienen o es probable que tengan efectos adversos como resultado de la modificación o posible modificación de la capa de ozono". El Protocolo de Montreal de la Convención de Viena prohíbe la producción de determinadas sustancias que agotan la capa de ozono mediante su eliminación. Actualmente, los sulfatos no se encuentran entre las sustancias prohibidas.

En los Estados Unidos, la Ley de Aire Limpio podría otorgar a la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos autoridad para regular los aerosoles de sulfato estratosférico.

Siembra de Welsbach

La siembra de Welsbach es un método de ingeniería climática patentado que implica la siembra de la estratosfera con pequeñas partículas de óxido metálico (de 10 a 100 micrones ) ( dióxido de torio , óxido de aluminio ). El propósito de la siembra de Welsbach sería "(reducir) el calentamiento atmosférico debido al efecto invernadero resultante de una capa de gases de efecto invernadero", mediante la conversión de la energía radiativa en longitudes de onda del infrarrojo cercano en radiación en longitudes de onda del infrarrojo lejano, permitiendo que algunos de los convertidos radiación para escapar al espacio, enfriando así la atmósfera. La siembra descrita se realizaría mediante aviones a altitudes entre 7 y 13 kilómetros.

Patentar

El método fue patentado por Hughes Aircraft Company en 1991, patente estadounidense 5003186. Cita de la patente:

"El calentamiento global ha sido una gran preocupación para muchos científicos ambientales. Los científicos creen que el efecto invernadero es responsable del calentamiento global. Se han generado cantidades mucho mayores de gases que atrapan el calor desde la Revolución Industrial. Estos gases, como CO 2 , CFC , y el metano, se acumulan en la atmósfera y permiten que la luz solar fluya libremente pero impiden que el calor escape (efecto invernadero). Estos gases son relativamente transparentes a la luz solar pero absorben fuertemente la radiación infrarroja de longitud de onda larga liberada por la tierra ".

"Esta invención se refiere a un método para la reducción del calentamiento global resultante del efecto invernadero y, en particular, a un método que implica la siembra de la estratosfera terrestre con materiales similares a Welsbach".

Factibilidad

El método nunca se ha implementado y los expertos en geoingeniería actuales no lo consideran una opción viable; de hecho, se considera que el mecanismo propuesto viola la segunda ley de la termodinámica. Los métodos de geoingeniería atmosférica actualmente propuestos utilizarían en cambio otros aerosoles, a altitudes considerablemente más altas.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos