О возможности совместного решения проблем сохранения климата Арктики и понижения уровня загрязнения атмосферы в Норильске
А.Г. Рябошапко
Резюме
Рассмотрено геоинженерное воздействие на климатическую систему Арктики с использованием инжекции в нижнюю стратосферу диоксида серы как предшественника сульфатных аэрозолей. Предложен вариант использования соединений серы, выбрасываемых в настоящее время в приземный слой атмосферы комбинатом «ОАО Норильский Никель». Для расчетов использовалась модель глобальной земной климатической системы INMCM3. В расчетах принято, что концентрация парниковых газов (CO2, CH4 и N2O) до середины текущего века будет расти в соответствии со сценарием МГЭИК RCP8.5. Расчеты показали, что инжекция в нижнюю стратосферу 1.9 Мт SO2/год смогла бы существенно затормозить потепление Арктики и уменьшить риск полного исчезновения ледового покрова в Северном Ледовитом океане. Кроме того, использование SO2 из выбросов комбината «ОАО Норильский Никель» в качестве предшественника стратосферных сульфатных аэрозолей позволило бы уменьшить экстремально высокое загрязнение атмосферы г. Норильск.
Ключевые слова. Геоинженерия климата, стратосферные аэрозоли, стабилизация температуры, климат Арктики, изменение климата, Норильск, диоксид серы, загрязнение воздуха.
The geoengineering effect of sulfur dioxide injection into the lower stratosphere (as a precursor of sulfate aerosols) on the Arctic climate system is considered. It is supposed to use sulfur compounds currently emitting into the surface atmospheric layer by "JSC NorNickel" enterprise. The global model of the earth climate system INMCM3 is used for the computation. The calculations are based on the assumption that concentrations of greenhouse gases (CO2, CH4 и N2O) will increase in accordance with IPCC scenario RCP8.5 until the middle of this century. Calculations have shown that injection of 1.9 Mt SO2/year into the lower stratosphere could slow down significantly the Arctic warming and reduce risk of total dissolution of the Arctic Ocean ice cover. In addition, the use of SO2 emitted by "JSC NorNickel" enterprise as a precursor of stratospheric sulfate aerosols would decrease extremely high atmospheric pollution level in Norilsk.
Keywords. Climate geoengineering, stratospheric aerosols, temperature stabilization, Arctic climate, climate change, Norilsk, sulfur dioxide, air pollution.
Введение
Практически не остается сомнений в том, что средняя глобальная приземная температура становится все выше, как и в том, что основной причиной роста является антропогенная эмиссия в атмосферу парниковых газов, главным образом, СО2 (IPCC, 2013; WMO, 2015). Наиболее ярко эффект потепления проявляется в арктическом регионе, где средняя температура возросла на 2-4?, площадь морских льдов сокращается на 13% за декаду в период с 1979 по 2012 гг (NAS, 2015). Самый важный фактор, определяющий ситуацию в Арктике, - это положительная обратная связь между изменяющимся альбедо поверхности (лед или морская вода) Северного Ледовитого океана (СЛО) и сокращающейся площадью ледового покрытия (ПЛП) (IPCC, 2013; Cvijanovic et al., 2015). Модельные расчеты показывают, что при сохранении темпов роста выбросов в атмосферу парниковых газов к концу текущего века многолетний лед в СЛО исчезнет полностью (Ban-Weiss and Caldeira, 2010), при этом процесс может носить необратимый характер (Keith, 2000; Newton et al., 2016). Важно отметить, что по мнению МакКракена и др. (MacCracken et al., 2013) потепление в высоких широтах уже не может быть остановлено только за счет снижения антропогенных выбросов парниковых газов.
Такие резкие изменения климата могут привести к серьезным изменениям параметров арктической среды. В литературе чаще всего упоминается опасность нарушения биоразнообразия (в частности, исчезновение популяции белых медведей). Нагрев ведет к существенной деградации вечной мерзлоты, что чревато возникновением проблем с нарушением хозяйственной инфраструктуры, расположенной на этой территории. Кроме того, таяние вечной мерзлоты служит причиной высвобождения в атмосферу метана - важного парникового газа. Таким образом, возникает положительная обратная связь между ростом эмиссии метана и ростом температуры, способным принять взрывной характер (IPCC, 2013). Однако, можно отметить изменения, носящие для человека позитивный характер: распространение на север территорий землепользования, обеспечение свободного морского судоходства (Bickel and Lane, 2010), облегчение добычи углеводородов на морском шельфе.
К настоящему времени предложено несколько способов стабилизации климата Арктики и восстановления площади ледового покрытия (Ming et al., 2014). Принцип их реализации сводится в основном либо к повышению альбедо подстилающей поверхности, либо к созданию отражающего аэрозольного слоя в нижней стратосфере.
Альбедо морской воды лежит в пределах 0.05-0.1, то есть основная часть солнечной энергии морской водой поглощается. Для снежного покрова Арктики значение альбедо может лежать в пределах 0.7-0.86 (Дроздов и др., 1989). Столь большое различие в значениях альбедо наводит на мысль о том, что если покрыть поверхность существенной части полыней тонким слоем стойкого отражающего свет гидрозоля, поглощение солнечной энергии уменьшится, и температура в целом понизится (Seitz, 2011; Cvijanovic et al., 2015). Возможно повышение альбедо ледового покрова Арктики путем намораживания дополнительного льда при разбрызгивании морской воды в воздухе при отрицательных температурах. Этим создаются условия для наращивания толщины льда и заполнения полыней ледяным покровом.
Наиболее часто в литературе предлагается использовать геоинженерный метод стратосферных сульфатных аэрозолей (ССА), способных отражать коротковолновую солнечную радиацию, снижая тем самым поток солнечной энергии к подстилающей поверхности (Будыко, 1974; ASOC, 2010; Ban-Weiss and Caldeira, 2010; Modak and Bala, 2013). Сульфатные субмикронные частицы должны образовывать отражающий слой на уровне нижней стратосферы (Keith, 2000).
При глобальном воздействии метода ССА на климат будут затронуты интересы всех без исключения стран, и эти интересы в применении инженерии климата могут не совпадать. В этом случае добиться консенсуса на применение метода ССА будет практически невозможно. В случае его применения в Арктике затрагиваются интересы небольшого числа стран, что облегчает нахождение консенсуса (Caldeira and Wood, 2008). В работах (Bickel and Lane, 2010; ASOC, 2010) отмечается, что применение метода ССА именно в Арктике могло бы рассматриваться как крупномасштабный эксперимент перед его глобальным использованием.
Целью данной работы явилось определение величин климатических параметров, обусловленных применением метода ССА (Будыко, 1974) в том гипотетическом случае, если SO2, выбрасываемый в приземную атмосферу расположенными в Арктике антропогенными источниками, тем или иным способом доставлять в стратосферу. Под климатическими параметрами понимается среднегодовая температура приповерхностного слоя воздуха в Арктике и в глобальном масштабе, а также среднегодовая площадь ледового покрытия в Арктике. арктика климатический атмосфера сульфатный
Отметим, что ранее возможность применения метода ССА для стабилизации глобальной температуры в XXI веке подробно исследовалась различными методами. Например, с помощью аналитического подхода (Чернокульский и др. 2010), с помощью энергобалансовых радиационно-конвективных моделей (Фролькис и Кароль, 2010), с помощью климатических моделей промежуточной сложности (Елисеев и др., 2009, Елисеев и Мохов, 2009), а также в рамках совместной климатической модели (Володин и др., 2011).
Математическая модель климатических изменений в Арктике
В настоящее время единственно доступным способом оценки прогнозных характеристик климатических изменений природного или антропогенного генезиса является математическое моделирование процессов, протекающих в атмосфере, океане и в биосфере (IPCC, 2013). Для достижения поставленной цели использовалась модель глобальной земной климатической системы, включающей динамику атмосферы, динамику океана и углеродный цикл (INMCM3).
Модель INMCM3 была разработана в Институте вычислительной математики РАН (Володин, Дианский, 2006), имеет разрешение в атмосфере 5 Ч 4 градуса по долготе и широте, по вертикали 21 уровень до высоты 30 км. В океане разрешение составляет 2.5 Ч 2 градуса по долготе и широте и 33 уровня по вертикали. Следует отметить, что в модели INMCM3 в блоке расчета морского льда учитывается только тепловой баланс на границе океан-атмосфера и не учитывается динамика льда за счет внешних факторов - течений и ветрового воздействия. Также углеродный цикл в данной версии модели используется в неинтерактивном режиме, то есть не учитывается обратная связь углеродного цикла на концентрацию диоксида углерода в атмосфере.
Результаты моделирования современного климата, а также прогнозы будущего климата, с помощью аналогичных моделей представлены в работах [Володин и Дианский, 2006, Володин и др., 2010].
Модель была дополнена блоком, описывающим цикл стратосферного сульфатного аэрозоля (Volodin et al., 2011). Данный блок учитывает процесс химической трансформации предшественников аэрозоля в аэрозольные частицы, а также физические процессы переноса-диффузии, гравитационного оседания и вымывания аэрозольных частиц осадками в тропосфере (Рябошапко, 2011; Володин и др., 2011). Кроме того, в текущем варианте этого блока предшественником сульфатных аэрозолей служил SO2, а не H2S как ранее (Володин и др., 2011). Оценки времени жизни SO2 в стратосфере (время уменьшения массы в e раз) относительно процессов окисления до сульфата, полученные различными авторами (Bluth et al., 1992; Song Guo et al., 2004; Rudnick, 2005; Walace and Hobbs, 2006; Rasch et al., 2008), находятся в хорошем согласии друг с другом и приводят к величине 30±5 дней. Заметим, что основным окислителем SO2 в стратосфере является дневной радикал ОН?. _2B>@K >F5=>: 2@5<5=8 687=8 SO2 основывались на наблюдениях за вулканическим облаком, распространявшимся в, главным образом, в тропической зоне, где продолжительность дневного и ночного времени примерно равна. Это означает, что для дневного времени коэффициент скорости окисления SO2 дневным радикалом ОН? 1C45B 2 ?5@2>< ?@81;865=88 2 2 @070 2KH5.
Изменчивость скорости окисления SO2 имеет принципиальное значение для Арктики, где инсоляция в течение года меняется от нуля в период полярной ночи до максимума в течение полярного дня (McCusker et al., 2012). Исходя из этого, в данной работе принято, что коэффициент скорости окисления SO2 равен нулю в течение полярной ночи, с появлением солнца начинает расти, с наступлением полярного дня достигает двукратной величины от наблюдаемой в тропиках и вновь начинает снижаться до нуля с прекращением инсоляции (McСusker et al, 2012).
Таким образом, при моделировании в расчет принималось то обстоятельство, что климатический эффект ССА в холодный (темный) сезон года либо минимален, либо полностью отсутствует в течение полярной ночи. В период полярного дня применение метода ССА может дать максимальный эффект (Govindasamy and Caldeira, 2000; Robock et al., 2008; Израэль и др., 2009; Kravitzetal., 2010; Kravitz and Robock, 2011; Laakso et al., 2015). Исходя из этого, интенсивность инжекции SO2 на каждом текущем шаге в точке инжекции принималась переменной и пропорциональной продолжительности светового дня в этой точке. Продолжительность светового дня для точки, расположенной на широте ?@0AAG8BK20;0AL ?> D>@<C;5 (_0@>2, 2006):
Tд(час) = 2 arccos (tg??tg?A>; ) /15°, (1)
где Tд - продолжительность светового дня (час), ?A>л- склонение Солнца (град). В свою очередь склонение Солнца вычисляется по формуле:
?A>;= - I ?cos (360° n/365), (2)
где I - угол наклона земной оси к плоскости эклиптики (23.45°), n - число дней, прошедших от последнего зимнего солнцестояния ( n=10+номер текущего дня в году).
Следует иметь в виду еще один сезонно-зависимый механизм выведения из стратосферы как SO2, так и образующихся при его окислении сульфатных частиц. Речь идет об усиливающемся в холодный сезон нисходящем переносе в циклоническом циркумполярном вихре. Нисходящий перенос воздушных масс из нижней стратосферы в тропосферу ведет к уменьшению времени жизни сульфатного аэрозоля, т.е. к снижению климатического геоинженерного эффекта (NAS, 2015). По оценкам работы (Robock et al., 2008) в арктической стратосфере время жизни аэрозоля максимально летом (до 4 месяцев) и минимально зимой.
В модели принято, что инжекция SO2 производится в стратосферный слой на высоте 17-18 км. Этот слой расположен примерно на 5-6 км выше летней арктической тропопаузы. Район инжекции имеет координаты 69°с.ш, 88°в.д. Сделано допущение, что SO2 как предшественник аэрозоля мгновенно и равномерно распределялся в объеме модельной ячейки, в которую осуществляется инжекция. Диаметр образованных в результате окисления сферических сульфатных частиц был принят равным 0.5 мкм. В модели сульфатный цикл использовался в интерактивном режиме. Влияние аэрозолей на климатическую систему учитывалось в радиационном блоке. Процессы нуклеации, конденсации и коагуляции не учитывались, т.е. на любом этапе расчетов распределение частиц по размеру оставалось монодисперсным. В расчетах принималось, что сера в составе аэрозольных частиц представлена серной кислотой, связанной с двумя молекулами воды: H2SO4 · 2H2O (концентрация кислоты 75%, молекулярная масса частицы - 134 г/моль). В соответствии с данными работы (Seinfeld and Pandis, 2016) при заданных условиях коэффициент массовой экстинкции аэрозольных частиц оценен величиной 3.2 м2/г.
Источники SO2 и возможные способы его доставки в стратосферу
В России за северным полярным кругом действует горно-металлургический комбинат «ОАО Норильский Никель», перерабатывающий высокосернистую руду цветных металлов. В процессе обжига руды сера окисляется до SO2. До настоящего времени утилизация SO2 не проводится в силу экономической нерентабельности, и основная доля SO2 выбрасывается в нижний слой атмосферы. Выброс серы в виде SO2 в последние годы составлял около 0.95 МтS/год (1.9 МтSO2/год) (Экологическая стратегия ГМКHYPERLINK "http://rpn.gov.ru/sites/all/files/users/root/attachedfiles/8_dyachenko_v.t._ntu_oao_gmk_nn.ppt"). Это приводит к исключительно высоким уровням загрязнения атмосферы Норильска и к выраженному воздействию на здоровье его населения (Государственный доклад, 2014). В последнее время специалистами ОАО «Норильский Никель» было рассмотрено три варианта решения экологической проблемы Норильска:
- Замена существующих дымовых труб на более высокие.
- Подземное захоронение SO2.
- Дооснащение предприятия установками восстановления SO2 до элементарной серы со складированием последней на открытом воздухе.
Кроме того, планируется создание буферных емкостей для хранения SO2.
В любом случае технически может быть реализована доставка предшественника сульфатных аэрозолей в стратосферу либо в виде исходных дымовых газов с высокой концентрацией SO2, либо в виде чистого SO2, либо в виде элементарной серы со сжиганием последней непосредственно в стратосфере (Будыко, 1974).
Первый детальный обзор вариантов доставки вещества аэрозольных частиц или их предшественников в стратосферу был сделан в 1992 году (NAS, 1992). К настоящему времени количество предлагаемых методов существенно возросло (Robock et al, 2009; Lane et al, 2007; Smitherman, 2000; Appell, 2011; Bolonkin, 2007; Davidson et al, 2012; Ревокатова и Рябошапко, 2015).
Одним из наиболее близких к реализации на данный момент развития технологий может быть вариант использования современных крупнотоннажных самолетов. Этот метод доставки является эффективным и относительно дешевым. Современный парк воздушных судов располагает самолетами, которые потенциально могли бы использоваться в настоящее время или после модернизации для целей доставки аэрозоля или его предшественников в стратосферу (Ревокатова и Рябошапко, 2015). Заслуживает внимания так же метод с использованием привязного аэростата с подачей исходного SO2 с земли в стратосферу на высоту порядка 20 км по трубчатому шлангу (Davidson et al, 2012; Kuo and Hunt, 2015). Оба указанных метода относительно недороги и могут быть развернуты в короткие сроки.