Ефективність методів стратосферної аерозольної геоінженерії у боротьбі з глобальними змінами клімату

Abstract

Нечипорук T.A., Русин І.Б. (керівник). Ефективність методів стратосферної аерозольної геоінженерії у боротьбі з глобальними змінами клімату. Бакалаврська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2025 рік. Кількість сторінок – 137.

РОЗШИРЕНА АНОТАЦІЯ

Боротьба зі зміною клімату та глобальним потеплінням є однією з найважливіших і водночас складних проблем нашого часу, для розв'язання якої необхідні зусилля всіх країн світу. Щоб уникнути катастрофічних наслідків від викидів CO2, необхідна революційна трансформація існуючих енергетичних і транспортних систем на глобальному рівні [20]. Все більше вчених та громадськість занепокоєні тим, що перехід до вуглецьнейтральної економіки відбувається надто повільно, щоб уникнути ризику небезпечних змін клімату, спричинених викидами CO2 та інших атмосферних компонентів. Оскільки для досягнення відчутного ефекту від скорочення викидів парникових газів та повного переходу до вуглецьнейтральності можуть знадобитися десятиліття, постає нагальна потреба у швидкодіючих рішеннях для тимчасового стримування глобального потепління. На думку багатьох вчених і політиків, інжекція дрібних аерозольних частинок у стратосферу є одним з найбільш ефективних, реалістичних та швидких способів протидії глобальному потеплінню в XXI столітті та в майбутньому. Ідея геоінженерії (навмисна зміна клімату Землі людською діяльністю) обговорювалася ще з 1830-х років, коли Дж. П. Еспі запропонував ідею підпалювання великих вогнищ для стимулювання конвективних потоків і зміни інтенсивності та частоти опадів. З того часу геоінженерія вивчалась з різних причин ? від створення умов для життя в полярних регіонах до модифікації кліматичних умов. Стратосферна аерозольна інжекція передбачає введення в стратосферу дрібних аерозольних часток (наприклад, сірчаних сполук), які утворюють тонкий шар в атмосфері, здатний відбивати частину сонячного світла. Таким чином, цей метод має на меті охолодження планети шляхом зменшення кількості тепла, що поглинається її поверхнею. Введення аерозолів у стратосферу створює ефект, подібний до того, який спостерігається після великих вулканічних вивержень, коли в атмосферу потрапляють сірчисті аерозолі [1]. Наразі комп'ютерне моделювання є основним методом для вивчення та оцінки ефективності технології геоінженерії. Для розробки науково обґрунтованих сценаріїв інжекції аерозолів використовують модель, в якій змінними стану є аномалії середньої глобальної температури поверхні та температури глибоких океанських вод, а змінною управління ? швидкість викидів прекурсорів аерозолів. Запропонована методика, базована на принципі максимуму Понтрягина, надає цінну інформацію для створення оптимальних стратегій кліматичної інженерії, спрямованих на боротьбу з глобальним потеплінням у XXI столітті та в майбутньому [23]. Геоінженерія, зокрема методи охолодження планети, отримує все більше уваги як альтернативна стратегія для пом’якшення глобального потепління в умовах повільного прогресу інших способів боротьби із зміною клімату, пов’язаного з величезним масштабом необхідної трансформації та інерцією у зміні енергетичної інфраструктури. Це перспективна дієва технологія, водночас, геоінженерія має свої ризики та невизначеності, зокрема, стосовно використання стратосферних аерозолів. Одним із головних застережень є можливість порушення глобальних погодних і опадових режимів, що може спричинити непередбачувані наслідки для екосистем та сільського господарства у різних регіонах світу [30; 36]. Тому необхідно ретельно вивчити потенційні побічні ефекти стратосферної інжекції аерозолів та об’єктивно оцінити її безпеку та довгостроковий вплив на кліматичну систему, біосферу та життєдіяльність людини, перш ніж переходити до масштабного впровадження таких технологій. Метою дослідження є оцінка ефективності, екологічної безпеки та економічної доцільності методів аерозольної геоінженерії. Об’єкт дослідження: процес інжекції аерозолів. Предмет дослідження: оптимальні географічні широти та висоти введення аерозолів, маса та розмір частинок аерозолю, екологічні переваги та потенційні ризики, а також економічна доцільність застосування методів стратосферної аерозольної геоінженерії. Проаналізовано вплив інжекції сульфатних аерозолів у стратосферу на глобальне зниження температури, а також досліджено ефекти від введення аерозолів морської солі в тропосферу в межах технології освітлення хмар. Обґрунтованo технологічні параметри інжеції аерозолів: оптимальні широти, висота, маса та розмір частинок. Оцінено можливі ризики для довкілля, пов’язані з впровадженням геоінженерних підходів. Проведено економічну оцінку доцільності застосування методів геоінженерії.Nechyporuk T.A, Rusyn I.B. (curator). Effectiveness of stratospheric aerosol geoengineering methods in combating global climate change. Bachelor's thesis. - "Lviv Polytechnic" National University, Lviv, 2023. Number of pages – 137.

EXTENDED ABSTRACT Combating climate change and global warming is one of the most critical and complex challenges of our time, requiring the collective efforts of all countries worldwide. To avoid the catastrophic consequences of CO2 emissions, a revolutionary transformation of the existing energy and transport systems on a global scale is necessary [20]. However, an increasing number of scientists and members of the public are concerned that the transition to a carbon-neutral economy is progressing too slowly to mitigate the risks of dangerous climate changes caused by CO2 and other atmospheric emissions. Since achieving a tangible effect from greenhouse gas emission reductions and completing the transition to carbon neutrality may take decades, there is an urgent need for rapid solutions to temporarily curb global warming. According to many scientists and policymakers, the injection of fine aerosol particles into the stratosphere is considered one of the most effective, realistic, and fast-acting strategies to counter global warming in the 21st century and beyond. The idea of geoengineering, intentional climate modification through human activities, has been discussed since the 1830s, when J.P. Espy proposed igniting large fires to induce convective air currents and alter the intensity and frequency of precipitation. Since then, geoengineering has been studied for various purposes, ranging from making polar regions habitable to modifying climate conditions. Stratospheric aerosol injection (SAI) involves the introduction of fine aerosol particles (e.g., sulfur compounds) into the stratosphere, where they form a thin atmospheric layer capable of reflecting part of the incoming solar radiation. This method aims to cool the planet by reducing the amount of heat absorbed by the Earth's surface. The cooling effect is similar to the aftermath of large volcanic eruptions, which release sulfur aerosols into the atmosphere [1]. Currently, computer modeling is the primary tool used to study and assess the effectiveness of geoengineering technologies. To develop scientifically sound scenarios for aerosol injection, a simplified model is employed in which the state variables are anomalies in the global mean surface temperature (GMST) and deep ocean temperature, while the control variable is the aerosol precursor emission rate. The proposed methodology, based on Pontryagin’s maximum principle, provides valuable insights for designing optimal climate engineering strategies to combat global warming in the 21st century and beyond [23]. Geoengineering, particularly planetary cooling techniques, is gaining increasing attention as an alternative strategy for mitigating global warming, especially given the slow progress of conventional climate solutions caused by the immense scale of transformation needed and inertia in energy infrastructure change. While geoengineering holds promise as an effective approach, it also presents significant risks and uncertainties, particularly regarding stratospheric aerosol use. One of the main concerns is the potential disruption of global weather and precipitation patterns, which could lead to unpredictable consequences for ecosystems and agriculture in various regions of the world [30; 36]. Therefore, it is essential to thoroughly investigate the potential side effects of stratospheric aerosol injection and objectively evaluate its safety and long-term impact on the climate system, the biosphere, and human well-being before implementing such technologies on a large scale. The aim of the study is to assess the effectiveness, environmental safety, and economic feasibility of aerosol geoengineering methods. Object of the study: the process of aerosol injection. Subject of the study: optimal geographic latitudes and altitudes for aerosol injection, aerosol particle mass and size, environmental benefits and potential risks, as well as the economic feasibility of applying stratospheric aerosol geoengineering methods. The study analyzes the impact of sulfate aerosol injection into the stratosphere on global temperature reduction, as well as the effects of sea salt aerosol injection into the troposphere within the framework of cloud brightening technology. The technological parameters of aerosol injection have been substantiated, including optimal latitudes, altitude, particle mass, and size. Potential environmental risks associated with the implementation of geoengineering approaches have been assessed. An economic evaluation of the feasibility of using these methods has also been conducted.