تزریق آئروسل به لایه بالایی اتمسفر راهکاری برای کاهش دمای زمین

به باور یک گروه تحقیقاتی در دانشگاه هاروارد، ممکن است بتوان با تغییر ترکیبات بالای جو زمین به کاهش موقت دمای جهان دست یافت. محققان امیدوار بودند که تابستان امسال، بخشی از این فناوری و اثربخشی فرضیه‌های خود را در پروژه‌ای موسوم به آزمایش آشفتگی کنترل شده استراتوسفر (SCoPEx) محک بزنند. اگرچه کار به تعویق افتاده است، اما این گروه تحقیقاتی هنوز امیدوارند که این آزمایش را در آینده نه چندان دور از سر بگیرند.

منبع نهایی گرمای زمین خورشید است که سمت روز کره زمین را در جریان دائمی تابش مادون قرمز قرار می‌دهد. حدود 30 درصد این تابش توسط جو به فضا منعکس می‌شود، در حالی که بقیه آن در طول روز کره زمین را گرم می‌کند و در شب به فضا بازتاب می‌شود. در توازن ظریفی که در دوران پیش از صنعتی شدن حاکم بود، گرمای ورودی دقیقاً با مقدار گرمایی که به فضا باز می‌گشت، خنثا می‌شد و دمای میانگین جهانی ثابت می‌ماند.

چگونه گازهای گلخانه‌ای زمین را گرم می‌کنند

گازهای گلخانه‌ای مانند دی ‌اکسید کربن، اشعه خورشید را جذب می‌کنند و آن‌را به سمت زمین انتشار می‌دهند و به مرور زمان باعث گرم شدن سیاره ما می‌شوند. مشکل امروز ما این است که انتشار دی اکسید کربن با جذب مقداری از گرما که باید به فضا بازگردد و به دام انداختن آن در اتمسفر، این تعادل را برهم می‌زند. هر چه مقدار دی اکسید کربن در جو بیشتر باشد، درجه حرارت افزایش می‌یابد. در بلند مدت، انسان‌ها باید میزان دی اکسید کربن در جو را کاهش دهند تا از بدتر شدن اثرات تغییرات آب و هوایی پیشگیری کنند، اما برخی فرایندها می‌توانند باعث کاهش کوتاه‌مدت و موقت دمای کره زمین شوند. به‌طور مثال، فوران‌های آتشفشانی، ابرهای گرد و غباری را در استراتوسفر که لایه بالایی جو است به وجود آورده و یک سپر محافظتی ایجاد می‌کنند که مانع رسیدن مقداری از گرمای خورشید به سطح زمین می‌شود. فوران کوه پیناتوبودر فیلیپین در سال 1991 باعث شد میانگین دما در نیمکره شمالی طی 15 ماه به حدود 1 درجه فارنهایت (بیش از نیم درجه سانتیگراد) کاهش یابد. تیم پژوهشگر SCoPEX می‌خواهد به تقلید از این فرایند با تزریق ذرات به اتمسفر فوقاتی دما را پایین بیاورد. ایده اصلی یعنی تزریق آئروسل به استراتوسفر (SAI)، ایده‌‌ ساده‌ای است. یک هواپیمای بلندپرواز یا بالن هلیوم، ذرات میکروسکوپی به نام آئروسل را در استراتوسفر در ارتفاع 20 کیلومتری یا بیشتر که بالاتر از ارتفاع پرواز یک هواپیمای معمولی است، پخش می‌کند. این ذرات در هوا معلق می‌مانند و به دلیل این‌که بسیار کوچک هستند به شکل ابر از زمین قابل مشاهده نیستند، اما به اندازه کافی مات هستند و می‌توانند بخشی از انرژی خورشید را به فضا بازگردانند.  در شبیه‌سازی‌ها، SAI یا همان تزریق آئروسل به استراتوسفر یک مفهوم قابل اجرا به نظر می‌رسد. گزارش هیئت بین دولتی تغییرات اقلیمی (IPCC) در سال 2018، نشان داد ناوگان هواپیماهای بلندپرواز می‌تواند آئروسل‌های کافی را برای جبران سطوح فعلی گرمایش زمین در اتمسفر قرار دهند. با این‌حال، آئروسل‌ها باید هر چند سال یکبار دوباره تازه شوند، این روش تنها به یکی از علائم تغییرات اقلیمی می‌پردازد و ریشه اصلی مشکل یعنی اثر گلخانه‌ای، همچنان به قوت خود باقی خواهد ماند. در بهترین حالت، این راهکار می‌تواند یک اقدام موقتی برای مقابله با افزایش دما باشد، ضمن این که همزمان کشورهای دیگر باید سطح دی اکسید کربن را کاهش دهند. تاکنون، تحقیقات انجام گرفته در خصوص SAI، به صورت تئوری بوده‌اند و توسط داده‌های معدودی از داده‌های واقعی حاصل از فوران آتشفشان تکمیل شده است. پژوهشگران SCoPEx می‌خواهند اندازه‌گیری‌ها واقعی و تحت شرایط کنترل شده انجام شوند تا امکان واسنجی (Calibration) بهتر مدل‌های کامپیوتری فراهم شود.  فرانک کیوتش، محقق اصلی پروژه در حوزه شیمی و بیولوژی شیمیایی در دانشگاه هاروارد می‌گوید: «اگر بخواهیم اطلاعات مفیدی در اختیار تصمیم‌گیرندگان قرار دهیم تا در مورد تاثیرگذاری این راهکار مطمئن شوند، باید مدل‌های خود را با اندازه‌گیری‌ها و مشاهدات عینی به اثبات برسانیم.»آتشفشان‌ها عمدتا ترکیبات گوگردی از خود منتشر می‌کنند که این ترکیبات به لایه ازن که نقش محافظتی در برابر تابش مضر UV دارد آسیب می‌زنند. بنابراین تیم پژوهشگر SCoPEX روی آئروسل‌های بی‌ضررتر کربنات کلسیم یا به عبارت دقیق‌تر گرد و غبار متمرکز شده‌اند و امیدوارند بدون خسارت به لایه ازن، اثر خنک‌کنندگی مطلوبی را ایجاد کنند.

آزمایش پیشنهادی

این تیم پژوهشگر قصد دارد یک بالن هلیوم بزرگ بدون سرنشین را مستقر کند که شبیه یک بالن استاندارد هواشناسی است با این تفاوت که پروانه‌هایی دارد که به پژوهشگران اجازه می‌دهند از روی زمین به صورت کنترل شده آن را کنترل کنند. دانشمندان می‌خواهند با کمک شرکت فضایی سوئدی، این بالن را در نزدیکی منطقه Kiruna در سوئد به هوا بفرستند. این بالن در اولین پرواز خود که به‌طور آزمایشی برای سال 2022 برنامه‌ریزی شده، چیزی را در استراتوسفر آزاد نمی‌کند. در مقابل به ارتفاع 12.4 مایل صعود می‌کند، جایی که تیم پژوهشگر سیستم مانور را آزمایش می‌کنند و درستی عملکرد تمام ابزارها و ارتباطات علمی را مورد بررسی قرار می‌دهند. اگر آزمایش موفقیت‌آمیز باشد در پرواز دوم یک آزادسازی کنترل شده (1 تا 2 کیلوگرم) کربنات کلسیم در همان ارتفاع انجام می‌شود. بالن در طول رهاسازی به‌طور پیوسته در یک خط مستقیم حرکت می‌کند، بنابراین ذرات آئروسل یک ستون باریک به طول 1 کیلومتر ایجاد می‌کنند. به گفته وب‌سایت SCoPEx، این بالن دوباره از همان مسیر به عقب بر می‌گردد و نحوه پراکندگی ذرات در طول زمان و میزان بازتاب نور خورشید را مورد بررسی قرار می‌دهد. پرواز آزمایشی SCoPEx به درک دانشمندان از SAI کمک فراوانی می‌کند و اطلاعات ارزشمندی در اختیار آن‌ها قرار می‌دهد. دیوید کیث، استاد فیزیک کاربردی در هاروارد و یکی از دانشمندان این پروژه می‌گوید: «هدف این است که مدل‌های شکل‌گیری آئروسل‌ها در استراتوسفر را بهبود ببخشیم.» به گفته کیث، قبل از انتشار آئروسل در مقیاس بزرگ، حداقل به یک دهه دیگر تحقیق و پژوهش نیاز داریم و این ممکن است شامل تزریق حدود 1.5 میلیون تن آئروسل در استراتوسفر در سال باشد. برای حمل مداوم این بارها تا ارتفاع 20 کیلومتری تقریبا صد هواپیما لازم است. 

اختلاف نظر

با این حال SAI همچنان محل بحث و مناقشه است. یک نگرانی این است که انسان‌ها که در وهله اول با پمپاژ گاز گلخانه‌ای به جو زمین، بحران آب و هوایی را ایجاد کرده‌اند، چگونه می‌توانند مطمئن باشند که تزریق آئروسل‌ها به هوا می‌تواند اوضاع را بهتر کند؟ اگرچه مدل‌سازی کامپیوتری نشان می‌دهد SAI بی‌خطر است، اما هنوز هم احتمال وجود عوارض جانبی پیش‌بینی نشده وجود دارد. این احتمال وجود دارد که این اقدام الگوهای آب و هوایی را مختل کند و با کاهش میزان نور خورشید به محصولات آسیب برساند و در صورت استفاده از آئروسل‌های سولفیدی لایه ازن آسیب ببیند. در واقع برخی دانشمندان در دنبال کردن مسیر SAI محتاط هستند. داگلاس مک مارتین، محقق و مدرس ارشد مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه کرنل و استاد تحقیق در محاسبات و علوم ریاضی در انستیتوی کالیفرنیا، می‌گوید: «این که سعی کنیم کل اکوسیستم آب و هوایی را در کنترل خود بگیریم، یک ایده بسیار وحشتناک است. عدم قطعیت ترکیبی، از جمله بلوغ تکنولوژیکی، درک فیزیکی، تاثیرات بالقوه و چالش‌های حاکمیتی، توانایی اجرای طرح اصلاح تابش خورشید (SRM) را در آینده نزدیک محدود می‌کند.» به دلیل این نگرانی‌ها، تیم SCoPEx سفر هوایی اولین بالن هلیومی خود را به تعویق انداختند تا زمانی که بتوانند به فرایند مشارکتی جامع‌تری برای رسیدگی به مسائل مرتبط با تحقیقات ژئو مهندسی خورشیدی در سوئد دست یابند.  بنا براستدلال کیث، خطر واقعی در سازمان‌‌های خودرای1 نهفته است که SAI را بدون نوع داده‌های علمی که SCoPEx می‌‌خواهد به اجرا در می‌آورند. دومین اعتراض بزرگی که به SAI وارد می‌شود این است که دولت‌ها و شرکت‌هایی که تمایلی به کاهش انتشار دی اکسیدکربن ندارند، برای آن‌که اثبات کنند نیاز به چنین کاهش‌هایی نیست به SAI متصل می‌شوند. این وضعیت می‌تواند مزایای بالقوه SAI را نفی کند. حتی اگر ماموریت SCoPEx موفقیت‌آمیز باشد و SAI به‌طور کامل اجرا شود، تنها می‌تواند به کاهش دی اکسید کربن کمک کند. به عقیده مدیرعامل برنامه تحقیقاتی ژئو مهندسی خورشیدی هاروارد: «SAI مانند یک مسکن است. اگر به جراحی نیاز داشته باشید و داروی ضددرد و مسکن استفاده ‌کنید، به این معنا نیست که دیگر به جراحی نیاز ندارید.»   

پی‌نوشت:

1- Maverick Organizations