När det gäller energiproduktion, det finns inget sådant som en gratis lunch, tyvärr.

När världen börjar sin storskaliga övergång till energikällor med låga koldioxidutsläpp, det är viktigt att för- och nackdelarna med varje typ är väl förstådda och miljöpåverkan av förnybar energi, hur små de än är i jämförelse med kol och gas, anses.

I två tidningar - publicerade i Miljöforskningsbrev och Joule — Forskare från Harvard University finner att övergången till vind- eller solkraft i USA skulle kräva fem till 20 gånger mer landyta än man tidigare trott, och om sådana storskaliga vindkraftsparker byggdes, skulle värma genomsnittliga yttemperaturer över det kontinentala USA med 0,24 grader Celsius.

"Vinden slår kol med alla miljömått, men det betyder inte att dess effekter är försumbara, sa David Keith, Gordon McKay professor i tillämpad fysik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) och senior författare till tidningarna. "Vi måste snabbt gå bort från fossila bränslen för att stoppa koldioxidutsläppen. Genom att göra det, vi måste göra val mellan olika koldioxidsnåla tekniker, som alla har vissa sociala och miljömässiga effekter."

Keith är också professor i offentlig politik vid Harvard Kennedy School.

Ett av de första stegen för att förstå miljöpåverkan av förnybar teknik är att förstå hur mycket landyta som skulle krävas för att möta framtida amerikanska energibehov. Även från och med dagens energibehov, landarean och tillhörande effekttätheter som krävs har länge diskuterats av energiexperter.

I tidigare forskning, Keith och medförfattare modellerade genereringskapaciteten hos storskaliga vindkraftsparker och drog slutsatsen att verklig vindkraftsproduktion hade överskattats eftersom de försummade att noggrant redogöra för interaktionerna mellan turbiner och atmosfären. I 2013 års forskning, Keith beskrev hur varje vindturbin skapar en "vindskugga" bakom sig där luften har bromsats av turbinens blad. Dagens vindkraftparker i kommersiell skala rymd noggrant turbiner för att minska påverkan av dessa vindskuggor, men med tanke på förväntningarna att vindkraftsparker kommer att fortsätta att expandera när efterfrågan på vinddriven el ökar, interaktioner och tillhörande klimatpåverkan kan inte undvikas.

Vad som saknades i denna tidigare forskning, dock, var observationer till stöd för modelleringen. Sedan, för några månader sedan, United States Geological Survey släppte platsen för 57, 636 vindturbiner runt om i USA. Genom att använda denna datauppsättning, i kombination med flera andra amerikanska myndigheters databaser, Keith och postdoktor Lee Miller kunde kvantifiera effekttätheten för 411 vindkraftsparker och 1, 150 solcellsanläggningar i drift i USA under 2016.

"För vinden, vi fann att den genomsnittliga effekttätheten – vilket betyder energigenereringshastigheten dividerat med vindkraftverkets omgivande yta – var upp till 100 gånger lägre än uppskattningar av några ledande energiexperter, sa Miller, som är den första författaren till båda tidningarna. "De flesta av dessa uppskattningar tog inte hänsyn till turbin-atmosfärens interaktion. "För ett isolerat vindturbin, interaktioner är inte alls viktiga, men när vindparkerna är mer än fem till tio kilometer djupa, dessa interaktioner har en stor inverkan på effekttätheten."

De observationsbaserade vindkraftstätheterna är också mycket lägre än viktiga uppskattningar från US Department of Energy (DOE) och Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).

För solenergi, den genomsnittliga effekttätheten (mätt i watt per kvadratmeter) är 10 gånger högre än vindkraft, men också mycket lägre än uppskattningar av ledande energiexperter.

Denna forskning tyder på att vindkraftparker inte bara kommer att kräva mer landyta för att nå de föreslagna målen för förnybar energi utan också, i så stor skala, skulle bli en aktiv aktör i klimatsystemet.

Nästa fråga, som utforskats i journalen Joule , var hur sådana storskaliga vindkraftsparker skulle påverka klimatsystemet.

För att uppskatta effekterna av vindkraft, Keith och Miller etablerade en baslinje för det amerikanska klimatet 2012-2014 med hjälp av en vanlig väderprognosmodell. Sedan, de täckte en tredjedel av den kontinentala USA med tillräckligt med vindkraftverk för att möta dagens amerikanska elbehov. Forskarna fann att detta scenario skulle värma yttemperaturen på det kontinentala USA med 0,24 grader Celsius, med de största förändringarna på natten när yttemperaturen ökade med upp till 1,5ºC. Denna uppvärmning är resultatet av att vindkraftverk aktivt blandar atmosfären nära marken och i luften samtidigt som de extraherar från atmosfärens rörelse.

Denna forskning stödjer mer än tio andra studier som observerade uppvärmning nära amerikanska vindkraftsparker i drift. Miller och Keith jämförde sina simuleringar med satellitbaserade observationsstudier i norra Texas och fann ungefär konsekventa temperaturökningar.

Miller och Keith är snabba med att påpeka osannolikheten i att USA genererar så mycket vindkraft som de simulerar i deras scenario, men lokal uppvärmning sker i ännu mindre projektioner. Följdfrågan är då att förstå när de växande fördelarna med att minska utsläppen är ungefär lika med vindkraftens nästan omedelbara effekter.

Harvard-forskarna fann att den uppvärmningseffekt i det kontinentala USA som orsakas av vindkraftverk faktiskt är större än effekten av minskade utsläpp under det första århundradet av dess drift. Detta beror på att uppvärmningseffekten övervägande är lokal för vindkraftsparken, medan växthusgaskoncentrationerna måste minskas globalt innan fördelarna realiseras.

Millar och Keith upprepade beräkningen för solenergi och fann att dess klimatpåverkan är ungefär tio gånger mindre än vindens.

"Den direkta klimatpåverkan från vindkraft är omedelbar, medan fördelarna med minskade utsläpp ackumuleras långsamt, " säger Keith. "Om ditt perspektiv är de kommande 10 åren, vindkraft har faktiskt – i vissa avseenden – mer klimatpåverkan än kol eller gas. Om ditt perspektiv är de kommande tusen åren, då har vindkraft enormt mindre klimatpåverkan än kol eller gas."

"Arbetet ska inte ses som en grundläggande kritik av vindkraft, ", sa Keith. "En del av vindens klimatpåverkan kommer att vara fördelaktig – flera globala studier visar att vindkraft kyler polarområdena. Snarare, Arbetet bör ses som ett första steg i att bli mer seriös med att bedöma dessa effekter för alla förnybara energikällor. Vår förhoppning är att vår studie, kombinerat med de senaste direkta observationerna, markerar en vändpunkt där vindkraftens klimatpåverkan börjar seriöst beaktas i strategiska beslut om koldioxidutsläpp i energisystemet."