Med hjälp av en sofistikerad datormodell, forskare har för första gången visat att en ny forskningsmetod för geoengineering potentiellt skulle kunna användas för att begränsa jordens uppvärmning till ett specifikt mål och samtidigt minska några av de risker och problem som identifierats i tidigare studier, inklusive ojämn kylning av jordklotet.

Forskarna utvecklade en specialiserad algoritm för en jordsystemmodell som varierar mängden och platsen för geoteknik - i det här fallet, injektioner av svaveldioxid högt upp i atmosfären – det skulle i teorin behövas, år till år, för att effektivt täcka uppvärmningen. De varnar, dock, att mer forskning behövs för att avgöra om detta tillvägagångssätt skulle vara praktiskt, eller till och med möjligt, i den verkliga världen.

Resultaten från den nya forskningen, ledd av forskare från National Center for Atmospheric Research (NCAR), Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), och Cornell University, utgör ett betydande steg framåt inom geoteknikområdet. Fortfarande, det finns många frågor som behöver besvaras om svaveldioxidinjektioner, inklusive hur denna typ av konstruktion kan förändra regionala nederbördsmönster och i vilken utsträckning sådana injektioner skulle skada ozonskiktet. Möjligheten till en global geoengineering-insats för att bekämpa uppvärmningen väcker också allvarliga styrning och etiska problem.

"Detta är en viktig milstolpe och erbjuder löften om vad som kan vara möjligt i framtiden, " sa NCAR-forskaren Yaga Richter, en av huvudförfattarna. "Men det är bara början, det finns mycket mer forskning som behöver göras."

Tidigare modelleringsstudier har vanligtvis försökt svara på frågan "Vad händer om vi gör geoteknik?" Resultaten av dessa studier har beskrivit resultaten – både positiva och negativa – av att injicera en förutbestämd mängd sulfater i atmosfären, ofta precis vid jordens ekvator. Men de försökte inte specificera det resultat de hoppades uppnå från början.

I en rad nya studier, forskarna vände på frågan, frågar istället, "Hur kan geoengineering användas för att uppfylla specifika klimatmål?"

"Vi har verkligen flyttat frågan, och genom att göra det, fann att vi bättre kan förstå vad geoteknik kan åstadkomma, sa Richter.

Forskningsresultaten är detaljerade i en serie artiklar publicerade i ett specialnummer av Journal of Geophysical Research – Atmosfärer.

Efterliknar en vulkan

I teorin, geoteknik – storskaliga ingrepp utformade för att ändra klimatet – kan ta många former, från att skjuta upp kretsande solspeglar till att gödsla kolhungriga havsalger. För denna forskning, teamet studerade ett mycket omdiskuterat tillvägagångssätt:injicera svaveldioxid i den övre atmosfären, ovanför molnskiktet.

Tanken på att bekämpa den globala uppvärmningen med dessa injektioner är inspirerad av historiens mest massiva vulkanutbrott. När vulkaner får utbrott, de luftar svaveldioxid högt upp i atmosfären, där det kemiskt omvandlas till ljusspridande sulfatpartiklar som kallas aerosoler. Dessa sulfater, som kan dröja kvar i atmosfären i några år, sprids runt jorden av stratosfärvindar, bildar ett reflekterande lager som kyler planeten.

För att efterlikna dessa effekter, svaveldioxid kan injiceras direkt i stratosfären, kanske med hjälp av högtflygande flygplan. Men medan injektionerna skulle motverka den globala uppvärmningen, de skulle inte ta itu med alla problem i samband med klimatförändringar, och de skulle sannolikt ha sina egna negativa biverkningar.

Till exempel, injektionerna skulle inte kompensera för havsförsurningen, som är direkt kopplat till koldioxidutsläpp. Geoteknik kan också resultera i betydande störningar i nederbördsmönster samt förseningar i att läka ozonhålet. Dessutom, när geoteknik började, om samhället ville undvika en snabb och drastisk temperaturhöjning, injektionerna skulle behöva fortsätta tills begränsningsinsatserna var tillräckliga för att på egen hand stoppa uppvärmningen.

Det skulle sannolikt också finnas betydande internationella förvaltningsutmaningar som måste övervinnas innan ett geoteknikprogram kan implementeras.

"För beslutsfattare att noggrant väga fördelarna och nackdelarna med geoteknik mot klimatförändringar som orsakas av människor, de behöver mer information, " sa PNNL-forskaren Ben Kravitz, också en huvudförfattare till studierna. "Vårt mål är att bättre förstå vad geoteknik kan göra - och vad det inte kan."

Modellera den komplexa kemin

För de nya studierna, forskarna använde den NCAR-baserade Community Earth System Model med dess utökade atmosfäriska komponent, klimatmodellen för hela atmosfären. WACCM inkluderar detaljerad kemi och fysik för den övre atmosfären och uppdaterades nyligen för att simulera stratosfärisk aerosolutveckling från källgaser, inklusive geoteknik.

"Det var avgörande för den här studien att vår modell skulle kunna exakt fånga kemin i atmosfären så att vi kunde förstå hur snabbt svaveldioxid skulle omvandlas till aerosoler och hur länge dessa aerosoler skulle stanna kvar, " sa NCAR-forskaren Michael Mills, också huvudförfattare. "De flesta globala klimatmodeller inkluderar inte denna interaktiva atmosfäriska kemi."

Forskarna förbättrade också avsevärt hur modellen simulerar tropiska stratosfärvindar, som byter riktning med några års mellanrum. Att korrekt representera dessa vindar är avgörande för att förstå hur aerosoler blåser runt planeten.

Forskarna testade framgångsrikt sin modell genom att se hur väl den kunde simulera det massiva utbrottet av Mount Pinatubo 1991, inklusive mängden och hastigheten för aerosolbildning, samt hur dessa aerosoler transporterades runt om i världen och hur länge de stannade i atmosfären.

Sedan började forskarna undersöka effekterna av att injicera svaveldioxid på olika breddgrader och höjder. Från tidigare studier, forskarna visste att sulfater som injiceras endast vid ekvatorn påverkar jorden ojämnt:överkylning av tropikerna och underkylning av polerna. Detta är särskilt problematiskt eftersom klimatförändringarna värmer upp Arktis i snabbare takt. Klimatförändringarna gör också att det norra halvklotet värms upp snabbare än det södra halvklotet.

Forskarna använde modellen för att studera 14 möjliga injektionsställen på sju olika breddgrader och två olika höjder - något som aldrig tidigare prövats inom geoteknikforskning. De fann att de kunde sprida kylningen jämnare över jordklotet genom att välja injektionsställen på vardera sidan om ekvatorn.

Att uppfylla flera mål

Forskarna slog sedan ihop allt sitt arbete till en enda modellsimulering med specifika mål:att begränsa den genomsnittliga globala uppvärmningen till 2020-nivåer fram till slutet av seklet och att minimera skillnaden i kylning mellan ekvatorn och polerna samt mellan de norra och södra halvklotet.

De gav modellen fyra val av injektionsställen – vid 15 grader och 30 grader nord och syd på latitud – och implementerade sedan en algoritm som bestämmer, för varje år, de bästa injektionsställena och den mängd svaveldioxid som behövs på dessa platser. Modellens förmåga att omformulera mängden geoteknik som behövs varje år, baserat på det årets förhållanden, gjorde det också möjligt för simuleringen att reagera på naturliga fluktuationer i klimatet.

Modellen höll framgångsrikt yttemperaturerna nära 2020 års nivåer mot en bakgrund av ökande utsläpp av växthusgaser som skulle stämma överens med ett business-as-usual-scenario. Algoritmens förmåga att välja injektionsställen kylde jorden jämnare än i tidigare studier, eftersom det kunde injicera mer svaveldioxid i regioner som värmdes upp för snabbt och mindre i områden som hade överkylt.

Dock, i slutet av århundradet, mängden svaveldioxid som skulle behöva injiceras varje år för att kompensera för den globala uppvärmningen som orsakas av människor skulle vara enorm:nästan fem gånger den mängd som spyddes upp i luften av berget Pinatubo den 15 juni, 1991.

Vänd på forskningsfrågan

"Resultaten visar att det är möjligt att vända på forskningsfrågan som har varit vägledande för geoengineering studier och inte bara utforska vad geoengineering gör utan se det som ett designproblem, sa Doug MacMartin, en vetenskapsman vid Cornell och California Institute of Technology. "När vi ser det i det ljuset, vi kan sedan börja utveckla en strategi för hur vi ska uppfylla samhällets mål."

I den aktuella serien av studier, Justering av geoengineeringsplanen bara en gång om året gjorde det möjligt för forskarna att hålla den genomsnittliga globala temperaturen till 2020-nivåer under ett givet år, men regionala temperaturer – såväl som säsongsbetonade temperaturförändringar – var ibland kallare eller varmare än önskat. Så nästa steg kan inkludera att undersöka möjligheten att göra mer frekventa justeringar vid ett annat val av injektionsställen.

Forskarna arbetar redan på en ny studie för att hjälpa dem att förstå de möjliga effekterna geoteknik kan ha på regionala fenomen, som de asiatiska monsunerna.

"Vi är fortfarande långt ifrån att förstå alla interaktioner i klimatsystemet som kan utlösas av geoengineering, vilket betyder att vi ännu inte förstår hela skalan av möjliga biverkningar, " sa NCAR-forskaren Simone Tilmes, en huvudförfattare. "Men klimatförändringarna innebär också risker. Fortsatt forskning inom geoteknik är avgörande för att bedöma fördelar och bieffekter och för att informera beslutsfattare och samhället."