Många framtida klimatscenarier tyder på att negativa utsläpp kommer att behövas för att begränsa den globala uppvärmningen. Forskare undersöker nu hur genomförbart detta är.

På Island suger nu en maskin koldioxid ur atmosfären dag och natt. Dess uppdrag är att blanda gasen med vatten och sedan pumpa den under jorden där den kommer att förvandlas till sten efter några år.

Sådana maskiner är nu intressanta eftersom de globala utsläppen av växthusgaser fortfarande är alldeles för höga för att enbart kunna förlita sig på att minska dem. För att undvika allvarliga miljöpåverkan kommer vi med största sannolikhet också att behöva negativa utsläpp för att ta bort några av dessa gaser från atmosfären och lagra dem någonstans permanent.

"Scenarier för att mildra klimatförändringarna visar ofta att vi kommer att behöva en betydande mängd negativa utsläpp i slutet av seklet för att kunna begränsa uppvärmningen till 1,5 grader C eller 2 grader C", säger Dr. Kati Koponen, senior forskare vid Finlands tekniska forskningscenter VTT i Esbo.

Nya lösningar och praxis, både tekniska och icke-tekniska, kommer att behövas för att skapa negativa utsläpp. Naturbaserade lösningar, som att plantera fler träd eller återställa torvmarker, som fångar och lagrar CO₂ och har varit kända och använts under lång tid, undersöks för en bredare användning inom begränsning, inklusive mer robust övervakning och kvantifiering av deras prestanda.

Det finns också flera potentiella tekniker, men de flesta är fortfarande i sin linda. Direkt luftinfångning, till exempel, som är den teknik som används på Island, använder kemiska processer för att utvinna koldioxid (CO₂ ) från atmosfären innan den lagras under jord.

Men fördelarna och avvägningarna är fortfarande oklara. "Utmaningen är att förstå den realistiska potentialen hos dessa tekniker (och praxis)," varnade Dr Koponen. "Vi vill inte skapa negativa utsläpp genom att skapa andra oönskade effekter någon annanstans."

Förbereda marken för negativa utsläppstekniker

Dr. Koponen och hennes kollegor utvärderar den faktiska potentialen för olika negativa utsläppslösningar i Europa och på andra håll, genom NEGEM-projektet. De kommer att överväga de relaterade ekonomiska, miljömässiga och sociala aspekterna för att bättre förstå vilka regelverk som kommer att behövas för att implementera dessa lösningar.

Vissa lösningar kanske helt enkelt inte är kostnadseffektiva, medan andra kan påverka miljön genom att använda för mycket vatten, energi eller mark. Det finns också sociala frågor att ta hänsyn till:kommer invånarna till exempel att acceptera att ha CO₂ förvaras i marken nära sina hem? "Denna kombination [av discipliner] är det speciella i det här projektet", sa Dr. Koponen.

Hittills har NEGEM-teamet använt modeller för att undersöka hur olika negativa utsläppslösningar påverkar miljön och deras kostnader under hela deras livscykel. De har tittat på ett brett spektrum av miljöindikatorer, såsom utarmningen av naturresurser som vatten eller råvaror och markanvändningsförändringar, tillsammans med klimatförändringarnas effekter som skulle undvikas.

I senare arbete har de undersökt landbaserade strategier, till skillnad från de som används i havet eller i industriella sammanhang. Teamet fann att i de studerade fallen var plantering av träd det mest effektiva sättet att ta bort CO₂ från atmosfären. Däremot är marktillgänglighet ett problem här:mark behövs för olika ändamål som att odla mat eller producera ved för att tillverka produkter. Dessutom är skogar känsliga för störningar som bränder och skadedjur, vilket skulle påverka hur länge CO₂ kan förvaras där. Nya typer av policyer kommer att behövas för att hantera dessa frågor, vilket är en annan aspekt som projektet för närvarande undersöker.

NEGEM:s resultat bör hjälpa till att informera EU:s politik för att hålla den globala uppvärmningen till långt under 2 grader C, enligt beskrivningen i Parisavtalet från 2015. Enligt Dr. Koponen borde deras resultat ge en mer realistisk bedömning av potentialen hos olika tekniker och metoder för negativa utsläpp, vilket borde hjälpa EU att sätta upp uppnåbara mål.

Naturbaserade lösningar

Växthusgasutsläpp och landbaserade strategier för att ta bort dem har inkluderats i nationella inventeringar i 30 år. Förbättringen av sådana sänkor kan också inkluderas som en mildrande åtgärd i Nationally Determined Contributions (NDCs) under Parisavtalet.

I det här sammanhanget försöker forskare med LANDMARC-projektet förstå den faktiska potentialen i aktiviteter som kommer att öka upptag av växthusgaser eller minska utsläppen från land. Eise Spijker, en forskare vid JIN Climate and Sustainability kunskapscenter i Groningen, Nederländerna och hans kollegor undersöker hur dessa lösningar, av vilka många är naturbaserade, skulle kunna tillämpas i jordbruks- eller skogsbruksmiljöer.

"Det knepiga, särskilt med naturbaserade alternativ, är utmaningen med permanent lagring av kol", säger Spijker. "När du väl skickar kol till ekosystem så finns de kvar i den naturliga kolcykeln till en viss grad, men du vet inte riktigt hur mycket som lagras och hur länge."

Observation uppifrån och under

Övervakningstekniker kan hjälpa till att bedöma hur mycket CO₂ kunde fångas upp från atmosfären och lagras i jorden och växterna. Ett av projektets mål är därför att införliva olika typer av observationer i modeller, för att mer realistiskt skildra potentialen i utsläppsavlägsnande lösningar.

"Vi använder data från en kombination av jordobservationstekniker, inklusive fjärranalys (som satelliter) och även underjordiska mätningar (som markprovtagning) för att mäta mängden kol som lagras", säger projektkoordinatorn Dr Jenny Lieu, en biträdande professor vid Delfts tekniska universitet i Nederländerna.

LANDMARC driver 16 fallstudier över hela världen, där olika aktiviteter som agroskogsbruk i Spanien och mer hållbar risproduktion i Nepal kommer att övervakas, för att se hur väl de binder kol. Teamet planerar att experimentera med olika kombinationer av övervakningstekniker. Satellitdata kommer att samlas in och analyseras med algoritmer de har utvecklat till exempel.

Ett verktyg för att mäta netto klimatpåverkan på marken

Ett av resultaten av projektet kommer att vara ett kolkartverktyg, potentiellt även tillgängligt som en telefonapp, som kan kvantifiera och övervaka effekterna av olika landbaserade kolborttagningsaktiviteter på utsläpp av växthusgaser. Den kommer att använda observationer både ovanifrån, med hjälp av satelliter och drönare, och på marken, som jordprovtagning.

"Vi siktar på att kombinera flera specialiserade jordobservationsverktyg i ett billigt och användarvänligt övervakningsverktyg som tar hänsyn till ett brett spektrum av slutanvändare", säger Dr. Lieu. Detta innebär att regeringar eller markanvändningsförvaltare, till exempel, kommer att kunna ange platsspecifika data om marken och växtligheten på deras mark och få en tillförlitlig uppskattning av dess nettoklimatpåverkan.

Storskalig CO₂ borttagning

Potentialen för negativa utsläppsaktiviteter att bromsa den globala uppvärmningen beror också på om de kommer att vara redo att användas i industriell skala under de närmaste decennierna. Många klimatscenarier bygger på denna premiss, men det finns oro över hur genomförbart detta kommer att vara. Teknologiska lösningar är fortfarande i ett tidigt skede för tillfället, säger Dr. Bas van Ruijven, forskare och gruppledare vid International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA) i Laxenburg, Österrike.

Dr. van Ruijven och hans kollegor utvärderar därför genomförbarhetsproblem för olika klimatscenarier, som en del av ENGAGE-projektet. Till exempel kommer de att bedöma hur åtgärder för att avlägsna växthusgaser förväntas bidra. Teamet kommer också att utveckla nya klimatreducerande scenarier. "Negativa utsläppstekniker spelar en stor roll i den delen av projektet", betonade Dr. van Ruijven.

Hittills har teamet jämfört två olika scenarier för avkolning. Den första syftar till att begränsa uppvärmningen till under 2 grader C år 2100. I det här fallet kan temperaturmålet överskridas under första hälften av seklet, men negativa utsläpp skulle vara avgörande senare för att få ner den globala temperaturen igen.

I det andra scenariot är målet helt enkelt att inte överstiga 2 graders uppvärmning, vilket är mer i linje med Parisavtalet. Kolborttagningsaktiviteter skulle spela en roll för att minska utsläppen snabbare på kort sikt. På lång sikt skulle de mest behövas för att motverka kvarvarande utsläpp från vissa sektorer som flyg eller industri, där det är svårt att helt eliminera utsläppen.

Förr är bättre:Att skjuta upp handling kommer att få återverkningar

I det senaste arbetet använde teamet modeller för att undersöka hur vart och ett av dessa scenarier skulle påverka markanvändningen i framtiden för att bättre förstå sociala och miljömässiga konsekvenser. De tog hänsyn till flera olika faktorer:ekonomiska prognoser och befolkningstillväxt, tillsammans med deras efterföljande inverkan på energianvändning och utsläpp av växthusgaser.

Dr van Ruijven och hans kollegor fann att begränsningsscenarier som fokuserade på scenarier från slutet av seklet, där temperaturerna tillfälligt fick överskrida 2 graders uppvärmning, fick stora konsekvenser för markanvändningen efter 2050. Brist på mat och bevattningsvatten skulle bli större. sannolikt, liksom högre matpriser. "Det är ett stort krav på fler ansträngningar på kort sikt för att få ner utsläppen snabbare", säger Dr. van Ruijven. "Annars tvingar du framtida generationer att använda negativa utsläppstekniker i större skala."

Ytterligare politik kommer också att behövas under övergången till nettonollutsläpp för att kompensera för dess sociala påverkan. Matsubventioner kan vara nödvändiga för att hjälpa människor med lägre inkomster, till exempel om matpriserna stiger.

"Vårt arbete visar att implementering av ny teknik för CO₂ Avlägsnande kommer dock att vara oumbärligt för att uppnå målen i Parisavtalet på både kort och lång sikt, konstaterade Dr. van Ruijven. "Förhoppningsvis kommer vår forskning att inspirera regeringar att stimulera deras utveckling."