Смелое решение для борьбы с изменением климата?

Пыльный лунный пейзаж, визуализированный Лабораторией передовых концепций НАСА. Кредит: НАСА

В холодный зимний день тепло солнца как нельзя кстати. Однако по мере того, как человечество выбрасывает все больше и больше парниковых газов, атмосфера Земли улавливает все больше и больше солнечной энергии и неуклонно повышает температуру Земли. Одна из стратегий, позволяющих обратить вспять эту тенденцию, состоит в том, чтобы перехватить часть солнечного света до того, как он достигнет нашей планеты. В течение десятилетий ученые рассматривали возможность использования экранов, объектов или частиц пыли, чтобы блокировать достаточное количество солнечного излучения — от 1 до 2% — для смягчения последствий глобального потепления.

В исследовании, проведенном Университетом штата Юта, изучалась возможность использования пыли для защиты от солнечного света. Они проанализировали различные свойства частиц пыли, количество пыли и орбиты, наиболее подходящие для тени Земли. Авторы обнаружили, что отправка пыли с Земли на промежуточную станцию ​​в «точке Лагранжа» (L1) Земля-Солнце была бы более эффективной, но потребовала бы астрономических затрат и усилий. Альтернативой является использование лунной пыли. Авторы утверждают, что выброс лунной пыли с Луны может быть дешевым и эффективным способом скрыть Землю.

Имитация выброса потока пыли между Землей и Солнцем. Это пылевое облако появляется, когда оно пересекает солнечный диск с Земли. Подобные потоки, в том числе те, что вырываются с лунной поверхности, могут служить временным зонтиком для солнца. Предоставлено: Бен Бромли/Университет Юты.

Команда астрономов применила технику, используемую для изучения образования планет вокруг далеких звезд, что является их обычным направлением исследований. Формирование планет — это хаотический процесс, в ходе которого выделяется много космической пыли, способной образовывать кольца вокруг звезды-хозяина. Эти кольца перехватывают свет от центральной звезды и переизлучают его так, как мы можем его обнаружить на Земле. Один из способов обнаружить звезды, формирующие новые планеты, — это искать эти пыльные кольца.

«Это было семя идеи», — сказал Бен Бромли, профессор физики и астрономии и ведущий автор исследования.

Моделирование выброса пыли с путевой станции в точке Лагранжа 1. Тень на земле преувеличена для ясности. Кредит: Бен Бромли

сказал Скотт Кеньон, соавтор исследования из Центра астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт.

Статья была недавно опубликована в журнале ПЛОС климат.

бросать тень

Общая эффективность щита зависит от его способности поддерживать орбиту, затеняющую Землю. Самир Хан, студент бакалавриата и соавтор исследования, руководил первоначальным исследованием, в котором орбитальные объекты могут удерживать пыль на месте достаточно долго, чтобы обеспечить адекватное затенение. Работа Хана продемонстрировала, как трудно удерживать пыль там, где она нужна.

«Поскольку мы знаем расположение и массы основных небесных тел в нашей Солнечной системе, мы можем просто использовать законы гравитации для отслеживания смоделированного положения солнечного щита во времени для нескольких различных орбит», — сказал Хан.

Было два многообещающих сценария. В первом сценарии авторы размещают космическую платформу в точке Лагранжа L1, которая является ближайшей точкой между Землей и Солнцем, где гравитационные силы уравновешиваются. Объекты в точках Лагранжа имеют тенденцию оставаться на траектории между двумя небесными телами, вот почему[{» attribute=»»>James Webb Space Telescope (JWST) is located at L2, a Lagrange point on the opposite side of the Earth.

A simulation of dust launched from the moon’s surface as seen from Earth. Credit: Ben Bromley

In computer simulations, the researchers shot test particles along the L1 orbit, including the position of Earth, the sun, the moon, and other solar system planets, and tracked where the particles scattered. The authors found that when launched precisely, the dust would follow a path between Earth and the sun, effectively creating shade, at least for a while. Unlike the 13,000-pound JWST, the dust was easily blown off course by the solar winds, radiation, and gravity within the solar system. Any L1 platform would need to create an endless supply of new dust batches to blast into orbit every few days after the initial spray dissipates.

“It was rather difficult to get the shield to stay at L1 long enough to cast a meaningful shadow. This shouldn’t come as a surprise, though, since L1 is an unstable equilibrium point. Even the slightest deviation in the sunshield’s orbit can cause it to rapidly drift out of place, so our simulations had to be extremely precise,” Khan said.

In the second scenario, the authors shot lunar dust from the surface of the moon towards the sun. They found that the inherent properties of lunar dust were just right to effectively work as a sun shield. The simulations tested how lunar dust scattered along various courses until they found excellent trajectories aimed toward L1 that served as an effective sun shield. These results are welcome news, because much less energy is needed to launch dust from the moon than from Earth. This is important because the amount of dust in a solar shield is large, comparable to the output of a big mining operation here on Earth. Furthermore, the discovery of the new sun-shielding trajectories means delivering the lunar dust to a separate platform at L1 may not be necessary.

Just a moonshot?

The authors stress that this study only explores the potential impact of this strategy, rather than evaluate whether these scenarios are logistically feasible.

“We aren’t experts in climate change, or the rocket science needed to move mass from one place to the other. We’re just exploring different kinds of dust on a variety of orbits to see how effective this approach might be. We do not want to miss a game changer for such a critical problem,” said Bromley.

One of the biggest logistical challenges—replenishing dust streams every few days—also has an advantage. Eventually, the sun’s radiation disperses the dust particles throughout the solar system; the sun shield is temporary and shield particles do not fall onto Earth. The authors assure that their approach would not create a permanently cold, uninhabitable planet, as in the science fiction story, “Snowpiercer.”

“Our strategy could be an option in addressing climate change,” said Bromley, “if what we need is more time.”

Reference: “Dust as a solar shield” by Benjamin C. Bromley, Sameer H. Khan and Scott J. Kenyon, 8 February 2023, PLOS Climate.
DOI: 10.1371/journal.pclm.0000133