Космические зеркала — это спутники, которые предназначены для изменения количества солнечной радиации, воздействующей на Землю, в рамках климатической инженерии . Эта концепция была впервые теоретизирована в 1923 году физиком Германом Обертом [1] [2] [3] [4] и позже развита в 1980-х годах другими учеными. [5] Космические зеркала можно использовать для увеличения или уменьшения количества солнечной энергии, достигающей определенной точки Земли, для различных целей. Они были теоретически рассмотрены как метод солнечной геоинженерии , заключающийся в создании космического навеса для отклонения солнечного света и противодействия глобальному потеплению . [5] [6]
Было предложено несколько вариантов реализации концепции космического зеркала, но ни одна из них до сих пор не была реализована, за исключением проекта «Знамя» со стороны России, из-за логистических проблем и проблем с развертыванием. [5] [7]
Идея создания космических зеркал как метода климатической инженерии возникла в 1923, 1929, 1957 и 1978 годах физиком Германом Обертом и в 1980-х годах другими учеными. В 1923 году Герман Оберт впервые описал свои космические зеркала диаметром от 100 до 300 км в своей книге Die Rakete zu den Planetenräumen , [1] которые, как говорят, состоят из сетчатой сети индивидуально регулируемых граней. Космические зеркала на орбите вокруг Земли, спроектированные Германом Обертом , предназначены для фокусировки солнечного света на отдельных участках земной поверхности или отклонения его в космос. Поэтому речь не идет об ослаблении солнечной радиации на всей открытой поверхности Земли, как это было бы при рассмотрении вопроса об установлении затеняющих зон в точке Лагранжа между Солнцем и Землей. Эти гигантские зеркала на орбите можно было бы использовать для освещения отдельных городов, как средство защиты от стихийных бедствий, для управления погодой и климатом, для создания дополнительного жизненного пространства для десятков миллиардов людей, пишет Герман Оберт. Тот факт, что это могло повлиять на траектории барометрических областей высокого и низкого давления с помощью этих пространственных зеркал, показался Оберту наиболее важным.
Другие ученые в 1980-х годах предложили охладить климат Венеры, чтобы обеспечить теоретическое будущее, в котором люди займут другие планеты. [8] В 1989 году Джеймс Эрли, работавший в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса , предложил использовать «космическую тень» диаметром 2000 километров (1200 миль), вращающуюся вокруг точки Лагранжа L1 . Он оценил стоимость от одного до десяти триллионов долларов США и предложил изготовить его на Луне с использованием лунного камня. [8]
Космические зеркала были также предложены на заседании круглого стола «Варианты реагирования на быстрое или серьезное изменение климата», организованном Президентской программой технологий изменения климата в сентябре 2001 года. Лоуэлл Вуд , старший научный сотрудник Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, предложил разместить одно или несколько зеркал. больше проволочных «зеркал» на орбите, чтобы отклонять солнечный свет обратно в космос или фильтровать его. Вуд подсчитал, что отклонение 1% солнечного света восстановит климатическую стабильность, а для этого потребуется либо одно зеркало площадью 600 000 квадратных миль (1 600 000 км 2 ), либо несколько зеркал меньшего размера. Вуд исследовал эту идею более десяти лет, но считал ее настолько неосуществимой, что это должен быть лишь запасной план для решения проблемы глобального потепления.
В январе 2007 года газета The Guardian сообщила, что правительство США рекомендовало продолжить исследования по отклонению солнечного света, включая космические зеркала, в соответствии со следующим докладом Организации Объединенных Наций об изменении климата. [9] [10] Помимо космического зеркала, предлагаемые методы уменьшения солнечного света включали запуск тысяч высокоотражающих воздушных шаров и закачку капель сульфата в верхние слои атмосферы для имитации вулканических выбросов. [8] [9]
Дэниел Шраг из Гарвардского университета и Дэвид Кейт из Университета Калгари организовали конференцию по инженерии климата в ноябре 2007 года. Исследовательское сообщество пришло к единому мнению, что стоит изучать такие идеи дальше, несмотря на их высокую стоимость и сомнительную осуществимость некоторых идей, включая космическое зеркало. , и риск их отвлечения внимания от сокращения выбросов парниковых газов. [11] [12]
Космические зеркала предназначены либо для увеличения, либо для уменьшения количества энергии, поступающей на планету от Солнца, с целью изменения воздействия УФ-излучения; или отражать свет на планету или отклонять ее от нее, чтобы изменить условия солнечного освещения. [13] [14] Космические зеркала являются примером управления солнечной радиацией (SRM), который представляет собой «теоретический подход к снижению некоторых последствий изменения климата путем отражения небольшого количества поступающего солнечного света обратно в космос». [15] [2] Идея заключается в том, чтобы отражать достаточно солнечного света, чтобы снизить температуру Земли, тем самым уравновешивая эффект потепления парниковых газов. [15] [2]
Большинство прошлых предложений по созданию космических зеркал были направлены именно на то, чтобы замедлить прогрессирование изменения климата на Земле. [13] Отклонение небольшого количества солнечной энергии от атмосферы Земли уменьшит количество энергии, попадающей в экосистему Земли.
Некоторые предложения по разработке космических зеркал также сосредоточены на способности изменять локальные условия освещения на поверхности Земли путем затенения определенных участков или отражения солнечного света на небольших участках. [13] [2] Это может обеспечить дифференцированный климат в местных районах и потенциально дополнительный солнечный свет для ускорения роста сельскохозяйственных культур. [16] Первая практическая попытка отражения солнечного света была предпринята в 1990-х годах в рамках проекта российского агентства « Знамя » .
Эксперты по климату предупредили, что геоинженерные предложения, такие как космические зеркала, хотя и потенциально способны охладить планету, но не принесут никакой пользы для решения других проблем, связанных с климатом, таких как высокий уровень кислотности в океане из-за накопления углерода. [13] В прошлом многие ученые также сопротивлялись идее использования геоинженерии для сдерживания изменения климата, поскольку риски возникновения неблагоприятных последствий были слишком велики, и они опасались, что это побудит людей продолжать использовать ископаемое топливо, которое способствует этим изменениям. . [13]
Временами политики с большим желанием обсуждали предложения по климатической инженерии и космическим зеркалам, чем ученые думали об их реализации. [14] Политики в администрациях Джорджа Буша и Барака Обамы обсуждали и предлагали финансирование американских космических зеркал. Ученые, однако, все еще обеспокоены значительными рисками. Мэтью Уотсон из Бристольского университета возглавил исследование потенциальных негативных последствий климатической инженерии стоимостью 5 миллионов фунтов стерлингов и сказал: «Мы движемся к катастрофе, связанной с изменением климата. Сокращение выбросов, несомненно, является тем, на чем нам следует сосредоточиться, но это кажется, терпит неудачу. Хотя геоинженерия пугает многих людей, и я в том числе и себя, [ее осуществимость и безопасность] — это вопросы, на которые необходимо ответить». [14] Профессор Оксфордского университета Стив Рейнер также обеспокоен неблагоприятными последствиями климатической инженерии, особенно возможностью того, что люди будут слишком позитивно относиться к последствиям и перестанут пытаться замедлить реальную проблему изменения климата. Тем не менее, он говорит, что есть потенциальная причина заниматься климатической инженерией: «Люди осуждают [климатическую инженерию] как пластырь, но пластыри полезны, когда вы выздоравливаете». [14]
Проект «Знамя» представлял собой серию экспериментов с орбитальными зеркалами в 1990-х годах, целью которых было направить солнечную энергию на Землю путем отражения солнечного света . Он состоял из трех экспериментов: эксперимента «Знамя 1» , «Знамя 2» и неудавшегося эксперимента «Знамя 2.5». «Знамя 1» было наземным экспериментом, который так и не был запущен. [17] «Знамя 2» стало первым успешным запуском проекта «Знамя». Он крепился на беспилотный «Прогресс М-15». [17] В результате развертывания появился яркий свет шириной 5 км с интенсивностью света полной Луны. [17] « Знамя 3» было предложено, но так и не было реализовано из-за провала «Знамени 2.5». [17] Федеральное космическое агентство России отказалось от проекта после неудачного развертывания «Знамени 2.5». [7]
Усилия геоинженерных исследований по смягчению или обращению вспять изменений климата Земли можно разделить на две разные категории: удаление углекислого газа и управление солнечной радиацией . [6] Углекислый газ является основным источником изменения климата на Земле, поскольку он вызывает повышение температуры атмосферы и закисление океанов. Хотя удаление CO 2 из атмосферы уже может обратить вспять изменения климата, удаление углерода является более медленным и сложным процессом по сравнению с управлением солнечной радиацией. [6]
Управление солнечной радиацией направлено на непосредственное смягчение последствий потепления атмосферы из-за сжигания ископаемого топлива и последующего выброса парниковых газов. [6] Космические зеркала подпадают под эту категорию геоинженерии, поскольку они блокируют солнечную радиацию и снижают эффект потепления от Солнца. [6]
Физик Герман Оберт последовал своему первому предложению в 1923 году [1] дальнейшими публикациями, в которых он учел достигнутый к этому моменту технический прогресс: 1929 г. «Пути к космическим полетам», [2] 1957 г. «Menschen im Weltraum. Neue Projekte für Raketen- und Raumfahrt» (Люди в космосе. Новые проекты для ракет и космических путешествий) [3] и 1978 г. «Der Weltraumspiegel» (Космическое зеркало). [4] По соображениям стоимости концепция Германа Оберта предусматривает, что компоненты должны производиться из лунных минералов на Луне, поскольку ее более низкое гравитационное притяжение требует меньше энергии для запуска компонентов на лунную орбиту. Кроме того, земная атмосфера не отягощена множеством запусков ракет. С лунной поверхности компоненты будут запущены на лунную орбиту с помощью электромагнитной лунной рогатки и «сложены» в точке либрации 60°. Оттуда компоненты можно было бы доставить на орбиту сконструированными им электрическими космическими кораблями [4] с небольшой отдачей и там собрать их в зеркала диаметром от 100 до 300 км. В 1978 году он подсчитал, что реализацию можно ожидать в период с 2018 по 2038 год.
В 2002 году аэрокосмическая консалтинговая компания STAR Technology and Research предложила концепцию, которая, как и концепция Германа Оберта, использует околоземную орбиту. Эксперты Star подсчитали, что сеть управляемых космических зеркал, вращающихся вокруг экватора Земли, как одно из колец Сатурна, может снизить среднюю температуру воздуха на 3 градуса Цельсия (5,4 градуса по Фаренгейту), одновременно генерируя энергию от бортовых солнечных панелей и излучая ее. на Землю. Но такой подход может породить проблемы. Автор отчета и президент Star Technology Джером Пирсон подсчитал, что для достижения желаемого результата потребуется 5 миллионов космических кораблей, и даже если каждый отдельный корабль сможет прослужить 100 лет, это означает, что 137 кораблей придется заменять или ремонтировать в день. И корабль будет создавать «звезды», которые будут видны с земли. (Другое гипотетическое предложение Пирсона — кольцо отражающих камней в том же положении — осветит ночное небо эквивалентом 12 полнолуний). [5] [18]
В 1980-х годах появилось больше теоретических предложений по космическим зеркалам, поскольку ученые пытались найти реальный способ частично отражать солнечный свет и замедлять потепление атмосферы Земли с помощью космических зеркал. [5] В 1989 году инженер Джеймс Эрли предложил стеклянный щит длиной 2000 км. [19] Стеклянный щит необходимо будет построить на Луне из лунного камня из-за его огромной массы. [19] Лоуэлл Вуд, исследователь из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, предложил отправить одно массивное зеркало на орбиту в точке Лагранжа L1, примерно в одном миллионе миль от Земли. [5] [20] Находясь на орбите в точке Лагранжа 1 , космическое зеркало сможет оставаться на орбите без каких-либо дополнительных источников энергии и продолжать блокировать солнечный свет. [20] В 2006 году Роджер Энджел, исследователь из Университета Аризоны, предложил отправить миллионы космических зеркал меньшего размера вместо одного большого зеркала, чтобы снизить затраты и повысить осуществимость, поскольку площадь одного зеркала должна составлять примерно 600 000 квадратных миль, чтобы заблокировать всего один процент солнечного света. [5]
Эндрю Янг , кандидат в президенты США от Демократической партии в 2020 году, возродил движение за космическое зеркало своей инициативой расширяемого космического зеркала. [21] Согласно предложению Янга, американским исследователям необходимо создать спутники, аналогичные тем, которые уже находятся на орбите, оснащенные выдвижными космическими зеркалами с возможностью быстрого и легкого развертывания и убирания в случае возникновения чрезвычайной ситуации. [21]
Таршан Махешваран и Себастьян Фикс из Штутгартского университета и Института космических систем описывают дорожную карту разработки, строительства и транспортировки международного планетарного солнечного экрана (IPSS) в точке Лагранжа 1 в 2021 году, который также может стать фотоэлектрической электростанцией. быть. Здесь, как и в случае с Германом Обертом, обсуждаются производство на Луне, использование электромагнитной лунной рогатки (лунной койлгана) и транспортировка компонентов с Луны в точку Лагранжа 1 между Землей и Солнцем посредством предполагались электрические космические корабли (альтернативно с солнечными парусами). Авторы ссылаются на многочисленные международные мероприятия и на возможность ввести в эксплуатацию солнечный щит к 2060 году. [22]
После российского эксперимента с космическим зеркалом «Знамя» в 1993 году не было активной разработки космических зеркал из-за явных проблем, связанных с их развертыванием, и потенциальных последствий, которые могут последовать за их эксплуатацией.
Развертывание и обслуживание парка небольших космических зеркал, которые могут создать тень на расстоянии около 100 000 километров в космосе, будет включать в себя необходимые факторы, такие как энергетика, строительство, транспорт и операции наземной поддержки. [23] В целом, ориентировочная стоимость строительства и отправки в космос парка космических зеркал составляет около 750 миллиардов долларов. [23] Если космические зеркала смогут прослужить 50 лет, ежегодные затраты на техническое обслуживание оцениваются примерно в 100 миллиардов долларов. [23] Кроме того, если какой-либо отдельный спутник необходимо будет заменить в конце срока его службы, затраты на всю операцию составят 5 триллионов долларов. [23]
Развертывание либо одного большого космического зеркала, либо группы зеркал меньшего размера также должно будет учитывать миллионы космического мусора на орбите Земли. Большинство мусора мелкие, весом около 1 грамма. [23] Однако, в зависимости от их скорости, такой мусор может иметь катастрофические последствия для спутников, если они столкнутся. Следовательно, орбитальным спутникам придется маневрировать, уступая дорогу отслеживаемому космическому мусору от космического зеркала. Кроме того, если будет развернуто одно очень большое космическое зеркало, его огромная площадь поверхности станет очень большой мишенью для космического мусора. Поэтому маневрирование сотнями космических зеркал или одним очень большим космическим зеркалом окажется весьма затруднительным из-за космического мусора и потенциальных размеров космического зеркала. [23]
Прямое отражение солнечной радиации от Земли может иметь определенные негативные последствия для климата. Поскольку Земля подвергается меньшему воздействию солнечной радиации, планета будет остывать, но это может привести к непредсказуемым погодным условиям. [14] Общее падение глобальной температуры может повлиять на гидрологический цикл и увеличить интенсивность засух и наводнений. [14] Кроме того, изменение температуры и климата также может негативно повлиять на выращивание сельскохозяйственных культур. [24] В результате отражение солнечной радиации может отрицательно повлиять на около 65% населения планеты. [14]