Космические зеркала — это спутники, которые предназначены для изменения количества солнечной радиации, воздействующей на Землю, в качестве формы климатической инженерии . Эта концепция была впервые предложена в 1923 году физиком Германом Обертом [1] [2] [3] [4] и позднее развита в 1980-х годах другими учеными. [5] Космические зеркала могут использоваться для увеличения или уменьшения количества солнечной энергии, достигающей определенной точки Земли для различных целей. Они были теоретически разработаны как метод солнечной геоинженерии путем создания космического солнцезащитного экрана для отклонения солнечного света и противодействия глобальному потеплению . [5] [6]
Было предложено несколько вариантов реализации концепции космического зеркала, но ни один из них не был реализован до сих пор, за исключением проекта «Знамя» в России из-за логистических проблем и сложностей развертывания. [5] [7]
Концепция создания космических зеркал как метода климатической инженерии относится к 1923, 1929, 1957 и 1978 годам физика Германа Оберта и к 1980-м годам других ученых. 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 сетки 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 идет не об ослаблении солнечного излучения на всей открытой поверхности Земли, как это было бы в случае рассмотрения создания областей затенения в точке Лагранжа между Солнцем и Землей. Эти гигантские зеркала на орбите могли бы использоваться 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 бы повлиять на траектории барометрических областей высокого и низкого давления с помощью этих пространственных зеркал, показался Оберту наиболее важным.
Другие ученые в 1980-х годах предлагали охладить климат Венеры, чтобы обеспечить теоретическое будущее, в котором люди будут заселять 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 в пределах от одного до десяти триллионов долларов США и предложил изготовить ее на Луне, используя лунный грунт. [8]
Космические зеркала также были предложены на встрече за круглым столом «Варианты реагирования на быстрые или серьезные изменения климата», организованной Президентской программой по технологиям изменения климата в сентябре 2001 года. Лоуэлл Вуд , старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе, предложил разместить на орбите одно или несколько сетчатых «зеркал» для отражения солнечного света обратно в космос или его фильтрации. Вуд подсчитал, что отклонение 1% солнечного света восстановит климатическую стабильность, и для этого потребуется либо одно зеркало площадью 600 000 квадратных миль (1 600 000 км 2 ), либо несколько меньших. Вуд исследовал эту идею более десяти лет, но посчитал ее настолько неосуществимой, что она должна быть лишь запасным планом для решения проблемы глобального потепления.
В январе 2007 года 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, предложенные методы уменьшения солнечного света включали запуск тысяч высокоотражающих воздушных шаров и закачку сульфатных капель в верхние слои атмосферы для имитации вулканических выбросов. [8] [9]
Дэниел Шраг из Гарвардского университета и Дэвид Кейт из Университета Калгари организовали конференцию по климатической инженерии в ноябре 2007 года. Научное сообщество пришло к единому мнению, что стоит изучать такие идеи дальше, несмотря на их высокую стоимость, сомнительную осуществимость некоторых идей, включая космическое зеркало, и риск того, что они отвлекут внимание от сокращения выбросов парниковых газов. [11] [12]
Космические зеркала предназначены либо для увеличения, либо для уменьшения количества энергии, достигающей планеты от солнца, с целью изменения воздействия ультрафиолетового излучения; либо для отражения света на планету или отклонения света от нее с целью изменения условий освещения солнцем. [13] [14] Космические зеркала являются примером управления солнечным излучением (SRM), которое представляет собой «теоретический подход к уменьшению некоторых последствий изменения климата путем отражения небольшого количества входящего солнечного света обратно в космос». [15] [2] Концепция заключается в том, чтобы отражать достаточно солнечного света для снижения температуры Земли, тем самым уравновешивая потепление, вызванное парниковыми газами. [15] [2]
Большинство прошлых предложений по разработке космических зеркал были направлены именно на замедление прогрессирования изменения климата на Земле. [13] Отклонение небольшого количества солнечной энергии от атмосферы Земли уменьшило бы количество энергии, поступающей в экосистему Земли.
Некоторые предложения по разработке космических зеркал также фокусируются на возможности изменения локальных условий освещения на поверхности Земли путем затенения определенных участков или отражения солнечного света на небольшие участки. [13] [2] Это может обеспечить дифференцированный климат в локальных районах и потенциально дополнительный солнечный свет для улучшения роста сельскохозяйственных культур. [16] Первая практическая попытка отражения солнечного света была предпринята в 1990-х годах проектом российского агентства под названием «Знамя» .
Эксперты по климату предупредили, что геоинженерные предложения, такие как космические зеркала, хотя и потенциально способны охладить планету, не принесут никакой пользы для 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 беспокоились, что это побудит людей продолжать использовать ископаемое топливо, которое способствует этому изменению. [13]
Временами политики были более склонны обсуждать климатическую инженерию и предложения по космическим зеркалам, чем ученые думали об их реализации. [14] Политики в администрациях Джорджа Буша-младшего и Барака Обамы обсуждали и предлагали финансирование предложений по космическим зеркалам в США. Однако ученые все еще обеспокоены значительными рисками. Мэтью Уотсон из Бристольского университета возглавил исследование стоимостью 5 млн фунтов стерлингов потенциальных неблагоприятных последствий климатической инженерии и сказал: «Мы идем к катастрофе с изменением климата. Сокращение выбросов, несомненно, является тем, на чем мы должны сосредоточиться, но, похоже, это не удается. Хотя геоинженерия пугает многих людей, и я включаю в это число 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. Хотя он говорит, что есть потенциальная причина заниматься климатической инженерией: «Люди осуждают занятие [климатической инженерией] как временную меру, но временные меры полезны, когда вы выздоравливаете» [14] .
Проект «Знамя» представлял собой серию экспериментов с орбитальными зеркалами в 1990-х годах, которые были направлены на передачу солнечной энергии на Землю путем отражения солнечного света . Он состоял из трех экспериментов: « Знамя 1» , «Знамя 2 » и неудавшегося «Знамя 2.5». «Знамя 1» был наземным экспериментом, который так и не был запущен. [17] «Знамя 2» был первым успешным запуском проекта «Знамя». Он был прикреплен к беспилотному «Прогрессу М-15». [17] В результате развертывания появился яркий свет шириной 5 км с интенсивностью сияния полной Луны. [17] « Знамя 3» было предложено, но так и не было реализовано из-за неудачи «Знамя 2.5». [17] Проект был закрыт Российским федеральным космическим агентством после неудачного запуска «Знамя 2.5». [7]
Исследования в области геоинженерии , направленные на смягчение или обращение вспять изменений климата Земли, можно разделить на две 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 CO2 из атмосферы может обратить вспять изменения климата до сих пор, удаление углерода является более медленным и более сложным процессом по сравнению с управлением солнечной радиацией. [6]
Управление солнечным излучением направлено на прямое смягчение последствий потепления атмосферы из-за сжигания ископаемого топлива и последующего выброса парниковых газов. [6] Космические зеркала попадают в эту категорию геоинженерии, поскольку они блокируют солнечное излучение и снижают эффекты потепления от Солнца. [6]
Физик Герман Оберт в 1923 году [1] продолжил свое первое предложение дальнейшими публикациями, в которых он учитывал достигнутый к тому моменту технический прогресс: 1929 «Пути к космическим полетам», [2] 1957 «Люди в космосе. Новые проекты для ракет и космических путешествий» [3] и 1978 «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, атмосфера Земли не обременена множеством запусков ракет. С поверхности Луны компоненты будут запущены на лунную орбиту с помощью электромагнитной лунной рогатки и «уложены» в точке либрации 60°. Оттуда компоненты можно будет транспортировать на орбиту с помощью электрических космических кораблей, которые он спроектировал [4] с небольшой отдачей, и там они будут собраны в зеркала диаметром от 100 до 300 км. В 1978 году он подсчитал, что реализация может быть ожидаема между 2018 и 2038 годами.
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, могла бы снизить среднюю температуру воздуха до 3 градусов по Цельсию (5,4 градуса по Фаренгейту), одновременно вырабатывая электроэнергию с помощью бортовых солнечных панелей и передавая ее на Землю. Но такой подход может создать проблемы. Автор отчета и президент Star Technology Джером Пирсон подсчитал, что для достижения желаемого результата потребуется 5 миллионов космических аппаратов, и даже если каждый отдельный аппарат сможет прослужить 100 лет, это означает, что в день придется заменять или ремонтировать 137 кораблей. И аппарат будет производить «звезды», которые будут видны с земли. (Другое гипотетическое предложение Пирсона, кольцо отражающих камней в том же положении, будет освещать ночное небо эквивалентом 12 полных лун.). [5] [18]
В 1980-х годах появилось больше теоретических предложений относительно космических зеркал, 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 толщиной 2000 км. [19] Стеклянный щит необходимо было бы построить на Луне с использованием лунного камня из-за его огромной массы. [19] Лоуэлл Вуд, исследователь из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, предложил отправить одно массивное зеркало на орбиту в точке Лагранжа L1, примерно в миллионе миль от Земли. [5] [20] Находясь на орбите в точке Лагранжа 1 , космическое зеркало могло бы 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 небольших космических зеркал вместо одного большого зеркала, чтобы сократить расходы и повысить осуществимость, поскольку одно зеркало должно было бы иметь площадь около 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 космических зеркал своей инициативой по созданию расширяемых космических зеркал. [21] Согласно предложению Яна, 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 чрезвычайной ситуации. [21]
Таршан Махешваран и Себастьян Фикс из Института космических систем Штутгартского университета описывают дорожную карту для разработки, строительства и транспортировки международного планетарного солнечного щита (IPSS) в точке Лагранжа 1 в 2021 году, который также будет фотоэлектрической установкой. Здесь также, как и в случае с Германом Обертом, производство на Луне, использование электромагнитной лунной рогатки (лунной катушки) и транспортировка компонентов с Луны в точку Лагранжа 1 между Землей и Солнцем обсуждаются с помощью электрических космических кораблей (в качестве альтернативы с солнечными парусами). Авторы ссылаются на многочисленные международные мероприятия и возможность ввести солнечный щит в эксплуатацию к 2060 году. [22]
После российского эксперимента с космическим зеркалом «Знамя» в 1993 году активная разработка космических зеркал не велась из-за огромных сложностей, связанных с их развертыванием, и возможных последствий их эксплуатации.
Развертывание и обслуживание парка небольших космических зеркал, которые могут создавать тень на расстоянии около 100 000 километров в космосе, будет включать необходимые факторы, такие как энергия, строительство, транспортировка и наземные вспомогательные операции. [23] В целом, предполагаемая стоимость строительства и отправки парка космических зеркал в космос составляет около 750 миллиардов долларов. [23] Если космические зеркала смогут прослужить 50 лет, ежегодные расходы на техническое обслуживание составят около 100 миллиардов долларов. [23] Кроме того, если любой отдельный спутник необходимо будет заменить в конце срока его службы, расходы на всю операцию составят 5 триллионов долларов. [23]
Развертывание либо одного большого космического зеркала, либо флота меньших зеркал также должно будет учитывать миллионы космических обломков в пределах орбиты Земли. Большинство обломков небольшие, весом около 1 грамма. [23] Однако, в зависимости от их скорости, такие обломки могут быть катастрофическими для спутников, если они столкнутся. Поэтому орбитальным спутникам необходимо будет уходить с пути отслеживаемого космического мусора от космического зеркала. Кроме того, если будет развернуто одно очень большое космическое зеркало, его огромная площадь поверхности станет очень большой целью для космического мусора. Поэтому маневрирование сотнями космических зеркал или одним очень большим космическим зеркалом окажется очень сложным из-за космического мусора и потенциального размера космического зеркала. [23]
Прямое отражение солнечного излучения от Земли может иметь определенные неблагоприятные последствия для климата. Поскольку Земля подвергается меньшему воздействию солнечного излучения, планета будет охлаждаться, но это может привести к непредсказуемым погодным условиям. [14] Общее падение глобальной температуры может повлиять на гидрологический цикл и может увеличить интенсивность засух и наводнений. [14] Кроме того, изменение температуры и климата может также негативно повлиять на выращивание сельскохозяйственных культур. [24] В результате отражение солнечного излучения может негативно повлиять примерно на 65% населения мира. [14]