Команда исследователей из Нанкинского и Пекинского университетов под руководством Юэтин Хао, Синь Хуана и Айцзюнь Дина опубликовала в журнале Geophysical Research Letters расчёт того, как солнечные электростанции (СЭС) в пустыне Гоби влияют на песчаные бури. Учёные объединили спутниковые снимки с компьютерной моделью климата и выяснили, что ряды солнечных батарей работают как физический щит для городов Северного Китая. Уже построенные в пустыне станции снижают уровень крупной пыли в воздухе во время сильных бурь в среднем на 5,7 мкг/м³, а в соседних с пустыней городах — на величину до 8 мкг/м³.
С 2013 года Китай закрывает угольные котельные и ставит фильтры на заводы в рамках национального плана по очистке воздуха. Концентрация мелкой техногенной сажи и выхлопов — частиц PM2.5 диаметром меньше 2,5 микрон (в 30 раз тоньше человеческого волоса) — в северных провинциях заметно упала. Природные песчаные бури из пустыни Гоби никуда не делись: каждую весну северо-западные ветры поднимают миллионы тонн грунта и несут их на Пекин, Тяньцзинь и ещё восемь провинций. Из-за падения доли заводского смога вклад крупной пустынной пыли (частиц размером от $2,5$ до 10 микрон, которые оседают в верхних дыхательных путях и вызывают приступы астмы) в общее загрязнение воздуха вырос с 55% в 2013 году до 65% в 2023 году.
Как панели меняют микроклимат пустыни
К 2020 году по краям пустыни Гоби работали 42 крупные солнечные электростанции общей площадью свыше 100 км². Авторы исследования изучили спутниковые снимки 17 таких объектов (площадью более 1 км² каждый), сравнивая состояние пустыни за три года до постройки и через три года после запуска батарей.
Установка станций запускает цепочку изменений на поверхности земли. Конструкции панелей создают механическое препятствие для воздушного потока и снижают скорость ветра на высоте 10 метров на 9,3% (в среднем на 0,5 м/с). Чтобы песок не засыпал оборудование, инженеры укрепляют грунт вокруг опор и регулярно моют панели водой, которая стекает на землю и увлажняет почву в тени конструкций. За три года работы станций площадь зелёной растительности под панелями и в километровой зоне вокруг них выросла в среднем на 17,2%. Корни выросшей травы скрепляют песок, благодаря чему выдуваемость почвы ветром падает на 17,4%.
Тёмная поверхность фотоэлементов притягивает солнечные лучи сильнее, чем светлый пустынный песок, снижая отражательную способность участка на 4%. Воздух над солнечным парком прогревается на 0,05\ °C сильнее окружающего пространства, и тёплые потоки поднимаются вверх, увеличивая высоту перемешивания воздуха на 33 метра. На место поднявшегося тёплого воздуха со всех сторон подтягивается приземный ветер — этот эффект стягивания потоков усиливается над станцией на 153,7%. В результате электростанция на границе пустыни работает как ветроломная стена, которая ослабляет движение приземных пыльных бурь на восток и юго-восток в сторону мегаполисов.
Сотни тысяч тонн песка остаются в Гоби
Чтобы перевести спутниковые наблюдения в тонны невыброшенной пыли, климатологи добавили параметры солнечных станций в региональную метеорологическую модель WRF-Chem. Расчёты для весенних сезонов 2021–2023 годов показали, что существующие 42 станции каждую весну удерживают в пустыне Гоби 352,4 тысячи тонн пыли в месяц. Перенос пыли в нижнем километровом слое атмосферы в сторону городов Северного Китая сокращается на 131,4 тысячи тонн в месяц.
Математическое разделение факторов в модели показало, откуда берётся этот результат. На 88% очистка воздуха происходит за счёт того, что с закреплённой травой и прикрытой панелями земли пыль изначально не поднимается в воздух. Оставшиеся 12% даёт торможение уже летящего пыльного облака об ряды солнечных батарей и изменение ветровых потоков.
Сильнее всего защитный эффект проявляется во время экстремальных песчаных бурь, когда среднесуточная концентрация пыли PM₁₀ превышает 250 мкг/м³ (для сравнения: суточный порог безопасности Всемирной организации здравоохранения составляет 45 мкг/м³). Количество поднимаемого песка зависит от скорости ветра непропорционально: чем сильнее ураган, тем больше тонн грунта срывает каждый лишний метр в секунду. Поэтому гашение штормового ветра панелями даёт в дни бурь снижение запылённости воздуха до 5,7 мкг/м³ в среднем по региону, тогда как в относительно спокойные дни (при концентрации пыли ниже 150 мкг/м³) выигрыш составляет 2,3 мкг/м³.
Прогноз до 2060 года и ограничения расчётов
К 2060 году Китай планирует достичь углеродной нейтральности и увеличить долю солнечной генерации в энергобалансе страны с 1,1% (уровень 2015 года) до 23,3%. Площадь солнечных парков вокруг пустыни Гоби по этому плану вырастет в 11 раз и достигнет 140\ 000 км² — это больше площади всей Греции или половины Великобритании.
Глобальное изменение климата к 2060 году усилит весенние ветры в регионе, из-за чего природные выбросы пыли из Гоби без вмешательства человека вырастут на 13,4%, а её перенос на города — на 27,5%. Моделирование весенних сезонов 2059–2061 годов показало, что развёртывание солнечных станций на площади 140\ 000 км² сократит выбросы пыли на 12,2%, а её ветровой перенос — на 21,2%. Солнечные парки компенсируют климатический рост пыльных бурь и снизят среднюю весеннюю концентрацию частиц PM₁₀ в Северном Китае на 15,9 мкг/м³ (13,8%) по площади территории и на 13,7 мкг/м³ (14,5%) в пересчёте на плотность населения. В городах у границ пустыни — Иньчуане, Ланьчжоу и Хух-Хото — в дни сильных бурь концентрация пыли упадёт в среднем на 71 мкг/м³ (на 20,5%).
При оценке точности этих цифр важно учитывать методологические особенности работы. В компьютерной модели территория разбита на квадратные ячейки со стороной 20 километров (площадь одной ячейки — 400 км²). Из-за такого шага сетки модель распределяет свойства 42 современных станций (реальная площадь которых чуть больше 100 км²) на 33 полные ячейки общей площадью 13\ 200 км². Кроме того, при анализе спутниковых снимков 17 станций авторы сравнивали участки до и после постройки без сопоставления с контрольными нетронутыми участками пустыни на удалении от объектов, где трава в те же годы могла вырасти из-за колебаний осадков. Выборка для моделирования ограничена двумя периодами по три весенних сезона (2021–2023 и 2059–2061 годы), а исходный код модифицированной модели WRF-Chem авторы открыли в репозитории Zenodo для независимой проверки.
