The risk to renewable electricity from volcanic eruptions
本研究以1815年坦博拉火山爆发作为类比，旨在证明重大的火山事件可能导致风能和太阳能资源的同步且持续性的全球性下降，从而引发显著的发电量损失和经济成本，这凸显了在长期能源规划中纳入此类低频气候冲击的紧迫性。
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世界正在转变其能源结构，从燃烧化石燃料转向捕捉来自风和太阳的能量。这些可再生能源是清洁且对稳定气候至关重要的，但它们有一个隐藏的脆弱性：它们完全依赖于天气。如果风停止吹拂或云层长时间遮挡阳光，灯火可能会熄灭。科学家们长期以来一直在研究日常风暴或季节性变化如何影响这些电网，但有一种更为罕见、更具戏剧性的天气事件在能源规划中很大程度上被忽视了。这就是大规模的火山爆发。当足够规模的火山喷发时，它会将大量的气体和火山灰射入高层大气，并在那里扩散形成全球性的阴霾。这种阴霾就像一层薄薄的阻挡阳光的面纱，可以在数年内持续存在，使地球降温并改变风向模式。虽然此类喷发对全球温度的影响已广为人知，但此前从未有人计算过这种特定类型的大气扰动将如何影响我们日常赖以生存的电力。
一个研究小组致力于填补这一空白，通过模拟如果今天发生一次像1815年那样强大的火山喷发会发生什么。他们选择1815年坦博拉火山（Mount Tambora）的喷发作为模型，因为那是记录史上最重要的喷发之一，曾创造了一个导致全球农作物歉收的“无夏之年”。利用先进的地球大气层计算机模型，科学家们重建了那次喷发的条件，并观察由此产生的气溶胶云——即反射阳光的微小硫颗粒——将如何与现代发电厂可用的风能和太阳能资源相互作用。他们运行了数百次模拟，以确保结果并非仅仅是计算机代码的偶然现象，测试了在不同的背景气候下（包括一个更温暖的未来世界以及自然天气循环如厄尔尼诺现象期间）喷发会表现如何。
模拟揭示了一个令人清醒的现实：规模如此巨大的火山事件会导致全球风能和太阳能发电量同时下降。阴霾会阻挡阳光，直接减少太阳能电池板可以收集的能量。与此同时，气溶胶的冷却效应会削弱驱动风力的全球尺度大气环流，导致许多世界顶级风电场区域出现空气停滞。这种双重打击不会是短暂的中断；模型显示，能源资源的减少将持续长达二十个月。研究发现，平均而言，全球风能和太阳能资源在此期间会下降约3.6%。虽然几个百分点听起来可能很小，但考虑到全球能源系统的庞大规模，这意味着巨大的电力损失。
当研究人员将这些物理变化转化为现代电网的语言时，数据变得极其严峻。基于2024年全球安装的风能和太阳能装机容量，单次坦博拉级别的喷发将在二十个月内导致约216.9太瓦时（terawatt-hours）的电力损失。为了直观理解，这相当于整个加利福尼亚州一年的耗电量。根据当前的发电价格计算，这种损失的电力经济成本约为92亿美元。然而，这种影响在不同地区并不均衡。研究强调了天气最恶劣的地区与受损最严重的地区之间存在关键的脱节。例如，南美洲和非洲的风能和太阳能降幅百分比最大，使其成为物理上最敏感的地区。然而，由于亚洲目前拥有最集中的风能和太阳能发电厂，它将遭受最大的绝对电力损失，损失超过111太瓦时。欧洲和北美也会面临显著损失，尽管略低于亚洲。
研究人员还研究了底层的物理机制，以理解风和太阳为何会呈现这种变化。他们发现，火山阴霾会冷却热带大气，从而削弱哈德里环流（Hadley circulation）——这是一个将热量从赤道向两极输送的巨大引擎。这种削弱降低了位于副热带地区的风速，而那里正是许多风电场的所在地。有趣的是，模型显示在高纬度地区风速实际上有所增加，但这些增益不足以抵消其他地区的广泛损失。对于太阳能而言，情况略显复杂。虽然火山颗粒阻挡了直接阳光，但冷却效应也减少了某些地区的云层覆盖，从而让更多的光线透射进来。这种云层减少现象部分抵消了由火山灰造成的黑暗，但不足以阻止太阳能出现净损失。研究表明，这些物理机制是稳健的，这意味着即使喷发发生在气候更温暖的未来或处于不同的自然天气阶段，它们也可能发生。
这项工作为未来的能源规划敲响了警钟。随着世界日益依赖依赖天气的能源，罕见的高影响气候冲击变得更加关键。研究强调，目前的能源系统并非设计用于应对长达两年的风能和太阳能减少期，标准的电池储能技术也不足以弥补如此长期的缺口。此外，这些发现对于被称为“太阳地球工程”（solar geoengineering）的有争议的想法具有启示意义，即人类可能会有意向大气中注入气溶胶以冷却地球。研究表明，虽然这种干预可能会降低全球温度，但它可能会无意中抑制可再生能源的发电，从而在气候缓解与能源安全之间造成新的冲突。研究人员总结道，虽然大规模火山喷发是一个低概率事件，但其破坏全球电网的潜力之大，足以使其必须被纳入实现具有韧性的、低碳未来的长期规划之中。
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