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改造大气的奇思

来源:光明网-《光明日报》2024-02-22 04:25

  1、给平流层“打气”

  2023年2月12日,两名男子将一辆房车停在美国内华达州里诺市外的一片田野旁。他们在便携式烧烤架上点燃了拳头大小的一堆黄色硫粉,空气中很快弥漫开一股臭鸡蛋的气味——这是无色的二氧化硫气体的味道。他们随后用一台工业级吸尘器将二氧化硫气体抽入了一个直径与沙滩伞相当的气球中,再充入足够的氦气以便气球升空。最后,他们给气球系上了相机和GPS传感器,放飞到天空中。在接下来的几个小时里,他们追踪着气球,看着它升入平流层,飘向西南方,越过内华达山脉,直到爆炸并释放出其中的气体。最终,这个精巧的装置坠落到加利福尼亚州斯托克顿市附近的一个养牛场中。

  气球仅仅释放了几克的二氧化硫,但这场实验本身是一次大胆的尝试:一直以来,向平流层注入特定气体,以减缓全球变暖的想法都被视为一种“禁忌”。进入大气后,二氧化硫会与水蒸气反应,形成悬浮在空气中的小水滴——这被称为气溶胶——它们会像无数微小的镜子一样将入射的阳光反射回太空。进行这项实验的,是太阳地球工程(solar geoengineering)领域的“制造日落”公司创始人卢克·伊斯曼和安德鲁·宋。他们会向外销售“冷却券”,只需支付10美元,就能资助他们释放一克二氧化硫进入大气。根据他们的说法,这将抵消一吨二氧化碳在一年中产生的温室效应。他们原计划在墨西哥发射气球,但被墨西哥政府禁止后转而在美国境内完成了实验。

  许多人抵触“太阳地球工程”这个概念,它更常见的名字是“太阳辐射干预”(solar radiation management,SRM),其核心在于通过进一步人为干预来修复已经被人类破坏的地球气候。这一想法似乎非常危险,人们怀疑这种观念反映了一种浮士德式的傲慢,并且只会适得其反。但随着人们愈发清晰地认识到,人类不太可能迅速减少排放,并使全球升温保持在1.5℃以内时,一些科学家开始提出,相比于继续无节制地变暖,太阳辐射干预可能并没有那么可怕。随着相关辩论愈发激烈,有关冷却地球的众多提议也已经变得越来越具体可行。

  太阳辐射干预实际上是在模仿大规模火山喷发引起的自然现象。1991年菲律宾的皮纳图博火山喷发时,向平流层注入了2000万吨二氧化硫,形成了一把“气溶胶阳伞”,使全球温度降低了约0.5℃。大约一年后,这些二氧化硫气溶胶又以液滴的形式坠落回地球表面。研究表明,以足够的规模实施太阳辐射干预——可能每年相当于皮纳图博火山喷发四分之一的规模——便足以阻挡1%~2%的阳光。这可以减缓全球变暖的进程,甚至略微降低全球气温。这类实验的影响在几个月内就能显现,并且成本仅有每年数十亿美元。相比之下,从化石燃料转型预计需要数十年,而在那之前排放的二氧化碳可能会使变暖更加严峻。使用机器从空气中去除数十亿吨二氧化碳(也就是碳捕获)或许也能减缓全球变暖,但这就像是拆东墙补西墙,这些机器本身就可能使全球能源消耗增加高达25%,并排放更多的温室气体。另外,由于太阳辐射干预可以迅速产生效果,它也更具有其他吸引力。这是“唯一一种行政负责人在任期内就可以察觉到温度变化的举措”,美国卡内基科学研究所的气候科学名誉教授肯·卡尔德拉这样说道。

  卡尔德拉等人表示,任何太阳辐射干预的尝试都应该极其谨慎。它可能使我们的蓝天明显地变白,可能削弱平流层的臭氧层,而臭氧层保护着我们和地球生物圈免受紫外线辐射的影响,还可能改变天气规律,甚至改变灌溉数十亿人赖以为生的粮食作物的季风环流。从根本上说,它对解决二氧化碳带来的其他问题毫无作用。

  批评者还表示,太阳辐射干预这种类似“末日逃生舱”的想法,可能会瓦解人们对温室气体减排的支持。太阳辐射干预就像处方药一样,如果负责任地使用——短期且微量——可能是有益的,可以避免接下来的一到两个世纪出现危险的高温,并为人类争取一些额外的时间过渡到可再生能源。但它也可能会被滥用,如果剂量过高,它可能会扰乱地球气候,改变天气规律,导致国家之间的“气候对抗”,甚至引发战争。

  出于以上原因,400余名科学家签署了一封公开信,敦促各国政府联合禁止太阳辐射干预实验。但还有一些科学家仍在继续这方面的研究,尽管他们并不情愿。“我认识的所有相关领域的科学家,都是不得已才从事这个领域的研究。”美国罗格斯大学的气候学家艾伦·罗伯克说道,他曾经展示了核冬天会如何使地球笼上阴霾。罗伯克也是出于某种责任感,才研究太阳辐射干预的。“如果将来有人禁不住利益的诱惑真的做了这件事,”他说,“他们应当知道会带来怎样的后果。”

  相关实验的支持者指出,什么都不做,放任全球变暖具有重大风险。在最近的一份报告中,世界气象组织估计,到2027年全球年平均气温有66%的可能性会短暂地超过工业化前1.5℃。超过这一危险的阈值后,地球环境就会遭到极大的破坏。2023年2月27日,二氧化硫气球释放了十几天后,包括气候变化专家詹姆斯·汉森在内的110名气候科学家发布了另一封公开信,敦促政府支持太阳辐射干预的研究。第二天,联合国呼吁制定国际规则,为相关实验铺平道路。

  然而,即使太阳辐射干预降低了全球平均温度,也无法将气候重置回工业化前的状态。美国芝加哥大学气候系统工程主任戴维·基思说,他在该领域研究已经超过二十年,太阳辐射干预确实可以减轻我们面临的威胁。

  2、用气溶胶遮天蔽日

  这种按照人类意愿改造地球大气的想法由来已久。1962年,美国军方启动了“风暴之怒”计划,试图在云层中播撒碘化银颗粒以削弱飓风。1967至1972年,美国空军在越南和老挝发起过气象战。在一场名为“大力水手行动”的绝密行动中,多架飞机每天都会向季风云层中喷撒碘化铅和碘化银粉末,目的是增加当地的降雨量,使胡志明小道泥泞难行。

改造大气的奇思

  几乎在科学家认识到二氧化碳能使地球变暖的同时,就有一些人产生了增加地球表面的反射率来对抗变暖的想法。1965年,科学家向时任美国总统约翰逊提出,在海洋表面播撒反光颗粒,可以应对大气中二氧化碳浓度升高引发的变暖。1974年,苏联气候学家米哈伊尔·布迪科提出用飞机或火箭向平流层注入二氧化硫可以反射阳光。他写道,这项技术“应该立即发展起来”。令人惊讶的是,当时没有任何政策建议提出减少碳排放。

  在接下来的二十年里,行星尺度的地球工程设想并没有得到太多关注。1998年,洛威尔·伍德——美国加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室一名曾支持“星球大战”导弹防御系统的工程师——在“阿斯彭全球变化研究所”的会议上起立宣讲平流层气溶胶的降温效果,然而反响并不热烈。基思回忆道,伍德“完全夸大了这种设想的效果”。这份质疑基于很简单的逻辑:二氧化碳会吸收地球释放的长波辐射,使地球从赤道到两极均匀地变暖,昼夜不停。然而阳光主要加热低纬度地区,并且在夏季和白天效果更为明显。遮蔽阳光会使地球不均匀地冷却。卡尔德拉认为“赤道附近的冷却效果更强”,夏季的冷却效果也更强,而在两极附近则较弱。

  卡尔德拉回到他就职的实验室,说服那里的气候科学家戈文达桑米·巴拉用一个复杂的气候模式来测试这个想法。该模式减少了1.7%的入射阳光,足以抵消两倍于工业化前二氧化碳水平导致的升温。“它的效果极好,远超出我们的预期,”卡尔德拉说。这项于2000年发表的研究表明,太阳辐射干预仍然会使热带地区比两极冷却得略多,且对夏季的影响比冬季更大。但总体上,与巴拉、卡尔德拉和基思所担忧的相比,冷却效果在全球范围内还是比较均匀的。

  随后,罗伯克参与的一个研究小组用十几个不同的气候模式重现了巴拉的结果,但他们2013年的研究结果提出了一个“红灯警告”:随着平流层气溶胶浓度增加,冷却效果会越来越不均匀,气候也会被更显著地扰乱。如果使用平流层气溶胶来抵消4倍于工业化前二氧化碳水平的变暖效应,热带将比工业化前降温0.3℃,但极地地区仍会比工业化前升温0.8℃。多年冻土和海冰可能无法完全恢复,这意味着我们将无法扭转气候变化最具破坏性的一部分后果。

  巴拉还发现了另一个令人担忧的细节:平流层气溶胶可能会减少降雨和降雪。研究人员知道,气温升高会增加水的蒸发,导致更多的降水,因此相反的情况也完全有可能发生。但是巴拉发现,相比于降温的影响,遮蔽阳光可能会减少更多降雨。这是因为在减少阳光入射的同时保持较高的二氧化碳水平,会略微减少水蒸气形成云。12个气候模式模拟结果预测,如果使用太阳辐射干预来完全抵消4倍于工业化前二氧化碳水平的变暖效应,部分热带地区的年降雨量可能会比工业化前减少5%~7%,这可能会危害到作物和热带森林。

  结合其他的观察结果,基思和同事提出了一种温和的太阳辐射干预方案:只在短期内向平流层注入气溶胶,以减轻气候变化的影响。这样可以为各国争取时间,来减少温室气体排放并从大气中去除(或“捕获”)二氧化碳。

  2018年,基思、美国康奈尔大学的气候科学家道格拉斯·麦克马丁和美国斯克里普斯海洋研究所的凯瑟琳·瑞克共同撰写的一篇论文中勾勒了这一情景。在他们设想的情景中,温室气体减排结合碳捕获技术,将使大气二氧化碳浓度在2070年达到顶峰,约为工业化前水平的两倍以上,然后开始缓慢下降。这会导致大约3℃的变暖——已是相当大的升温幅度。为了将变暖限制在1.5℃以内,需要从2030年开始向平流层注入气溶胶,并缓慢增加注入量。气溶胶的注入会在2070年达到峰值,然后在之后的200多年间逐渐减少,直到大气二氧化碳浓度降至足够低的水平。英国伦敦大学学院的气候科学家彼得·欧文在13个模式中模拟了这种情景。2019年发表在《自然·气候变化》上的研究结果显示,在二氧化碳浓度达到峰值时,平流层气溶胶能扼制全球至少99.6%的无冰陆地的变暖,并减轻极端降水事件(包括干旱和暴雨)的严重程度。

  到那时,可能也会启用其他太阳辐射干预的方法,以均匀地调节冷却效果。例如,使用“海洋云增亮”法,向1000米高空中喷撒海盐,促使云滴形成,增加海洋特定地区低云的反射率;或使用“卷云薄化”法,向4500~9000米高的云层释放碘化银颗粒,使云中的冰晶变大并从天空中掉落,较薄的卷云将允许更多地球释放的长波辐射逸出到太空。相比向平流层注入二氧化硫,这两种方法的影响范围更加有限,因此可以有选择地使用它们,以平衡平流层气溶胶对不同纬度和地区的效果。美国华盛顿大学研究海洋云增亮方法的大气科学家萨拉·多尔蒂表示:“最后可能会发现,结合使用多种方法或许可以在最大化收益的同时,最小化风险。”

改造大气的奇思

  3、现实困境难以掌控

  平流层气溶胶输入是太阳辐射干预中研究最充分、也最接近实际应用的方法。但要使其生效,还需要克服一些重大挑战。大约20千米高空的大气既不同于地表也不同于太空,这大约是民用航空飞行高度的两倍,气压只有地面的5%。这么低的气压足以使一个人口腔和肺部的液体自行沸腾。空气为飞机机翼提供的升力同样微不足道,全球只有少数几架科研用途的飞机能在这样稀薄的大气中飞行。最著名的是美国航空航天局的ER-2,机身很小,但机翼非常大,甚至会显得有些笨拙。它仅能承载一名飞行员,飞行员必须像宇航员一样穿着全套的压力服,并且飞机携带的货物重量不能超过两吨。

  在过去的50年里,ER-2已经执行了超过4500次研究任务,对平流层的气溶胶和气体进行了广泛取样。它们穿越了火山喷发的气流,帮助我们深入理解了臭氧层是如何被破坏的,还建立了太阳辐射干预的科学基础。但是这些高空信天翁却无法携带足够多的二氧化硫飞入高空。

  利用现有技术,我们能够为这项任务设计出专门的飞机,美国耶鲁大学环境学院的气候研究员、前航空工业高管维克·史密斯这样表示。自2017年以来,史密斯一直在完善一款装有6台发动机的飞机设计,该飞机参考了波音B-47平流层喷气式轰炸机。史密斯设计的飞机每次飞行可携带15.7吨气溶胶升至20千米高空。根据太阳辐射干预项目的需求,史密斯设想在2100年,每天有90~900架飞机执行任务。第一架飞机的研发可能需要7~10年,而要组建整个机群可能需要20年。

  史密斯估计,一旦飞机建造完成,每年每摄氏度的降温成本可能只需180亿美元。与每年除去数十亿吨二氧化碳所需的数千亿美元相比,这个数字要小得多。但是与碳捕获相比,太阳辐射干预更有可能导致难以预料的后果。任何国家进行的平流层气溶胶注入都可能会影响整个地球的气候。如果操作不当,可能会扰乱气候规律和数十亿人的生活。

  很多人的生存依赖于一条被称为热带辐合带(ITCZ,也称赤道辐合带)的强降雨带。这条带状区域横跨地球赤道,随着季节的变化最多可向北或向南移动2500千米。它总是向更温暖的半球移动,这形成了每年夏天到达印度、东南亚和非洲等地的季风。每年ITCZ带来的降雨量超过45000立方千米,如此大的降雨量仅在南亚地区就可滋养和维持15亿人生存所需的作物。

  2008年,最早在模式中测试太阳辐射干预的巴拉加入了位于班加罗尔的印度科学研究所,并开始研究人类活动如何影响该国的季风。他的模拟结果表明,在赤道注入的气溶胶会扩散到南北半球,对季风环流只会造成很小的影响。但有些人提出了一种“极地策略”,即在高纬度地区注入气溶胶,以减缓北极迅速变暖的影响,同时避免热带地区过度降温。巴拉表示,这个提议虽然出于善意,却将对印度的季风产生“巨大影响”。他2022年发表的最新计算表明,如果在北纬30度注入足以使地球降温1.5℃的气溶胶,季风区可能向南移动约150千米,印度夏季的降雨量将减少最多29%,从而威胁这里的作物生长。

  巴拉的研究还表明,向平流层注入气溶胶不会只影响局部地区,它必然会产生全球范围的影响。2021年,瑞克模拟了在印度洋上空注入气溶胶的情况,希望能增加降雨并扭转北非撒哈拉地区的长期干旱。然而,这只能将干旱转移到东非的其他国家。另一项于2022年进行的模拟研究表明,平流层气溶胶可能将疟疾的高发地区从东非高原转移到南亚和撒哈拉以南的低地地区。目前一些寄生虫盛行的地区可能会变得太冷而不适合寄生虫生存,而其他地方却可能会降温到刚好适合寄生虫生存。这种风险的巨大转移,可能会伤害那些“在我们谈论地球工程时通常不参与讨论的国家”,南非开普敦大学的生态学家克里斯托弗·特里索斯如此说,他共同领导了有关疟疾的研究。

  基于所有这些原因,瑞克表示,太阳辐射干预的研究正处于“非常危险的境地”。大多数研究都假设太阳辐射干预将在国际合作下进行,但她表示研究者还应该模拟无序注入气溶胶的可能性。瑞克同时还关注国际关系领域,她设想了一个噩梦般的情景:各个国家在面对热浪、火灾或洪水时,开始单方面注入气溶胶。想象一下,为了冷却其北极地区,在高纬度注入了气溶胶,这会把季风带推向南方,从而减少印度、泰国和越南非常重要的降雨。它还可能将巴西的暴雨转移到更南方,引发洪水。如果这些受到影响的国家也从自身利益出发,向平流层注入气溶胶以减缓降水的变化,那么就可能会发生危险情况的升级。一个国家甚至可能摧毁另一个国家的太阳辐射干预飞机,导致全球变暖的突然反弹,甚至可能爆发战争。“而太阳辐射干预的相对低成本意味着许多国家都能负担得起,”瑞克说,“我认为不可避免地会有很多国家尝试这样做。”

  4、不确定性有待消除

  支持太阳辐射干预的人指出,研究显示它能以经济的方式减少极端天气事件。批评者则指出,它可能引发灾难。但试图预测未来影响的科学家承认,这些预测大多数都存在巨大的不确定性。不确定性源于所使用的气候数值模式,尽管太阳辐射干预在十几个气候模式中表现出一致的结果,但并不意味着这是通过广泛的不同方法得到了趋于一致的答案。基思表示,这是因为“我们有太多的人在运行相似的气候模式”。如果其中一个模式的基本假设是错误的,那么所有的模式都可能是错误的。

  用于预测太阳辐射干预效果的模式包含数十个变量,代表了从气溶胶液滴的化学特性到它们的大小等物理参数。这些变量的微小变化都可能产生广泛的影响。例如,直径为一到两微米的液滴(比红细胞小)应该能最有效地反射太阳光,因为它的直径接近大部分入射太阳辐射的波长。较大的液滴不仅不够有效,还可能吸收地球表面释放的长波辐射而导致升温。另一个关键变量是液滴引起的破坏臭氧的化学反应速率。当研究人员试图预测平流层气溶胶注入的效果时,他们输入了这些变量的最佳估计值。然而大多数研究使用的估计值都很相似。“关键问题是,”基思说,“我们是不是都错了?”

  为了解决这种不确定性,基思建议运行大规模的“集合模拟”实验——向同一模式中输入不同的参数组合,以运行数百种不同版本的结果。科学家只进行过少数几项有关太阳辐射干预效果的研究。基思希望在美国芝加哥大学开展更多集合模拟方面的工作。然后,这项研究生成的各种气候结果可以输入下游模式中,用来预测太阳辐射干预如何影响农作物产量、森林火灾、风暴或疟疾等疾病传播。

  然而,无论科学家运行多少大规模集合实验,我们都无法百分之百地确定太阳辐射干预会如何发挥作用,直到它在真实世界中得到测试——而且是在更大规模的情况下,起码要远远大于雷诺市郊释放的那个气球。2011年,基思和卡尔德拉发表了一项分析,表明一项有意义的平流层注入实验需要十年的时间,每年必须释放数十万吨的二氧化硫——从理论上讲,这足以扭转两倍于工业化前二氧化碳水平引起的升温的10%。换句话说,至少要达到这种规模的可行性实验“才能接近真实情况”,卡尔德拉说。

  在大部分研究中,较小规模的真实实验就可以减少数值模式研究中的不确定性。例如,通过建造气溶胶注入设备并使用它释放从几千克到几吨的二氧化硫进入平流层,科学家可以更好地理解这类设备的工作情况:喷射的液滴在空中是否会保持相同的大小,相关化学反应的详细发生情况,以及气溶胶对臭氧的影响等。事实上,自20世纪60年代以来,科学家就一直在进行类似的研究,比如释放锌硫化物粉末或六氟化硫气体等示踪剂进入平流层,以研究大气运动。

  然而,当研究的主题是太阳辐射干预时,即使是进行小规模的真实实验也极为困难。2021年初,基思和美国哈佛大学的大气化学家弗兰克·科奇计划了他们的第一个太阳辐射干预现场实验,名为平流层受控干扰实验(SCoPEx)。这项实验旨在模拟平流层飞机释放的气溶胶轨迹。按照计划,一个自推进的气球将升至20千米高空,释放0.5千克的硫酸盐到其螺旋桨产生的尾流中,然后穿过气溶胶轨迹返回,以监测其演变过程。该实验释放的气体量仅为跨大西洋商业飞行气体释放量的0.3%。研究人员原本计划2021年6月在瑞典北部进行第一次试飞,只测试设备,而不释放任何气体。但即使是这样的实验都从未成行。许多太阳辐射干预的反对者希望彻底禁止该类实验。然而,一些科学家仍在继续研究,因为他们认为这才是负责任的做法。卡尔德拉表示,“最应该支持这类实验的人,应该是那些相信这项举措会导致气候恶果的人。现在人们可以做的最有价值的事,就是彻底搞清楚这类实验究竟会产生哪些糟糕后果。”如果太阳辐射干预注定要被研究,甚至被推广实施,那么最好尽早开始,并且循序渐进,这样就能理解其中的弊端。具有讽刺意味的是,就算太阳辐射干预实验现在被不断推迟,等到全球变暖非常极端时,它反而可能会突然得到更多的公众支持,但那时就只能仓促上马。“政治上的风险和科学上的风险之间确实存在着鸿沟。”

  即使是小规模的实验,也需要由政府资助并监管其合法性,凯莉·万瑟表示。她是非营利组织“银色线条”的执行董事,该组织正在敦促美国科学基金会和其他政府机构为太阳辐射干预研究设立专门资金,并制定规则以规范该类实验应何时、如何进行。科学家希望有这种监管机制,瑞克说。毕竟,对于其他敏感的科学领域,如人体医学研究,长期以来一直存在这种监管机制,它显著提高了该领域研究的总体质量。他们的终极目标是建立一个国际机构,类似于政府间气候变化专门委员会(IPCC),该机构将制定研究的优先事项,兼顾富裕和贫穷国家的利益。“如果这种机构缺位,合法的科学研究就很难大规模开展,”瑞克表示,“很容易出现野蛮、不规范的研究。”

  在雷诺放飞气球的两个月后,2023年4月10日,伊斯曼和宋来到加利福尼亚州的伯克利海湾,放飞了另外三个平流层气球,此举资金来自客户购买的2840美元的“冷却券”。“一架波音747飞机在几分钟内就会排放这么多的气体。”伊斯曼说着,右手高举着第一个气球,背后是闪烁的旧金山湾,摄影团队在旁拍摄。然后他放手让气球飞走。几天后,这两个人参加了旧金山的一场地球日活动,他们在那里帮助孩子们放飞了自己的小气球,上面涂有粉笔灰,可以形成气溶胶。“我们的目标,”伊斯曼说,“是培养1000名新的地球工程师。”

  (撰文 道格拉斯·福克斯 本文翻译系杜怡心)

  (本版图文由《环球科学》杂志社供稿)

  《光明日报》(2024年02月22日 14版)

[ 责编:邢彬 ]
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