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太阳地球工程:地球的镇痛剂?

太阳地球工程也许可以为能源系统转型等根本性措施争取时间,但也同时存在诸多风险和不确定性 | 图源[2]

导  读

2022年1月,汤加洪阿哈阿帕伊岛的海底火山发生剧烈喷发,牵动公众心绪,这类大规模的火山喷发会给地球气候造成显著影响。与此同时,这些气候影响也给大气科学家们提供了灵感,促使他们提出了一种极为大胆的应对气候危机的辅助手段:太阳地球工程。这种辅助手段也许可以为能源系统转型等根本性措施争取时间,但也同时存在诸多风险和不确定性。本文将以平流层气溶胶播撒为主线,展开探讨太阳地球工程的用途,争议,风险,不确定性,以及全球科研现状。

 

撰文 | 李垚纬   代祯

责编 | 冯灏
 

想象几十年后的某一天,人类已不堪气候变化的种种悲剧性影响:南北极的冰川大规模融化,海平面上升,一众岛国和沿海城市岌岌可危,干旱、暴雨、台风等极端天气在不同地区频繁发生,熊熊燃烧的山火越发肆虐…… 地球系统濒临崩溃。

 

为了避免这样可能的悲剧场景,科学家们正在探索给地球使用一种暂时性的 “镇痛剂”,以给根本性的 “治疗手段” ——温室气体减排——争取更多时间。

 

这种 “镇痛剂” 可以减少到达地球表面的太阳光:它由人为在平流层区域(距离地面约20公里的高空)播撒的数百万吨微小颗粒组成;这些笼罩着地球的颗粒物会将一部分太阳光反射回太空,从而降低地球的温度。

 

在距离地面20公里的高空,模拟火山爆发后的场景?虽然这听起来仿佛科幻小说,却是现实中中国、美国、英国、德国、日本等多国科学家都在探索的工程方案。这些被统称为 “太阳地球工程(solar geoengineering)” 的提议与镇痛类药物相似,或可助力人类渡过向温室气体净零排放(碳中和)的痛苦转型,却也存在副作用和被滥用的极大风险。

 

1

因争议而搁置的平流层扰动实验
 

为了研究这种 “地球镇痛剂” 的效果及其副作用,自2017年开始,哈佛大学的研究人员启动了一个科研项目:平流层受控扰动实验(SCoPEx)[1]。SCoPEx希望实地测量与太阳地球工程相关的平流层颗粒物,为计算机模拟研究提供关键的实验参数。

 

计算机模拟研究是评估太阳地球工程风险和收益的主要手段;但由于目前对相关平流层颗粒物在微物理和大气化学性质方面的认识非常有限,这些计算机模拟结果存在非常大的不确定性。ScoPEx项目希望通过实地测量改变这一现状——精确探索人为播撒的极少量颗粒物如何与平流层背景空气、太阳辐射以及地表红外辐射相互作用。

 

也就是说,SCoPEx并不是对太阳地球工程本身的测试,而是针对太阳地球工程(更确切地说,其中的平流层气溶胶播撒)内在机理的可行性和潜在危害探讨。
 

图1 平流层受控扰动实验SCoPEx概念图 | 图源[2]

 

SCoPEx实验的核心是一个高空气球,气球吊载着装配有螺旋桨和一系列科学仪器的吊舱。螺旋桨有两个功能:一,螺旋桨运动时产生的尾流会在平流层实验区域形成一个混合良好的区域(长约1公里,直径约100米),其他仪器可以在这个区域内播撒相关的颗粒物;二,螺旋桨可以将吊舱运送到区域内的不同位置,以测量播撒的颗粒物的特性。

 

吊舱在运动时速度可以达到每秒几米,完整测量一次1公里长的扰动气团大约需要十分钟。因此,高空气球的优势在于,通过它可以人为创造少量受控的平流层空气,并在24小时内多次观察扰动气团的演变。(如果使用的是飞机而不是气球,实验将无法实现如此小的扰动体积,也无法长时间观察它的演变。)

 

气球成功达到距离地面20公里左右的平流层后,伴随着螺旋桨的运动,仪器将释放出非常少量的颗粒物(小于2千克,碳酸钙颗粒等无毒害的矿物质,曾考虑水滴颗粒物作为前期测试)[1]。这些颗粒物极其微小,也被称为气溶胶。随后,吊舱上配备的其他仪器将测量扰动气团的变化,包括气溶胶密度、气溶胶光学性质,以及气溶胶在平流层上的化学过程等。

图2 SCoPEx高空气球运行示意图 | 图源[3] 本文作者有修改

 

该项目的研究人员表示,测试不会对人员或环境造成危害:测试排放的颗粒物相比于飞机、火箭等的排放要少得多,而且测试仅局限在平流层的一个很小的区域(几平方公里)[1]。

 

SCoPEx 最初计划于 2021 年 6 月在瑞典测试,本将成为太阳地球工程相关的首批现场测试之一。但在首次试飞前四个月,迫于瑞典居民和环境组织的压力,SCoPEx宣布项目延期,何时重新启动尚没有明确消息。环境组织反对的主要理由是太阳地球工程 “可能会对社会经济系统造成不可逆转的变化” [4],降低人们的减排积极性,从而成为减排政策的绊脚石。

 

尽管科学家们认为这项研究的直接风险可以忽略不计 [5],因为实验总计播撒的碳酸钙等无毒害物质不到2千克,比普通客机每分钟排放的物质还要少;而且实验范围也只有几平方公里。反对者仍认为,SCoPEx可能会产生很多其他问题,太阳地球工程的第一个现场实验会像是打开了“潘多拉魔盒”:研究太阳地球工程,也许会导致人们越来越倾向于实施太阳地球工程。

 

2

为什么要提出太阳地球工程?
 

关于SCoPEx项目的种种争议不免让我们思考:为什么各国科学家都在尝试探索太阳地球工程?

 

如今,由温室气体(主要是二氧化碳)浓度升高造成的气候变化威胁人类生产,甚至可能改变人类文明的进程。应对措施主要分为两大类——减排和适应。减排是必要而根本的措施,主要的国际气候协议和气候谈判,比如1997年的《京都协定》、2009年的《哥本哈根协定》和2016年的《巴黎协定》都以减排为中心;适应则旨在降低应对气候变化系统风险的脆弱性。

 

但是,现阶段的科学研究和各国实际的减排行动表明,我们无法在短时间内将二氧化碳排放削减到安全限值,阻止气候变化的危险性后果;也无法仅通过适应措施,完全抵御很可能发生的气候危机 [6,7]。

 

在这种背景下,有没有一些新的、更大胆的方法可以让地球更快地降温,并为我们摆脱化石燃料争取更多时间?地球工程就是作为这样一剂暂时的镇痛剂,进入学界视野的。

 

目前有两种主要的地球工程思路:一,从大气中移除二氧化碳,以降低大气的保温能力;二,将更多的太阳光反射回太空,以减少地球吸收的热量。

 

第一种方法被称为 “碳地球工程”。有些碳地球工程中的方法,比如碳去除,因为可以直接减少大气中的二氧化碳,已经被学者普遍认为是我们需要采取的气候变化应对措施 [8]。但这种方法在实施上仍具有很大挑战性,以 “碳捕集与封存” 技术为例,不仅成本高昂,而且需要占用大量的土地 [9]。

 

第二种方法,即 “太阳地球工程”,虽然不可能完全逆转大气温室气体浓度升高引起的气候变化,但它们也许能够在较短时间内减缓温度和降水等几个关键气候变量的变化,因此可能降低气候风险 [10]。


 

其中,平流层气溶胶播撒是目前被广泛研究的一种太阳地球工程手段,根据IPCC第六次评估报告,该技术路线相比于其他的太阳地球工程手段(如海洋上空积云亮化和高层卷云变薄等)具有较高的降温功效和技术可行性 [8,11],以及相对较低的经济成本 [12]。

 

过去几十年的全球气候治理中,科学基础并不是唯一的指导标准,对社会经济的考量往往左右着二氧化碳减排的力度与成效。哈佛大学的一项关于气候治理最优路径的研究表明,综合考虑气候和经济模型,将太阳地球工程作为应对气候变化的辅助手段可以有效降低气候治理的经济成本。相比于减排和碳去除两种方法结合的路径,加入太阳地球工程后,不仅可以显著拉平经济成本曲线(flatten the curve),使成本峰值降低至原有的1/6左右,而且可以极大地降低整体经济成本 [13]。 

图3 2摄氏度温控目标下,不同气候治理路径的经济成本 | 图源[13] 本文作者翻译

 

2018年诺贝尔经济学奖得主,耶鲁大学经济系教授威廉·诺德豪斯在他的《气候赌场:全球变暖的风险、不确定性与经济学》一书中也提到,面对气候变化,我们无疑需要以碳减排为主,但是,适应和地球工程两种措施也或不可少 [14]。

 

3

平流层气溶胶播撒是天马行空吗? 

如前所述,SCoPEx项目计划仅在平流层播撒极其微量的颗粒物,而气候模型的模拟结果表明,实际实施平流层气溶胶播撒工程,可能需要每年播撒成百上千万吨的颗粒物 [10]。

 

暂且不论我们如何长期不断地将如此大量的颗粒物或者气体运送到平流层,这么大量的颗粒物又是如何悬浮在高空,而不会很快降落到地面呢?

 

事实上,大自然早已多次向人们展示了平流层气溶胶播撒的力量,最近一次就是今年初的汤加火山爆发,目前估计的数据显示,汤加火山的爆发向平流层注入了约40万吨的二氧化硫 [15]。

 

这些二氧化硫在平流层中经过化学转化会变成硫酸盐颗粒物。这些颗粒物特别微小,大部分直径在几百纳米到几微米,不及人头发丝粗细的1/20,因此,可以悬浮在空中。另外,顾名思义,平流层区域大气运动主要是水平流动,竖直方向上的运动很微弱,因此,悬浮颗粒物可以在平流层停留更久(几个月到几年)。

 

另外一个更为显著的例子是1991年菲律宾皮纳图博火山的喷发。在喷发期间,皮纳图博火山将约2000万吨二氧化硫投入了平流层,并在其后大约一年的时间里随大气运动遍布全球。其后三年间,虽然全球气候受到厄尔尼诺现象(指东太平洋海水每隔数年就会异常升温的气候现象)的影响,但全球平均气温仍降低了大概0.5摄氏度 [16,17]。

 

人为平流层气溶胶播撒的灵感来源就是火山喷发。保罗·克鲁岑1995年因研究臭氧层破坏机制而获得诺贝尔化学奖,在他2006年发表的一篇文章中就曾经对比人为平流层气溶胶播撒和1991年皮纳图博火山喷发的效果 [18]。正是这篇论文让科学界开始认真考虑平流层气溶胶播撒的概念。

 

目前科学界研究最多的仍是硫酸盐气溶胶(火山喷发产物)。除此之外,学者也在考虑碳酸钙、金属铝、氧化铝和钛酸钡等一系列材料。甚至有学者提出用钻石颗粒物作为播撒材料,因为钻石反射太阳光的能力很强,并且钻石表面不易发生化学反应,对臭氧层的可能影响较小 [19]。

 

既然地球已经向我们证明,向平流层播撒气溶胶可以降低地球温度,并且气溶胶可以在平流层较为长期地悬浮,那另一个技术问题就是,具体怎么操作?
 

目前,科学家提出了不少平流层气溶胶播撒的方法,其中,现有技术可以实现的主要有三类 [20]:


1、利用可以在平流层巡航的高空飞机大规模播撒气溶胶。目前世界上有多款可以在20公里以上高空飞行的飞机,包括RQ-4全球鹰等无人机;2、利用大量平流层气球将气溶胶材料播撒到平流层。类似的气象气球目前每天都会在全球各地被发射到30公里左右的高空;3、利用炮弹将气溶胶注射进平流层。这种方法最好选择在高海拔地区以降低炮弹进入平流层的难度,但同时技术成本也非常高昂。

目前,新一代高空飞机是其中最有可能投入大规模应用的选择,相比于其他两种方法,它兼具低成本和操作稳定的特点。

 

图4 目前科学家提出的一些人为平流层气溶胶播撒方法 | 图源[20] 本文作者翻译

 

4

风险与争议
 

虽然以平流层气溶胶播撒为代表的太阳地球工程可以降低全球气温,但也正因为这种全球性的气候效应,它有很多自然科学上的风险和不确定性,也伴随着社会经济领域的争议。

 

从最基本的地表气温变化,到对冰川的影响;从局部气候的变化,到海洋环流的反应;从硫沉积,到项目突然被迫中止可能带来的风险——太阳地球工程的风险和不确定性涉及气候变化科学的方方面面。对这些繁复的风险和不确定性,目前学术界并没有统一的评估标准。而这种统一标准的欠缺,可能会把人们的注意力集中在实际影响并不很大的因素上,进而难以形成对于太阳地球工程的整体认识。

 

主导ScoPEx项目的哈佛大学教授 David Keith 在他的《气候工程案例(A Case for Climate Engineering)》一书中提到,媒体在报道太阳地球工程时最经常提到的一点是,它有可能降低东亚地区的季风强度和夏季降水,从而影响当地农业的收成 [21]。而事实上,在一个迅速升温后的地球上,夏季季风很可能变得过于剧烈,从而造成飓风和暴雨,对农业收成造成损失。在这种情况下,太阳地球工程对季风的减弱可能反而更有利于当地农业的发展。

 

那么,怎么评估太阳地球工程的风险,才能最有建设性地引导科研呢?发表在《自然综述:地球与环境》上的一篇文章认为,为了理清这些繁复的风险,我们可以先将太阳地球工程的不确定性因素逐条列出,并对每一个条目按照两个标准进行评估 [22]。这两个标准分别是:一,会伴随太阳地球工程发生,或我们对其目前理解欠缺的可能性;二,负面影响的大小。根据这两个标准进行综合评估,我们可以甄别出两项指标都比较高的条目,作为下一步研究的重点。

从这个角度出发,太阳地球工程几个最重要的风险和不确定性分别是: 

 

气溶胶微观物理和次网格尺度气溶胶混合过程

目前为止,对太阳地球工程气溶胶微观物理的模拟主要依赖于对过去火山喷发后气溶胶过程的研究。而人为、有控制的气溶胶投放和无控制的火山喷发过程有很大的区别:人为投放气溶胶时人类可以选择投放的速率、位置、和气溶胶总共投放量,而火山喷发一般只会在短时间内,在同一个地点,急剧地将大量气溶胶投入平流层中。同时,气候模型对气溶胶过程的模拟目前基本局限在网格尺度(即气候模型的最小面积单位),而这些网格的大小(至少几千平方公里)决定了它们无法模拟气溶胶尺度的物理过程。然而,这些过程直接影响了太阳地球工程中气溶胶的反射效率,并间接影响投放后的下游。 

 

平流层气溶胶吸热对表层气候的影响

气溶胶被排放到平流层中后,除了会反射短波太阳辐射而造成地表气温降低,也会吸收长波而加热平流层。这种温度变化可能对地表气候造成很大影响,比如平流层温度的变化有可能改变大气垂直方向的循环,从而影响平流层臭氧层浓度,甚至改变地表重要的大气化学过程。而目前我们对这些影响知之甚少。  

 

生态系统的反应

太阳地球工程对生态系统的影响非常复杂。比如,减少地表的太阳光可能会降低植物的光合作用,但由于平流层气溶胶地球工程主要降低直射光而增加衍射光,植物的光合作用效率有可能因此增加。另外,地球气温的变化也会对动物造成影响,未知的问题包括急剧改变地球气温会不会让动物们无法继续生存在现在的生存空间从而被迫迁徙,或者动物对阳光的突然减弱会做出怎样的反应。目前,这些方面的科学研究非常有限。

相比于自然科学上的风险和不确定性,政策和道德维度的考量关涉更大。

 

由于大气的流动性,无论在哪里投放气溶胶,它们最终都会覆盖全球。因此,太阳地球工程的实施必须得到所有国家的同意。但是,由于气候的区域性特征,很可能不同国家或地区会受到不同的影响。2018年的一项研究指出,在同一种太阳地球工程情景下,如果欧洲的热浪被有效抑制,亚马逊地区的降水循环则不能被控制在自然(工业革命之前)状态 [23]。这些区域性影响不管是正面还是负面,都有可能成为国际谈判中激烈交锋的争议点。

 

SCoPEx项目的坎坷经历就是这种管制难度的一个微观体现。前文已经提到,虽然SCoPEx对环境几乎没有物理影响,但由于公众对太阳地球工程的反对,这项科研项目正被搁置。

 

另一方面,学界和政界普遍关心的问题是太阳地球工程的实施会不会成为减排政策的绊脚石,以及太阳地球工程的技术会不会被改造成战争武器。

 

对此,诺德豪斯认为,任何一种保证社会稳定的措施,比如警察力量或者雪山救援部队,都会增加人们冒险的几率,但大多数人可能宁可活在有警察和救援系统的社会里 [24]。他认为,也许太阳地球工程会在某种程度上降低减排的动力,但这并不应该阻止我们对它更加深入的研究,以备不时之需。另外,有研究指出,太阳地球工程的应用和减排政策间并不是简单的取舍或竞争关系。在决策制定过程中,它们的优缺点都应该被放在一起衡量 [25,26]。这样决策者才能制定出成本效益最优的气候政策。

 

而对于用作战争武器的担忧,有学者认为这种可能性很小 [27]。这是因为武器一般应该能被使用者有效精准地控制,并且有立竿见影的效果,而太阳地球工程对气候的影响范围很难被控制,并且它的起效相对于传统武器非常缓慢。

 

可以想象一种场景,A国想利用太阳地球工程对B国造成气候影响,从而完成打击。那么,A国需要在合适的地区建立设备以播撒数百万吨气溶胶,但这些气溶胶对B国造成可以观察到的气候影响可能需要数年;并且不止B国,世界绝大部分国家和地区的气候都有可能受到影响。这种打击方式的成本很高、规模很大因而不太可能秘密进行,被中途截停的风险巨大,国际影响很糟,而收益又难以确定。在现代战争中,很难想象太阳地球工程能够成为一种合理的武器选择。

 

5

需要更多的科学研究
 

太阳地球工程目前是一个比较小的科研领域。到2018年为止,这个领域的全球科研基金最多只达到过每年八百万美元左右 [28],这个资金量占气候变化领域科研基金的不到0.01%。虽然中国政府对太阳地球工程的实施并没有明确表态,但中国是少数几个有政府资金支持太阳地球工程科研项目的国家之一。

 

中国最大的太阳地球工程项目是科技部973计划下的“地球工程基础理论和影响评估研究”,由英国科学家 John Moore 担任项目负责人,并有北京师范大学、中国社会科学研究院以及浙江大学的学者参加 [29]。这个项目的研究包含自然科学和社会科学的课题,但不包含实验室或户外实验。

 

相对于由美国政府支持的太阳地球工程科研项目的规模(1-2亿美元)[30],中国的研究项目规模(220万美元)并不大。但中国的气候科学家对太阳地球工程并不陌生,并且整体态度和美国学者并没有本质上的区别。最近的一项研究发现,中美两国的气候科学家都认为,对太阳地球研究的拨款应该占气候科学科研经费的5%左右,并且都不支持近期任何具体工程项目的实施 [31]。

 

除了中美两国,英国、德国、澳大利亚、日本也有规模较大的太阳地球工程科研项目 [28],培养了一批学者。虽然这些科学家不能对太阳地球工程实施与否做出决定,但他们可能会是推动太阳地球工程国际合作,以及最终决定太阳地球工程能否被实施的关键。

 

就像SCoPEx首席科学家、哈佛大学教授 Frank Keutsch 所说:“作为一个科学家,我不能左右社会(对于太阳地球工程)最终的决定,但我可以为那些需要做决定的人提供科学依据。(As a scientist, I have no say on the decisions that society ultimately takes. But I can help provide facts for those who do.)” [32]。

 

致谢:感谢浙江大学曹龙教授为本文提供学术指导。

 

作者简介

李垚纬,哈佛大学应用科学与工程学院博士生,博士课题导师为文中提到的Frank Keutsch教授;代祯,哈佛大学应用科学与工程学院博士毕业,博士课题导师为文中提到的David Keith教授。”

 

参考文献:

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