改造大氣層

苗千

人類該怎樣遏制不斷加劇的全球變暖？2018年將在美國實施的一個“地球改造”實驗計劃正在科學界引起各種爭論。

該怎么對付全球變暖

人類通過燃燒化石能源以獲取能量，再把由燃燒產生的大量二氧化碳和其他溫室氣體排放到大氣層中。長久以來由于地球大氣中溫室氣體的持續增加造成地球平均溫度顯著上升，各種極端天氣現象也開始明顯增多。減少排放二氧化碳，控制地球平均溫度的上升，已經成為全人類的共識。而與此同時，也有一些科學家認為，現在控制全球二氧化碳的排放為時已晚，或許應該開始嘗試一些更加激進的方法來控制地球溫度——盡管還沒成為現實，這種論調已經在科學界掀起軒然大波。

“地球工程”（Geoengineering）并不算是一個太新鮮的概念。在牛津大學關于地球工程的網頁上，對這個名詞的解釋是：“對地球自然系統進行謹慎的、大規模的干預，以此來阻止氣候變化?！边@一領域主要分為兩類，一類是太陽輻射管理（Solar Radiation Management），另一類是二氧化碳移除（Carbon Dioxide Removal）。目前，已經有兩位科學家正在準備通過改造地球的大氣層來改變地球所接受的來自太陽的輻射，進而阻止全球變暖。這種進行太陽輻射管理的方式會對人類產生什么樣的后果，在全世界引發了各種討論。

促使哈佛大學環境中心的化學與生物化學教授弗蘭克·科克（Frank Keutsch）和應用物理學教授大衛·基斯（David Keith）決定對地球大氣層進行改造實驗的直接原因，是人類進行二氧化碳減排的速度過于緩慢，看起來已經無法達到預期效果——盡管人類早就意識到了減少溫室氣體排放對全球氣候的重要性，但是減量的速度卻始終緩慢，這使人類失去了把全球升溫控制在1.5攝氏度之內的機會——在這個范圍之內，氣候學家們普遍認為全球氣候變化不會給人類造成太多災難性的影響。目前看來，把升溫幅度控制在2攝氏度之內也難以達到，而全世界氣候學家普遍認同的一個觀點是，如果全球升溫到了3攝氏度以上，將對全人類產生災難性的后果。

另一方面，二氧化碳的減排過程與它對地球氣候的影響還有一個滯后效應。已經排放出的二氧化碳可以在大氣層中存在數十年，這些溫室氣體會持續影響地球的氣候。根據計算，即使人類立刻把全球二氧化碳的排放量降低到零，全球氣溫和海平面仍然會持續上升幾十年，而如果減排處置不當，地球氣溫可能會持續上升幾百年，這將意味著在未來氣候災難將會更加頻繁地發生，數以十億計的人都不得不改變現有的生活方式，眾多國家的經濟都將受到嚴重打擊。這個事實讓很多氣候學家不得不開始考慮采取其他更加有效的方式。

如何進行太陽輻射管理

科克教授和基斯教授的實驗計劃，屬于“地球工程”中的太陽輻射管理。他們希望在地球大氣層高處釋放一些微小的反射性顆粒，這些顆粒將長久地存在于地球大氣層中，使地球大氣層把一部分太陽輻射反射回太空，從而快速降低地球表面的溫度。此前，即使是地球工程學的研究者們也沒有過于推崇這個實驗想法，更沒有把它付之行動的計劃。但這個方法在理論上易于實施，價格又相對便宜，雖然對于遏制全球變暖算不上是長久之計，卻有可能成為非常時期的非常手段。

與目前遏制全球二氧化碳排放量進而減緩全球變暖的方式不同，向大氣層中釋放反射性顆粒，增強大氣層對陽光的反射，并無益于降低大氣層中的二氧化碳含量，也不會解決由于過量二氧化碳釋放造成的地球海洋酸化問題。同時，這個方法之所以長久以來只是在可控的實驗條件下和計算機中進行，還在于它可能給人類帶來各種潛在的氣候災難：它可能造成大規模的干旱，改變某些地區的降雨模式，它給人類帶來的危險，可能并不小于全球變暖。使用這種方式遏制全球變暖，也許稱得上是飲鴆止渴。

但隨著越來越多的人對全球二氧化碳減排持悲觀態度，也就有越來越多的人對這個應急方法開始感興趣。各種關于地球工程的電腦模型在不停地進行計算，而基斯教授仍然急于進行一次真正的實驗。在這種特殊情況之下，哈佛學者的實驗，盡管可能危險，卻有其自身的意義。電腦模型計算顯示，這種實驗確實有可能有效降低地球的溫度。在現實世界中，一些自然現象，例如火山噴發把大量的硫化物噴射進大氣層，也會起到類似的效果。正是因為如此，基斯教授堅持必須通過真正的實驗來檢驗效果，而且他堅信這次實驗將不會對環境造成影響。首次計劃總共使用的實驗材料不會超過1公斤，而一次真正的實驗將會給實驗者們提供真實的數據，告訴人們如何才能成功，或者怎樣會導致失敗。

在這個實驗計劃得到美國政府的批準之后，科克教授和基斯教授計劃于2018年，在美國亞利桑那州的圖森市，利用特制的氣球把實驗材料運送到距離地面20公里的高空（地球大氣層同溫層的底部）進行釋放。他們計劃首次將使用冰作為實驗材料，接下來還可能使用碳酸鈣或是硅酸鹽，而實驗中微顆粒的排放量相比于飛機和工業排放微乎其微。這兩位學者聲稱，實驗的部分經費來自蓋茨基金會、威廉和弗洛拉·休利特基金會，但是大多數來自哈佛大學對于新晉教授的資助。

由來已久的太陽輻射管理

利用空氣中的硫酸鹽顆粒延緩全球變暖的想法由來已久。白俄羅斯氣候學家麥克海爾·布迪科（Mikhail Budyko）在上世紀70年代首先提出了這種設想，在接下來的幾十年里，這個想法又逐漸被細化，如今已經有各類學術會議和數以百計的科學論文，利用各種計算機模型探討利用大氣層中的微顆粒進行太陽輻射管理的方法。

《麻省理工技術評論》的編輯大衛·羅特曼（David Rotman）在2013年就曾經撰文《一個低廉且容易的計劃阻止全球變暖》，介紹基斯教授的實驗構想。文中描述，改造幾架私人飛機，使之飛行在距離地面20公里的高空，在空中均勻、緩慢地噴灑極小的硫酸液滴，硫酸在空中會與水蒸氣結合形成顆粒直徑小于1微米的硫酸鹽氣溶膠，它們隨后將被自然風帶到世界各地，包括地球的兩極。

在均勻地擴散到地球大氣層中之后，這些細微的顆粒將增強地球的反照率，把射向地球的大約1%的陽光反射回太空中。通過減少吸收來自太陽的輻射，這個效應將會抵消溫室效應帶來的全球氣溫升高。根據基斯教授的計算，如果這項計劃在2020年實施，使用2.5萬噸的硫酸，將可以在一年以后使全球變暖的速度減半。而一旦實施之后，每年在同溫層中拋灑硫酸，到了2040年，大約11架次飛機噴灑大約25萬噸的硫酸，每年大約需要花費7億美元，時至2070年，這個項目將會需要上百架次的飛機噴灑上百萬噸的硫酸。這個數字與人類燃燒化石燃料，每年向大氣層中釋放的大約5000萬噸硫相比不值一提。人類通過燃燒向大氣層釋放的硫化物都停留在大氣層的底層，并都會在幾天之后降回地面，而發散到同溫層的硫酸鹽顆粒，將會在大氣層中停留幾年的時間。

盡管在90年代提出了這個設想，基斯教授在當時并沒有計劃真正實施。在同溫層中釋放硫化物可能給地球環境帶來難以預料的后果——這種行為是否可能對地球的臭氧層造成破壞，是否會造成政治糾紛，都還需要進一步細致的研究?；菇淌谠?012年由加拿大卡爾加里大學轉投哈佛大學使他的學術聲譽更隆，他逐漸成為這一領域的領導性人物，經常在公共場合呼吁需要在這一領域進行更多實驗，越早知道這個計劃是否可行就越有益。他認為，在這一代人的時間里，能夠真正解決全球變暖問題的，只有“地球工程”項目。

自從在90年代首先提出這個理念之后，在很長的時間里基斯教授并沒有受到科學界太多的關注。也有人認為，這個方法會改變人們對于二氧化碳減排的迫切性的認識。轉折出現在2006年，這一年，1995年諾貝爾化學獎得主保羅·克魯岑（Paul Crutzen）發表論文，特別提到了利用硫化物凝膠作為對抗全球變暖的應急方法（盡管這個方法可能會對地球的臭氧層造成破壞）。他列舉了1991年菲律賓皮納圖博火山爆發時的情形，這個火山在爆發過程中向大氣層中噴發了大約1000萬噸的硫化物，隨后的研究顯示地球的溫度在接下來的幾年里降低了0.5度。

爭議重重的實驗計劃

此類地球工程的研究項目在美國從未得到過奧巴馬政府的重視，如今卻得到特朗普政府的批準，有人認為這釋放了一個危險的信號。有科學家警告，這個實驗可能會引起全球性的氣候災難，可能會引發暴雨和干旱，威脅到數十億人的糧食供應。強烈反對這個實驗計劃的ETC集團的技術觀察員西爾維亞·里貝羅（Silvia Riberio）對此評論道：“這可能是特朗普政府所喜愛的解決全球氣候變暖的方式：在地球大氣層中用硫酸鹽建造一座墻，把太陽的輻射擋在墻外，從而使人類可以毫無顧忌地排放二氧化碳?！庇锥〈髮W的氣候物理學教授艾莉·海伍德（Ellie Highwood）教授也評價說，利用氣溶膠進行“地球工程”改造，并不是解決全球變暖的簡易方法。

如果每年有6000萬噸二氧化硫被噴灑進大氣層，將是相當于5座賓皮納圖博火山的爆發，確實可能使地球溫度下降幾度。問題在于，這些硫酸鈣顆粒并非僅僅反射陽光，降低地球溫度，它們也會吸收來自地表的熱量，這會使大氣層頂層和底層的溫差減小，而這個溫差正是形成云層和降雨的重要條件。在電腦模擬中顯示，其對大氣降雨減弱的影響相當于溫度升高造成的降雨增多的影響。

有研究表明，這類實驗所帶來的副作用與全球變暖帶來的后果相比毫不遜色。2014年發表在《環境研究通訊》（Environmental Research Letters）雜志上的論文《地球工程造成熱帶環流減弱和降水減少》（Weakened Tropical Circulation and Reduced Precipitation in Response to Geoengineering）是第一篇通過電腦模型研究這項實驗可能帶來災難性后果的論文。論文的通訊作者、雷丁大學的安德魯·查爾頓-佩雷茲（Andrew Charlton-Perez）評論道，在使地球溫度急劇降低的同時，地球工程可能使南美、亞洲和非洲的降雨量減少三分之一，將會對數十億人以至于熱帶雨林造成影響，而且其改變速度之快將使人根本沒有時間來適應。

種種爭議之下，這項有志于改造地球大氣層的實驗即將付諸實踐。這些反光性顆粒能夠多么精確地降低地球溫度，利用什么材料進行實驗最合適，這些實驗材料又將對環境產生什么程度的副作用？目前仍未得知?；菇淌谕ㄟ^電腦模擬，發現使用鉆石粉或鋁粉之類的材料可能并不會對地球臭氧層造成破壞，他還發表了一篇論文，論證使用某種由碳酸鈣制成的材料進行實驗反而可能修復地球臭氧層——這一切，實驗最終會給人答案。

1995年諾貝爾化學獎得主保羅·克魯岑

基斯教授認為，人們對此類從未進行過的“地球工程”實驗感到恐慌是正常的，但是不應因此而扭曲這項實驗的本質，畢竟如政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change）、英國皇家學會和美國國家科學院都對這項研究持支持態度。

只要敢于實踐，或許地球仍然可能得救。

（本文寫作參考了《麻省理工技術評論》和《衛報》的報道）

1995年諾貝爾化學獎得主保羅·克魯岑