扯不斷理還亂：天文學與氣候問題

編譯 費文緒

2020年8月，美國加州熊熊燃燒的山火燒毀了利克天文臺的建筑物，歷史悠久的望遠鏡幸免于難

加州山火讓天文學家失眠了

2020年8月，當美國加州熊熊燃燒的山火一路逼近圣何塞附近歷史悠久的利克天文臺（Lick Observatory）時，加利福尼亞大學天文臺臺長克萊爾·麥克斯（Claire Max）通過攝像頭目睹了火焰向天文臺建筑物和望遠鏡的邊緣蔓延的現場。最終，消防員控制了火勢。盡管山火摧毀了兩棟閑置的建筑物，并摧毀了幾棟房屋，正在工作的望遠鏡只是鏡面上落了一點煙塵?！拔覀冋娴暮苄疫\。”管理利克天文臺的麥克斯說，加州沿海地區(qū)一直經歷著干旱和山火的循環(huán)反復，“但是，人們完全有理由說，全球變暖并沒有讓情況有所好轉。”

天文學家遇到了氣候問題。全球變暖不僅增加了山火的發(fā)生率，增加了對天文臺構成威脅的颶風的強度，而且氣候變化可能使更高的溫度、濕度和湍流空氣靠近山頂棲息，從而影響天文臺的觀測視野。天文學家自身也加劇了氣候問題，因為他們乘飛機去往偏遠的天文設施基地觀察或參加會議，并使用非常耗能的超級計算機進行宇宙模擬。荷蘭萊頓大學的天文學家列奧·伯切爾（Leo Burtscher）說：“我們是問題的一部分，而不是解決方案的一部分?！?/p>

天文學家工作等于碳排放飆升

2020年9月發(fā)表在《自然-天文學》（Nature Astronomy）上的6篇論文描繪了上述擔憂。其中一項研究是關于會議的碳成本，直接源自2019年在法國舉行的歐洲天文學會（EAS）會議，該會議是在溫度超過45℃的創(chuàng)紀錄高溫天氣期間召開的。伯切爾說：“我們在沒有空調的地方開會，整個有趣的會議期間一直在流汗。”會議討論了氣候變化和每個參會代表產生的碳排放，這激發(fā)了伯切爾和他的同事去估量代表參會造成的碳排放。所有參會代表總共增加了將近1 900噸二氧化碳當量的碳排放，平均每位參會代表約1.5噸——大致相當于印度居民的人均全年碳排放量。

無疑，其他科學領域的大型會議也會產生類似數量的碳排放，但是天文學家的工作習慣也很“重碳”（carbon heavy）。6項研究中的另一項研究發(fā)現，澳大利亞天文學家每人每年產生37噸二氧化碳當量的碳排放，其中60%來自超級計算機的使用。澳大利亞西澳大學的亞當·史蒂文斯（Adam Stevens）是該論文的主要作者，他表示：“我們對超級計算機竟有這么大的碳排放感到驚訝，我們每個人過去都以為飛行是主要的碳排放來源?！卑l(fā)表在《自然-天文學》上的一篇類似研究成果分析了德國馬克斯·普朗克天文學研究所（MPIA）的天文學家2018年的碳排放量，顯示了較低的總體碳排放量（每個天文學家18噸），其中航班飛行貢獻了最大的碳排放。該論文的作者說，德國對可再生能源的使用更多，也許可以解釋這種差異，但MPIA天文學家的碳排放量仍然達到普通德國人的3倍。

氣候問題擺不平，天文觀測難進行

天文學家助推的氣候變暖反過來威脅到他們觀測的視野。在另一篇論文中，MPIA的福斯廷·坎塔盧貝（Faustine Cantalloube）及其同事從歐洲南方天文臺（ESO）管理的智利帕瑞納天文臺（Paranal Observatory）獲得了30年的氣象記錄。他們發(fā)現那里的平均溫度上升了1.5℃，超過了前工業(yè)時代以來全球平均溫度上升1℃的幅度。坎塔盧貝說，這已經給帕瑞納天文臺的甚大望遠鏡（VLT）造成麻煩。該望遠鏡由4個獨立的8.2米口徑反射鏡組成。白天，冷卻系統開始運轉，以保持望遠鏡穹頂內部的溫度與日落時外部空氣的溫度相同，避免夜間打開穹頂時內外溫度差異造成湍流。當白天溫度超過16℃時，冷卻系統將無法正常工作?！榜讽斃鋮s系統不夠好，”坎塔盧貝說，“在建造這個望遠鏡的20世紀90年代，我們不曾料想，2020年氣溫會如此之高?！?/p>

溫度的升高也增加了表層（望遠鏡上空數十米處的空氣）的湍流。研究人員發(fā)現，自20世紀80年代以來，表層湍流一直在上升，盡管尚未影響到觀測，情況仍然令人擔憂，坎塔盧貝說：“非常接近地面之處顯然發(fā)生了什么。”

人們預料：更暖的氣候也會增加濕度，從而導致云層覆蓋增加，這對天文學家來說是一個明顯的問題。水蒸氣本身可以阻擋紅外線和微波輻射，這也是智利阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列望遠鏡（ALMA）的觀測重點。坎塔盧貝的分析表明，到目前為止，帕瑞納或ALMA的濕度尚未增加。氣候模型的精細度還不足以準確預測天文臺未來的濕度變化。ESO大氣科學家安吉爾·奧塔羅拉（Angel Otárola）說：“我們必須密切關注，氣候變化是否會增加天文臺所在區(qū)域的濕度?！?/p>

從攝像頭上看著熊熊山火逼近利克天文臺，天文學家失眠了

減少碳足跡的N種方式

天文學家正采取措施減少他們的碳足跡。6項研究的另一項研究中，萊頓大學的西蒙·茲瓦特（Simon Portegies Zwart）呼吁改變計算策略。茲瓦特說，天文學家應該避免使用傳統計算機，而應該使用依賴更高效圖形處理器的計算機，盡管它們更難編程。天文學家還應該放棄流行的編程語言，例如Python，轉而使用高效的編譯語言。茲瓦特計算得出，Fortran和C ++等語言的碳效率比Python高100倍以上，因為它們所需的操作更少。MPIA的克努德·揚克（Knud Jahnke）認為，另一種選擇是在冰島或者富含可再生能源的其他國家建造超級計算機，因為冰島蘊含的地熱能不會產生碳排放，而且寒冷的氣候可以降低機房的制冷需求。

世界上其他主要天文臺也紛紛采取行動。ESO于2016年為旗下的智利拉西拉天文臺（La Silla Observatory）建造了太陽能陣列，并于2019年簽署了光伏電站協議，以幫助冷卻正在帕瑞納附近建造的極大望遠鏡（ELT）。夏威夷的凱克和雙子星望遠鏡（Keck and Gemini telescopes）以及澳大利亞默奇森射電天文臺（MRO）也安裝了太陽能陣列。為了減少天文學家的空中旅行，越來越多的望遠鏡開始采取遠程觀測。麥克斯說，加利福尼亞大學在其各地的校園建立了遠程觀測室，這樣研究人員無需前往利克和其他望遠鏡所在地就能實現遠程觀測。自從新冠肺炎疫情以來，遠程觀測方案已擴展到家用筆記本電腦，麥克斯稱為“睡衣觀測”——顧名思義，你穿著睡衣在自己家里用筆記本電腦就可以遠程連接望遠鏡進行天文觀測。她說：“如今，飛往夏威夷實地觀測的日子屈指可數。”

會議是另一個時機成熟的改革對象。美國天文學會（AAS）可持續(xù)發(fā)展委員會主任、阿拉斯加大學安克雷奇分校的特維斯·雷克特（Travis Rector）表示：“虛擬會議的減排潛力令人興奮?！庇捎谛鹿诜窝滓咔?，今年的EAS會議改為虛擬會議，曾計算2019年會議碳成本的研究團隊對2020年的會議作了新的分析?；趯εc會代表和組織者的計算機和互聯網使用情況的調查，他們計算出整個會議的碳排放量為582千克二氧化碳當量，不到2019年會議碳排放總量的1/3000。該研究論文的作者、歐洲空間局（ESA）高級顧問馬克·麥考瑞安（Mark McCaughrean）認為：“這么顯著的減排效果確實值得我們駐足思考。”

EAS正在研究未來會議采用的混合模式，比如，距離較遠的參會者將以虛擬方式參會。雷克特說，AAS的合約承諾了數年的面對面會議，但他希望合約到期后學會將轉向虛擬會議。他相信，各個學會之間將互相學習怎樣做得更好。

2020年10月，利克天文臺的工作人員清理了火場周圍的灌木叢和樹木，以降低將來發(fā)生火災的風險。伯切爾認為，天文學家也需要行動起來。他說：“這是一個符合道義的決定，也是一個務實的決定。我們需要做出改變，才能繼續(xù)從事我們的天文研究事業(yè)。”

資料來源Science