太陽地球工程：地球的鎮(zhèn)痛劑？
撰文 | 李垚緯 代禎
責(zé)編 | 馮灝
● ● ●
想象幾十年后的某一天，人類已不堪氣候變化的種種悲劇性影響：南北極的冰川大規(guī)模融化，海平面上升，一眾島國和沿海城市岌岌可危，干旱、暴雨、臺(tái)風(fēng)等極端天氣在不同地區(qū)頻繁發(fā)生，熊熊燃燒的山火越發(fā)肆虐…… 地球系統(tǒng)瀕臨崩潰。
為了避免這樣可能的悲劇場景，科學(xué)家們正在探索給地球使用一種暫時(shí)性的 “鎮(zhèn)痛劑”，以給根本性的 “治療手段” ——溫室氣體減排——爭取更多時(shí)間。
這種 “鎮(zhèn)痛劑” 可以減少到達(dá)地球表面的太陽光：它由人為在平流層區(qū)域（距離地面約20公里的高空）播撒的數(shù)百萬噸微小顆粒組成；這些籠罩著地球的顆粒物會(huì)將一部分太陽光反射回太空，從而降低地球的溫度。
在距離地面20公里的高空，模擬火山爆發(fā)后的場景？雖然這聽起來仿佛科幻小說，卻是現(xiàn)實(shí)中中國、美國、英國、德國、日本等多國科學(xué)家都在探索的工程方案。這些被統(tǒng)稱為 “太陽地球工程（solar geoengineering）” 的提議與鎮(zhèn)痛類藥物相似，或可助力人類渡過向溫室氣體凈零排放（碳中和）的痛苦轉(zhuǎn)型，卻也存在副作用和被濫用的極大風(fēng)險(xiǎn)。
1
為了研究這種 “地球鎮(zhèn)痛劑” 的效果及其副作用，自2017年開始，哈佛大學(xué)的研究人員啟動(dòng)了一個(gè)科研項(xiàng)目：平流層受控?cái)_動(dòng)實(shí)驗(yàn)（SCoPEx）[1]。SCoPEx希望實(shí)地測量與太陽地球工程相關(guān)的平流層顆粒物，為計(jì)算機(jī)模擬研究提供關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。
計(jì)算機(jī)模擬研究是評(píng)估太陽地球工程風(fēng)險(xiǎn)和收益的主要手段；但由于目前對(duì)相關(guān)平流層顆粒物在微物理和大氣化學(xué)性質(zhì)方面的認(rèn)識(shí)非常有限，這些計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果存在非常大的不確定性。ScoPEx項(xiàng)目希望通過實(shí)地測量改變這一現(xiàn)狀——精確探索人為播撒的極少量顆粒物如何與平流層背景空氣、太陽輻射以及地表紅外輻射相互作用。
也就是說，SCoPEx并不是對(duì)太陽地球工程本身的測試，而是針對(duì)太陽地球工程（更確切地說，其中的平流層氣溶膠播撒）內(nèi)在機(jī)理的可行性和潛在危害探討。
SCoPEx實(shí)驗(yàn)的核心是一個(gè)高空氣球，氣球吊載著裝配有螺旋槳和一系列科學(xué)儀器的吊艙。螺旋槳有兩個(gè)功能：一，螺旋槳運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的尾流會(huì)在平流層實(shí)驗(yàn)區(qū)域形成一個(gè)混合良好的區(qū)域（長約1公里，直徑約100米），其他儀器可以在這個(gè)區(qū)域內(nèi)播撒相關(guān)的顆粒物；二，螺旋槳可以將吊艙運(yùn)送到區(qū)域內(nèi)的不同位置，以測量播撒的顆粒物的特性。
吊艙在運(yùn)動(dòng)時(shí)速度可以達(dá)到每秒幾米，完整測量一次1公里長的擾動(dòng)氣團(tuán)大約需要十分鐘。因此，高空氣球的優(yōu)勢在于，通過它可以人為創(chuàng)造少量受控的平流層空氣，并在24小時(shí)內(nèi)多次觀察擾動(dòng)氣團(tuán)的演變。（如果使用的是飛機(jī)而不是氣球，實(shí)驗(yàn)將無法實(shí)現(xiàn)如此小的擾動(dòng)體積，也無法長時(shí)間觀察它的演變。）
氣球成功達(dá)到距離地面20公里左右的平流層后，伴隨著螺旋槳的運(yùn)動(dòng)，儀器將釋放出非常少量的顆粒物（小于2千克，碳酸鈣顆粒等無毒害的礦物質(zhì)，曾考慮水滴顆粒物作為前期測試）[1]。這些顆粒物極其微小，也被稱為氣溶膠。隨后，吊艙上配備的其他儀器將測量擾動(dòng)氣團(tuán)的變化，包括氣溶膠密度、氣溶膠光學(xué)性質(zhì)，以及氣溶膠在平流層上的化學(xué)過程等。
該項(xiàng)目的研究人員表示，測試不會(huì)對(duì)人員或環(huán)境造成危害：測試排放的顆粒物相比于飛機(jī)、火箭等的排放要少得多，而且測試僅局限在平流層的一個(gè)很小的區(qū)域（幾平方公里）[1]。
SCoPEx 最初計(jì)劃于 2021 年 6 月在瑞典測試，本將成為太陽地球工程相關(guān)的首批現(xiàn)場測試之一。但在首次試飛前四個(gè)月，迫于瑞典居民和環(huán)境組織的壓力，SCoPEx宣布項(xiàng)目延期，何時(shí)重新啟動(dòng)尚沒有明確消息。環(huán)境組織反對(duì)的主要理由是太陽地球工程 “可能會(huì)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)造成不可逆轉(zhuǎn)的變化” [4]，降低人們的減排積極性，從而成為減排政策的絆腳石。
盡管科學(xué)家們認(rèn)為這項(xiàng)研究的直接風(fēng)險(xiǎn)可以忽略不計(jì) [5]，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)總計(jì)播撒的碳酸鈣等無毒害物質(zhì)不到2千克，比普通客機(jī)每分鐘排放的物質(zhì)還要少；而且實(shí)驗(yàn)范圍也只有幾平方公里。反對(duì)者仍認(rèn)為，SCoPEx可能會(huì)產(chǎn)生很多其他問題，太陽地球工程的第一個(gè)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)會(huì)像是打開了“潘多拉魔盒”：研究太陽地球工程，也許會(huì)導(dǎo)致人們越來越傾向于實(shí)施太陽地球工程。
2
關(guān)于SCoPEx項(xiàng)目的種種爭議不免讓我們思考：為什么各國科學(xué)家都在嘗試探索太陽地球工程？
如今，由溫室氣體（主要是二氧化碳）濃度升高造成的氣候變化威脅人類生產(chǎn)，甚至可能改變?nèi)祟愇拿鞯倪M(jìn)程。應(yīng)對(duì)措施主要分為兩大類——減排和適應(yīng)。減排是必要而根本的措施，主要的國際氣候協(xié)議和氣候談判，比如1997年的《京都協(xié)定》、2009年的《哥本哈根協(xié)定》和2016年的《巴黎協(xié)定》都以減排為中心；適應(yīng)則旨在降低應(yīng)對(duì)氣候變化系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的脆弱性。
但是，現(xiàn)階段的科學(xué)研究和各國實(shí)際的減排行動(dòng)表明，我們無法在短時(shí)間內(nèi)將二氧化碳排放削減到安全限值，阻止氣候變化的危險(xiǎn)性后果；也無法僅通過適應(yīng)措施，完全抵御很可能發(fā)生的氣候危機(jī) [6,7]。
在這種背景下，有沒有一些新的、更大膽的方法可以讓地球更快地降溫，并為我們擺脫化石燃料爭取更多時(shí)間？地球工程就是作為這樣一劑暫時(shí)的鎮(zhèn)痛劑，進(jìn)入學(xué)界視野的。
目前有兩種主要的地球工程思路：一，從大氣中移除二氧化碳，以降低大氣的保溫能力；二，將更多的太陽光反射回太空，以減少地球吸收的熱量。
第一種方法被稱為 “碳地球工程”。有些碳地球工程中的方法，比如碳去除，因?yàn)榭梢灾苯訙p少大氣中的二氧化碳，已經(jīng)被學(xué)者普遍認(rèn)為是我們需要采取的氣候變化應(yīng)對(duì)措施 [8]。但這種方法在實(shí)施上仍具有很大挑戰(zhàn)性，以 “碳捕集與封存” 技術(shù)為例，不僅成本高昂，而且需要占用大量的土地 [9]。
第二種方法，即 “太陽地球工程”，雖然不可能完全逆轉(zhuǎn)大氣溫室氣體濃度升高引起的氣候變化，但它們也許能夠在較短時(shí)間內(nèi)減緩溫度和降水等幾個(gè)關(guān)鍵氣候變量的變化，因此可能降低氣候風(fēng)險(xiǎn) [10]。
其中，平流層氣溶膠播撒是目前被廣泛研究的一種太陽地球工程手段，根據(jù)IPCC第六次評(píng)估報(bào)告，該技術(shù)路線相比于其他的太陽地球工程手段（如海洋上空積云亮化和高層卷云變薄等）具有較高的降溫功效和技術(shù)可行性 [8,11]，以及相對(duì)較低的經(jīng)濟(jì)成本 [12]。
過去幾十年的全球氣候治理中，科學(xué)基礎(chǔ)并不是唯一的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的考量往往左右著二氧化碳減排的力度與成效。哈佛大學(xué)的一項(xiàng)關(guān)于氣候治理最優(yōu)路徑的研究表明，綜合考慮氣候和經(jīng)濟(jì)模型，將太陽地球工程作為應(yīng)對(duì)氣候變化的輔助手段可以有效降低氣候治理的經(jīng)濟(jì)成本。相比于減排和碳去除兩種方法結(jié)合的路徑，加入太陽地球工程后，不僅可以顯著拉平經(jīng)濟(jì)成本曲線（flatten the curve），使成本峰值降低至原有的1/6左右，而且可以極大地降低整體經(jīng)濟(jì)成本 [13]。
2018年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)得主，耶魯大學(xué)經(jīng)濟(jì)系教授威廉·諾德豪斯在他的《氣候賭場：全球變暖的風(fēng)險(xiǎn)、不確定性與經(jīng)濟(jì)學(xué)》一書中也提到，面對(duì)氣候變化，我們無疑需要以碳減排為主，但是，適應(yīng)和地球工程兩種措施也或不可少 [14]。
3
如前所述，SCoPEx項(xiàng)目計(jì)劃僅在平流層播撒極其微量的顆粒物，而氣候模型的模擬結(jié)果表明，實(shí)際實(shí)施平流層氣溶膠播撒工程，可能需要每年播撒成百上千萬噸的顆粒物 [10]。
暫且不論我們?nèi)绾伍L期不斷地將如此大量的顆粒物或者氣體運(yùn)送到平流層，這么大量的顆粒物又是如何懸浮在高空，而不會(huì)很快降落到地面呢？
事實(shí)上，大自然早已多次向人們展示了平流層氣溶膠播撒的力量，最近一次就是今年初的湯加火山爆發(fā)，目前估計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，湯加火山的爆發(fā)向平流層注入了約40萬噸的二氧化硫 [15]。
這些二氧化硫在平流層中經(jīng)過化學(xué)轉(zhuǎn)化會(huì)變成硫酸鹽顆粒物。這些顆粒物特別微小，大部分直徑在幾百納米到幾微米，不及人頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20，因此，可以懸浮在空中。另外，顧名思義，平流層區(qū)域大氣運(yùn)動(dòng)主要是水平流動(dòng)，豎直方向上的運(yùn)動(dòng)很微弱，因此，懸浮顆粒物可以在平流層停留更久（幾個(gè)月到幾年）。
另外一個(gè)更為顯著的例子是1991年菲律賓皮納圖博火山的噴發(fā)。在噴發(fā)期間，皮納圖博火山將約2000萬噸二氧化硫投入了平流層，并在其后大約一年的時(shí)間里隨大氣運(yùn)動(dòng)遍布全球。其后三年間，雖然全球氣候受到厄爾尼諾現(xiàn)象（指東太平洋海水每隔數(shù)年就會(huì)異常升溫的氣候現(xiàn)象）的影響，但全球平均氣溫仍降低了大概0.5攝氏度 [16,17]。
人為平流層氣溶膠播撒的靈感來源就是火山噴發(fā)。保羅·克魯岑1995年因研究臭氧層破壞機(jī)制而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，在他2006年發(fā)表的一篇文章中就曾經(jīng)對(duì)比人為平流層氣溶膠播撒和1991年皮納圖博火山噴發(fā)的效果 [18]。正是這篇論文讓科學(xué)界開始認(rèn)真考慮平流層氣溶膠播撒的概念。
目前科學(xué)界研究最多的仍是硫酸鹽氣溶膠（火山噴發(fā)產(chǎn)物）。除此之外，學(xué)者也在考慮碳酸鈣、金屬鋁、氧化鋁和鈦酸鋇等一系列材料。甚至有學(xué)者提出用鉆石顆粒物作為播撒材料，因?yàn)殂@石反射太陽光的能力很強(qiáng)，并且鉆石表面不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)臭氧層的可能影響較小 [19]。
既然地球已經(jīng)向我們證明，向平流層播撒氣溶膠可以降低地球溫度，并且氣溶膠可以在平流層較為長期地懸浮，那另一個(gè)技術(shù)問題就是，具體怎么操作？
目前，科學(xué)家提出了不少平流層氣溶膠播撒的方法，其中，現(xiàn)有技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的主要有三類 [20]：
目前，新一代高空飛機(jī)是其中最有可能投入大規(guī)模應(yīng)用的選擇，相比于其他兩種方法，它兼具低成本和操作穩(wěn)定的特點(diǎn)。
4
雖然以平流層氣溶膠播撒為代表的太陽地球工程可以降低全球氣溫，但也正因?yàn)檫@種全球性的氣候效應(yīng)，它有很多自然科學(xué)上的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，也伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的爭議。
從最基本的地表氣溫變化，到對(duì)冰川的影響；從局部氣候的變化，到海洋環(huán)流的反應(yīng)；從硫沉積，到項(xiàng)目突然被迫中止可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)——太陽地球工程的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性涉及氣候變化科學(xué)的方方面面。對(duì)這些繁復(fù)的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，目前學(xué)術(shù)界并沒有統(tǒng)一的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。而這種統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的欠缺，可能會(huì)把人們的注意力集中在實(shí)際影響并不很大的因素上，進(jìn)而難以形成對(duì)于太陽地球工程的整體認(rèn)識(shí)。
主導(dǎo)ScoPEx項(xiàng)目的哈佛大學(xué)教授 David Keith 在他的《氣候工程案例（A Case for Climate Engineering）》一書中提到，媒體在報(bào)道太陽地球工程時(shí)最經(jīng)常提到的一點(diǎn)是，它有可能降低東亞地區(qū)的季風(fēng)強(qiáng)度和夏季降水，從而影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的收成 [21]。而事實(shí)上，在一個(gè)迅速升溫后的地球上，夏季季風(fēng)很可能變得過于劇烈，從而造成颶風(fēng)和暴雨，對(duì)農(nóng)業(yè)收成造成損失。在這種情況下，太陽地球工程對(duì)季風(fēng)的減弱可能反而更有利于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展。
那么，怎么評(píng)估太陽地球工程的風(fēng)險(xiǎn)，才能最有建設(shè)性地引導(dǎo)科研呢？發(fā)表在《自然綜述：地球與環(huán)境》上的一篇文章認(rèn)為，為了理清這些繁復(fù)的風(fēng)險(xiǎn)，我們可以先將太陽地球工程的不確定性因素逐條列出，并對(duì)每一個(gè)條目按照兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估 [22]。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別是：一，會(huì)伴隨太陽地球工程發(fā)生，或我們對(duì)其目前理解欠缺的可能性；二，負(fù)面影響的大小。根據(jù)這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合評(píng)估，我們可以甄別出兩項(xiàng)指標(biāo)都比較高的條目，作為下一步研究的重點(diǎn)。
氣溶膠微觀物理和次網(wǎng)格尺度氣溶膠混合過程 太陽地球工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響非常復(fù)雜。比如，減少地表的太陽光可能會(huì)降低植物的光合作用，但由于平流層氣溶膠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，地球氣溫的變化也會(huì)對(duì)動(dòng)物造成影響，未知的問題包括急劇改變地球氣溫會(huì)不會(huì)讓動(dòng)物們無法繼續(xù)生存在現(xiàn)在的生存空間從而被迫遷徙，或者動(dòng)物對(duì)陽光的突然減弱會(huì)做出怎樣的反應(yīng)。目前，這些方面的科學(xué)研究非常有限。
相比于自然科學(xué)上的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，政策和道德維度的考量關(guān)涉更大。
由于大氣的流動(dòng)性，無論在哪里投放氣溶膠，它們最終都會(huì)覆蓋全球。因此，太陽地球工程的實(shí)施必須得到所有國家的同意。但是，由于氣候的區(qū)域性特征，很可能不同國家或地區(qū)會(huì)受到不同的影響。2018年的一項(xiàng)研究指出，在同一種太陽地球工程情景下，如果歐洲的熱浪被有效抑制，亞馬遜地區(qū)的降水循環(huán)則不能被控制在自然（工業(yè)革命之前）狀態(tài) [23]。這些區(qū)域性影響不管是正面還是負(fù)面，都有可能成為國際談判中激烈交鋒的爭議點(diǎn)。
SCoPEx項(xiàng)目的坎坷經(jīng)歷就是這種管制難度的一個(gè)微觀體現(xiàn)。前文已經(jīng)提到，雖然SCoPEx對(duì)環(huán)境幾乎沒有物理影響，但由于公眾對(duì)太陽地球工程的反對(duì)，這項(xiàng)科研項(xiàng)目正被擱置。
另一方面，學(xué)界和政界普遍關(guān)心的問題是太陽地球工程的實(shí)施會(huì)不會(huì)成為減排政策的絆腳石，以及太陽地球工程的技術(shù)會(huì)不會(huì)被改造成戰(zhàn)爭武器。
對(duì)此，諾德豪斯認(rèn)為，任何一種保證社會(huì)穩(wěn)定的措施，比如警察力量或者雪山救援部隊(duì)，都會(huì)增加人們冒險(xiǎn)的幾率，但大多數(shù)人可能寧可活在有警察和救援系統(tǒng)的社會(huì)里 [24]。他認(rèn)為，也許太陽地球工程會(huì)在某種程度上降低減排的動(dòng)力，但這并不應(yīng)該阻止我們對(duì)它更加深入的研究，以備不時(shí)之需。另外，有研究指出，太陽地球工程的應(yīng)用和減排政策間并不是簡單的取舍或競爭關(guān)系。在決策制定過程中，它們的優(yōu)缺點(diǎn)都應(yīng)該被放在一起衡量 [25,26]。這樣決策者才能制定出成本效益最優(yōu)的氣候政策。
而對(duì)于用作戰(zhàn)爭武器的擔(dān)憂，有學(xué)者認(rèn)為這種可能性很小 [27]。這是因?yàn)槲淦饕话銘?yīng)該能被使用者有效精準(zhǔn)地控制，并且有立竿見影的效果，而太陽地球工程對(duì)氣候的影響范圍很難被控制，并且它的起效相對(duì)于傳統(tǒng)武器非常緩慢。
可以想象一種場景，A國想利用太陽地球工程對(duì)B國造成氣候影響，從而完成打擊。那么，A國需要在合適的地區(qū)建立設(shè)備以播撒數(shù)百萬噸氣溶膠，但這些氣溶膠對(duì)B國造成可以觀察到的氣候影響可能需要數(shù)年；并且不止B國，世界絕大部分國家和地區(qū)的氣候都有可能受到影響。這種打擊方式的成本很高、規(guī)模很大因而不太可能秘密進(jìn)行，被中途截停的風(fēng)險(xiǎn)巨大，國際影響很糟，而收益又難以確定。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，很難想象太陽地球工程能夠成為一種合理的武器選擇。
5
太陽地球工程目前是一個(gè)比較小的科研領(lǐng)域。到2018年為止，這個(gè)領(lǐng)域的全球科研基金最多只達(dá)到過每年八百萬美元左右 [28]，這個(gè)資金量占?xì)夂蜃兓I(lǐng)域科研基金的不到0.01%。雖然中國政府對(duì)太陽地球工程的實(shí)施并沒有明確表態(tài)，但中國是少數(shù)幾個(gè)有政府資金支持太陽地球工程科研項(xiàng)目的國家之一。
中國最大的太陽地球工程項(xiàng)目是科技部973計(jì)劃下的“地球工程基礎(chǔ)理論和影響評(píng)估研究”，由英國科學(xué)家 John Moore 擔(dān)任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，并有北京師范大學(xué)、中國社會(huì)科學(xué)研究院以及浙江大學(xué)的學(xué)者參加 [29]。這個(gè)項(xiàng)目的研究包含自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的課題，但不包含實(shí)驗(yàn)室或戶外實(shí)驗(yàn)。
相對(duì)于由美國政府支持的太陽地球工程科研項(xiàng)目的規(guī)模（1-2億美元）[30]，中國的研究項(xiàng)目規(guī)模（220萬美元）并不大。但中國的氣候科學(xué)家對(duì)太陽地球工程并不陌生，并且整體態(tài)度和美國學(xué)者并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。最近的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，中美兩國的氣候科學(xué)家都認(rèn)為，對(duì)太陽地球研究的撥款應(yīng)該占?xì)夂蚩茖W(xué)科研經(jīng)費(fèi)的5%左右，并且都不支持近期任何具體工程項(xiàng)目的實(shí)施 [31]。
除了中美兩國，英國、德國、澳大利亞、日本也有規(guī)模較大的太陽地球工程科研項(xiàng)目 [28]，培養(yǎng)了一批學(xué)者。雖然這些科學(xué)家不能對(duì)太陽地球工程實(shí)施與否做出決定，但他們可能會(huì)是推動(dòng)太陽地球工程國際合作，以及最終決定太陽地球工程能否被實(shí)施的關(guān)鍵。
就像SCoPEx首席科學(xué)家、哈佛大學(xué)教授 Frank Keutsch 所說：“作為一個(gè)科學(xué)家，我不能左右社會(huì)（對(duì)于太陽地球工程）最終的決定，但我可以為那些需要做決定的人提供科學(xué)依據(jù)。（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]。
致謝：感謝浙江大學(xué)曹龍教授為本文提供學(xué)術(shù)指導(dǎo)。
作者簡介
制版編輯 | 姜絲鴨
