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(shí)施的一個(gè)“地球改造”實(shí)驗(yàn)計(jì)劃正在科學(xué)界引起各種爭(zhēng)論。

該怎么對(duì)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(chǎn)生的大量二氧化碳和其他溫室氣體排放到大氣層中。長(zhǎng)久以來由于地球大氣中溫室氣體的持續(xù)增加造成地球平均溫度顯著上升，各種極端天氣現(xiàn)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(jīng)成為全人類的共識(shí)。而與此同時(shí)，也有一些科學(xué)家認(rèn)為，現(xiàn)在控制全球二氧化碳的排放為時(shí)已晚，或許應(yīng)該開始嘗試一些更加激進(jìn)的方法來控制地球溫度——盡管還沒成為現(xiàn)實(shí)，這種論調(diào)已經(jīng)在科學(xué)界掀起軒然大波。

“地球工程”（Geoengineering）并不算是一個(gè)太新鮮的概念。在牛津大學(xué)關(guān)于地球工程的網(wǎng)頁上，對(duì)這個(gè)名詞的解釋是：“對(duì)地球自然系統(tǒng)進(jìn)行謹(jǐn)慎的、大規(guī)模的干預(yù)，以此來阻止氣候變化?！边@一領(lǐng)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(jīng)有兩位科學(xué)家正在準(zhǔn)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(jìn)而阻止全球變暖。這種進(jìn)行太陽輻射管理的方式會(huì)對(duì)人類產(chǎn)生什么樣的后果，在全世界引發(fā)了各種討論。

促使哈佛大學(xué)環(huán)境中心的化學(xué)與生物化學(xué)教授弗蘭克·科克（Frank Keutsch）和應(yīng)用物理學(xué)教授大衛(wèi)·基斯（David Keith）決定對(duì)地球大氣層進(jìn)行改造實(shí)驗(yàn)的直接原因，是人類進(jìn)行二氧化碳減排的速度過于緩慢，看起來已經(jīng)無法達(dá)到預(yù)期效果——盡管人類早就意識(shí)到了減少溫室氣體排放對(duì)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(nèi)的機(jī)會(huì)——在這個(gè)范圍之內(nèi)，氣候?qū)W家們普遍認(rèn)為全球氣候變化不會(huì)給人類造成太多災(zāi)難性的影響。目前看來，把升溫幅度控制在2攝氏度之內(nèi)也難以達(dá)到，而全世界氣候?qū)W家普遍認(rèn)同的一個(gè)觀點(diǎn)是，如果全球升溫到了3攝氏度以上，將對(duì)全人類產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。

另一方面，二氧化碳的減排過程與它對(duì)地球氣候的影響還有一個(gè)滯后效應(yīng)。已經(jīng)排放出的二氧化碳可以在大氣層中存在數(shù)十年，這些溫室氣體會(huì)持續(xù)影響地球的氣候。根據(jù)計(jì)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(huì)持續(xù)上升幾十年，而如果減排處置不當(dāng)，地球氣溫可能會(huì)持續(xù)上升幾百年，這將意味著在未來氣候?yàn)?zāi)難將會(huì)更加頻繁地發(fā)生，數(shù)以十億計(jì)的人都不得不改變現(xiàn)有的生活方式，眾多國家的經(jīng)濟(jì)都將受到嚴(yán)重打擊。這個(gè)事實(shí)讓很多氣候?qū)W家不得不開始考慮采取其他更加有效的方式。

如何進(jìn)行太陽輻射管理

科克教授和基斯教授的實(shí)驗(yàn)計(jì)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(zhǎng)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(xué)的研究者們也沒有過于推崇這個(gè)實(shí)驗(yàn)想法，更沒有把它付之行動(dòng)的計(jì)劃。但這個(gè)方法在理論上易于實(shí)施，價(jià)格又相對(duì)便宜，雖然對(duì)于遏制全球變暖算不上是長(zhǎng)久之計(jì)，卻有可能成為非常時(shí)期的非常手段。

與目前遏制全球二氧化碳排放量進(jìn)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(qiáng)大氣層對(duì)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(huì)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(shí)，這個(gè)方法之所以長(zhǎng)久以來只是在可控的實(shí)驗(yàn)條件下和計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，還在于它可能給人類帶來各種潛在的氣候?yàn)?zāi)難：它可能造成大規(guī)模的干旱，改變某些地區(qū)的降雨模式，它給人類帶來的危險(xiǎn)，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(duì)全球二氧化碳減排持悲觀態(tài)度，也就有越來越多的人對(duì)這個(gè)應(yīng)急方法開始感興趣。各種關(guān)于地球工程的電腦模型在不停地進(jìn)行計(jì)算，而基斯教授仍然急于進(jìn)行一次真正的實(shí)驗(yàn)。在這種特殊情況之下，哈佛學(xué)者的實(shí)驗(yàn)，盡管可能危險(xiǎn)，卻有其自身的意義。電腦模型計(jì)算顯示，這種實(shí)驗(yàn)確實(shí)有可能有效降低地球的溫度。在現(xiàn)實(shí)世界中，一些自然現(xiàn)象，例如火山噴發(fā)把大量的硫化物噴射進(jìn)大氣層，也會(huì)起到類似的效果。正是因?yàn)槿绱?，基斯教授?jiān)持必須通過真正的實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)效果，而且他堅(jiān)信這次實(shí)驗(yàn)將不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。首次計(jì)劃總共使用的實(shí)驗(yàn)材料不會(huì)超過1公斤，而一次真正的實(shí)驗(yàn)將會(huì)給實(shí)驗(yàn)者們提供真實(shí)的數(shù)據(jù)，告訴人們?nèi)绾尾拍艹晒Γ蛘咴鯓訒?huì)導(dǎo)致失敗。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃得到美國政府的批準(zhǔn)之后，科克教授和基斯教授計(jì)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(shí)驗(yàn)材料運(yùn)送到距離地面20公里的高空（地球大氣層同溫層的底部）進(jìn)行釋放。他們計(jì)劃首次將使用冰作為實(shí)驗(yàn)材料，接下來還可能使用碳酸鈣或是硅酸鹽，而實(shí)驗(yàn)中微顆粒的排放量相比于飛機(jī)和工業(yè)排放微乎其微。這兩位學(xué)者聲稱，實(shí)驗(yàn)的部分經(jīng)費(fèi)來自蓋茨基金會(huì)、威廉和弗洛拉·休利特基金會(huì)，但是大多數(shù)來自哈佛大學(xué)對(duì)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?qū)W家麥克海爾·布迪科（Mikhail Budyko）在上世紀(jì)70年代首先提出了這種設(shè)想，在接下來的幾十年里，這個(gè)想法又逐漸被細(xì)化，如今已經(jīng)有各類學(xué)術(shù)會(huì)議和數(shù)以百計(jì)的科學(xué)論文，利用各種計(jì)算機(jī)模型探討利用大氣層中的微顆粒進(jìn)行太陽輻射管理的方法。

《麻省理工技術(shù)評(píng)論》的編輯大衛(wèi)·羅特曼（David Rotman）在2013年就曾經(jīng)撰文《一個(gè)低廉且容易的計(jì)劃阻止全球變暖》，介紹基斯教授的實(shí)驗(yàn)構(gòu)想。文中描述，改造幾架私人飛機(jī)，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(huì)與水蒸氣結(jié)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(fēng)帶到世界各地，包括地球的兩極。

在均勻地?cái)U(kuò)散到地球大氣層中之后，這些細(xì)微的顆粒將增強(qiáng)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(gè)效應(yīng)將會(huì)抵消溫室效應(yīng)帶來的全球氣溫升高。根據(jù)基斯教授的計(jì)算，如果這項(xiàng)計(jì)劃在2020年實(shí)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(shí)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(jī)噴灑大約25萬噸的硫酸，每年大約需要花費(fèi)7億美元，時(shí)至2070年，這個(gè)項(xiàng)目將會(huì)需要上百架次的飛機(jī)噴灑上百萬噸的硫酸。這個(gè)數(shù)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(huì)在幾天之后降回地面，而發(fā)散到同溫層的硫酸鹽顆粒，將會(huì)在大氣層中停留幾年的時(shí)間。

盡管在90年代提出了這個(gè)設(shè)想，基斯教授在當(dāng)時(shí)并沒有計(jì)劃真正實(shí)施。在同溫層中釋放硫化物可能給地球環(huán)境帶來難以預(yù)料的后果——這種行為是否可能對(duì)地球的臭氧層造成破壞，是否會(huì)造成政治糾紛，都還需要進(jìn)一步細(xì)致的研究?；菇淌谠?012年由加拿大卡爾加里大學(xué)轉(zhuǎn)投哈佛大學(xué)使他的學(xué)術(shù)聲譽(yù)更隆，他逐漸成為這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)性人物，經(jīng)常在公共場(chǎng)合呼吁需要在這一領(lǐng)域進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)，越早知道這個(gè)計(jì)劃是否可行就越有益。他認(rèn)為，在這一代人的時(shí)間里，能夠真正解決全球變暖問題的，只有“地球工程”項(xiàng)目。

自從在90年代首先提出這個(gè)理念之后，在很長(zhǎng)的時(shí)間里基斯教授并沒有受到科學(xué)界太多的關(guān)注。也有人認(rèn)為，這個(gè)方法會(huì)改變?nèi)藗儗?duì)于二氧化碳減排的迫切性的認(rèn)識(shí)。轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在2006年，這一年，1995年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主保羅·克魯岑（Paul Crutzen）發(fā)表論文，特別提到了利用硫化物凝膠作為對(duì)抗全球變暖的應(yīng)急方法（盡管這個(gè)方法可能會(huì)對(duì)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(fā)時(shí)的情形，這個(gè)火山在爆發(fā)過程中向大氣層中噴發(fā)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(zhēng)議重重的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

此類地球工程的研究項(xiàng)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(zhǔn)，有人認(rèn)為這釋放了一個(gè)危險(xiǎn)的信號(hào)。有科學(xué)家警告，這個(gè)實(shí)驗(yàn)可能會(huì)引起全球性的氣候?yàn)?zāi)難，可能會(huì)引發(fā)暴雨和干旱，威脅到數(shù)十億人的糧食供應(yīng)。強(qiáng)烈反對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的ETC集團(tuán)的技術(shù)觀察員西爾維亞·里貝羅（Silvia Riberio）對(duì)此評(píng)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(xué)的氣候物理學(xué)教授艾莉·海伍德（Ellie Highwood）教授也評(píng)價(jià)說，利用氣溶膠進(jìn)行“地球工程”改造，并不是解決全球變暖的簡(jiǎn)易方法。

如果每年有6000萬噸二氧化硫被噴灑進(jìn)大氣層，將是相當(dāng)于5座賓皮納圖博火山的爆發(fā)，確實(shí)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(huì)吸收來自地表的熱量，這會(huì)使大氣層頂層和底層的溫差減小，而這個(gè)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(duì)大氣降雨減弱的影響相當(dāng)于溫度升高造成的降雨增多的影響。

有研究表明，這類實(shí)驗(yàn)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(fā)表在《環(huán)境研究通訊》（Environmental Research Letters）雜志上的論文《地球工程造成熱帶環(huán)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)可能帶來災(zāi)難性后果的論文。論文的通訊作者、雷丁大學(xué)的安德魯·查爾頓-佩雷茲（Andrew Charlton-Perez）評(píng)論道，在使地球溫度急劇降低的同時(shí)，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(huì)對(duì)數(shù)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(shí)間來適應(yīng)。

種種爭(zhēng)議之下，這項(xiàng)有志于改造地球大氣層的實(shí)驗(yàn)即將付諸實(shí)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)最合適，這些實(shí)驗(yàn)材料又將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生什么程度的副作用？目前仍未得知?；菇淌谕ㄟ^電腦模擬，發(fā)現(xiàn)使用鉆石粉或鋁粉之類的材料可能并不會(huì)對(duì)地球臭氧層造成破壞，他還發(fā)表了一篇論文，論證使用某種由碳酸鈣制成的材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)反而可能修復(fù)地球臭氧層——這一切，實(shí)驗(yàn)最終會(huì)給人答案。

1995年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主保羅·克魯岑

基斯教授認(rèn)為，人們對(duì)此類從未進(jìn)行過的“地球工程”實(shí)驗(yàn)感到恐慌是正常的，但是不應(yīng)因此而扭曲這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，畢竟如政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change）、英國皇家學(xué)會(huì)和美國國家科學(xué)院都對(duì)這項(xiàng)研究持支持態(tài)度。

只要敢于實(shí)踐，或許地球仍然可能得救。

（本文寫作參考了《麻省理工技術(shù)評(píng)論》和《衛(wèi)報(bào)》的報(bào)道）

1995年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主保羅·克魯岑