以科技力量　應(yīng)對氣候變化

俞之凡

數(shù)千顆小型衛(wèi)星組成太空太陽能發(fā)電站的藝術(shù)構(gòu)想圖

一個漂浮在太空中的巨型太陽能發(fā)電站，正向地球發(fā)射著巨大的能量，這聽起來像是科幻小說里的情節(jié)。這個最早由俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基于20世紀20年代提出來的設(shè)想，確實一直是科幻作家們主要的靈感來源。

而在一個世紀后的今天，科學(xué)家們正在將這一理想變?yōu)楝F(xiàn)實，目前已取得了巨大的進展。歐洲航天局正在籌集資金為這個項目提供支持，并預(yù)測我們從太空獲得的首個能源將是太陽發(fā)出的“能量光束”。

氣候變化是我們這個時代最大的挑戰(zhàn)，從全球氣溫上升到天氣模式的變化，全球各地已經(jīng)感受到氣候變化的影響。要克服這一挑戰(zhàn)，就需要徹底改變我們的能源生產(chǎn)方式和消費模式。

近年來，可再生能源技術(shù)發(fā)展迅猛，效率提高，成本降低已成為一種趨勢。阻礙發(fā)展的一個主要障礙是風(fēng)能和太陽能都不能提供持續(xù)的能量供應(yīng)，這類新能源發(fā)電廠只有在有風(fēng)或陽光明媚的時候才能產(chǎn)生能量，但我們需要的是每天24小時不間斷地供電且可大規(guī)模儲存能源的可再生能源。

太空中的太陽能發(fā)電站

目前，一種可行的解決辦法是在太空中建立太陽能發(fā)電站，它可以24小時直面太陽，而地球大氣層也會吸收和反射一些太陽光，這樣大氣層上方的太陽能電池就可接收到更多的陽光，產(chǎn)生更多的能源。

但要克服的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是如何組裝、發(fā)射和部署這樣的大型結(jié)構(gòu)物。一個太陽能發(fā)電站的面積可能要達10平方千米（相當(dāng)于1400個足球場），使用的輕質(zhì)材料也是關(guān)鍵因素，因為最大的開支是用火箭將空間太陽能站發(fā)射到太空的費用。

其中，一種可行的解決方案是開發(fā)一個由數(shù)千顆小型衛(wèi)星組成的集群，這些衛(wèi)星聚集在一起集成一個大型太陽能發(fā)電機。2017年，美國加州理工學(xué)院的研究人員概述了一種模塊化太陽能發(fā)電站的設(shè)計，由數(shù)千塊超輕型太陽能電池板組成。

而利物浦大學(xué)的研究人員則打算利用3D打印技術(shù)，將超輕型太陽能電池印刷到太陽帆上。太陽帆是一種可折疊、輕量化、高反射的薄膜，可利用太陽輻射壓力的影響，在無燃料的情況下推動航天器前進。研究人員正在探索如何在太陽帆上嵌入太陽能電池，建立大型無燃料太陽能發(fā)電站?？茖W(xué)家們還在考慮如何利用太空資源制造太空太陽能發(fā)電站，比如月球上的材料。

另一個要考慮的問題是如何將能量傳輸回地球。一個構(gòu)想是將太陽能電池的電能轉(zhuǎn)換成能量波，利用電磁場將其傳輸?shù)降厍虮砻娴奶炀€上，然后再將電波轉(zhuǎn)換回電能。日本宇宙航空研究機構(gòu)的研究人員已經(jīng)做出了設(shè)計方案，并演示了采用這項技術(shù)的軌道飛行器系統(tǒng)。

未來幾十年內(nèi)，太空太陽能發(fā)電站將有望建成。

此外，我國的研究人員也設(shè)計了一個被稱為“歐米茄（Omega）”的系統(tǒng)，計劃在2050年前投入使用。該系統(tǒng)可向地球電網(wǎng)提供2GW的電力，如果利用地面上的太陽能電池板產(chǎn)生如此巨大的能量，那么就需要600多萬塊才行。

未來，一些小型的太陽能衛(wèi)星，比如那些為月球車提供動力的衛(wèi)星，可能會更快地投入使用。在全球范圍內(nèi)，科學(xué)界正致力于太空太陽能發(fā)電站的研發(fā)，希望有朝一日它們能成為我們應(yīng)對氣候變化的重要工具。

實施碳去除來阻止氣候變暖

大自然為地球配備了幾個巨大的“海綿”，或稱“碳匯”，它們可以幫助人類對抗氣候變化。這些天然海綿可以起到吸碳的作用，能有效地將其從大氣中去除。

那么，我們能從大氣中抽出足夠的碳來阻止氣候變化嗎？在過去2年里，經(jīng)濟學(xué)家薩賓·福斯領(lǐng)導(dǎo)的研究小組一直在尋找這個問題的答案。薩賓·福斯的任務(wù)是尋找哪些是最有希望、最可行的除碳戰(zhàn)略。

眾所周知，森林是地球的天然碳匯。樹木可以從大氣中吸收大量溫室氣體二氧化碳（CO2）進行光合作用，即一種利用太陽能量將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為糖和氧氣的化學(xué)反應(yīng)。據(jù)《科學(xué)》雜志2019年的一項研究表明，種植1萬億棵樹可以儲存大約2250億噸碳，相當(dāng)于工業(yè)革命開始以來，人類釋放到大氣中二氧化碳總量的約2/3。

非贏利組織碳180的陸地生態(tài)學(xué)家、首席科學(xué)家簡·澤里科娃認為，農(nóng)業(yè)合理用地管理是另一種風(fēng)險相對較低的自然碳去除方法，如提倡實行作物輪作和輪牧等策略，增加光合作用的吸碳能力等，讓這些碳最終存儲在土壤的根系組織里。美國國家科學(xué)院的研究人員還發(fā)現(xiàn)，土壤中的碳儲量足以以較低成本抵消美國每年凈排放量的10%，即約6.32億噸的二氧化碳。

植樹造林是儲存多余二氧化碳的方法之一。

肉類是更大的碳足跡食物。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是應(yīng)對氣候變化的一大挑戰(zhàn)。

但薩賓·福斯認為，基于如植樹造林等自然的除碳方法，可能與糧食生產(chǎn)等其他政策目標有所沖突。隨著規(guī)模的擴大，這些戰(zhàn)略需要大量已開發(fā)的土地。

這也是為什么更多基于技術(shù)的去碳方法如此至關(guān)重要的原因。例如，通過化學(xué)方法直接從空氣中提取二氧化碳，這些被捕獲的二氧化碳可被注入地下。據(jù)國際能源機構(gòu)統(tǒng)計，目前全球共有15家直接從空氣中捕捉二氧化碳的工廠。此外，還有一種可通過捕獲二氧化碳生產(chǎn)生物能源的方法。有機物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱量或燃料被稱為“生物能源”，植物和樹木生長形成碳匯，而捕獲二氧化碳生產(chǎn)生物能源的方法就是將燃燒產(chǎn)生的二氧化碳將被收集并儲存于地下。

但這些技術(shù)都還沒有大規(guī)模推廣應(yīng)用，其主要原因是代價昂貴，清除二氧化碳的費用估計高達400美元/噸，而且每一種技術(shù)都需要大量的研究和支持才能實施。但簡·澤里科娃認為，美國可以將碳去除方案組合起來，協(xié)同工作，具體方案是：土地的合理利用和管理可用于中西部農(nóng)業(yè)地區(qū);太平洋西北部的玄武巖巖石有利于礦化處理;西南部油田已具備了進行地下碳儲存的技術(shù)。

歸根結(jié)底，每個國家都必須制定自己獨特的二氧化碳減排組合戰(zhàn)略，因為沒有任何一項單獨的干預(yù)措施能夠成功。薩賓·福斯的研究表明，在熱帶地區(qū)，植樹造林和再造林是最有成效的舉措。而在反射率更高的北緯地區(qū)，碳捕獲和生物質(zhì)提取是較為有效的技術(shù)干預(yù)策略。

當(dāng)前，全球科學(xué)家的共識是：我們需要立即停止進一步的碳排放。但薩賓·福斯指出，由于碳排放已融入了我們的日常生活和基礎(chǔ)設(shè)施中，碳去除更為重要。

食品行業(yè)應(yīng)對氣候變暖的策略

吃什么食物會影響到我們的身心健康，并對我們所生存的星球的健康也會產(chǎn)生深遠的影響？據(jù)《科學(xué)》雜志上的一項新研究表明，世界食品工業(yè)在2020年至2100年間將產(chǎn)生13560億噸二氧化碳。即使其他所有產(chǎn)生二氧化碳的工業(yè)突然停產(chǎn)，這些二氧化碳也足以使全球升溫超過2℃。

應(yīng)對全球氣候變暖，出路究竟在哪里？科學(xué)家們提出了5項改變我們生產(chǎn)、供應(yīng)和消費食物的策略。這幾項方案結(jié)合起來，將使食品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳排放量減少18%，甚至讓食品行業(yè)變成負碳行業(yè)。這5項策略分別是：全球采用植物性飲食，如地中海飲食;將個人食物消費減少到健康推薦量;利用遺傳學(xué)和其他技術(shù)提高作物產(chǎn)量;食物浪費現(xiàn)象減少一半;使用如肥料和食品添加劑等技術(shù)。

樹木是最好的天然碳匯。

為什么食品行業(yè)要有所改變？這是因為糧食生產(chǎn)過程中向大氣釋放溫室氣體，農(nóng)牧業(yè)為求發(fā)展砍伐森林，食品生產(chǎn)燃燒化石燃料，所有這些加起來，食品行業(yè)每年排放的二氧化碳當(dāng)量超過35萬億噸。因此，減少與食品生產(chǎn)加工相關(guān)的碳排放，對于實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》設(shè)定的防止全球變暖的目標至關(guān)重要。

那么，食品行業(yè)該怎么做呢？研究表明，某些飲食習(xí)慣可能比其他飲食習(xí)慣更環(huán)保。例如，美國和中國的田間試驗表明，改進施肥方法和調(diào)整作物可以減少溫室氣體排放，提高畝產(chǎn)量，減少森林砍伐。同時，減少食物損失可以幫助更多人吃到更有營養(yǎng)的食物。如果飲食結(jié)構(gòu)和熱量消耗得到改善，那么罹患肥胖癥、糖尿病、心臟病或過早死亡的概率都有可能降低。

然而，改變我們的飲食文化絕非易事。有研究人員警告道，如果我們選擇忽視或推遲這些改變，那么留給我們的解決方案只會變得更加難以實施。因此，現(xiàn)在開始實施這些策略對我們個人和地球的健康而言，將會是雙贏。

美國宇航局戈達德空間研究所（GISS）的氣候科學(xué)家凱特·馬維爾，利用超級計算機和衛(wèi)星研究全球氣候變化的趨勢。她發(fā)表了很多關(guān)于氣候變化的演講和著述。她對地球的未來和氣候危機抱有一種謹慎的樂觀態(tài)度，她相信，作為人類，我們掌握著自己的命運，我們應(yīng)該共同努力，防止最壞情況的發(fā)生。

她認為，在很大程度上，我們不知道天氣會變得多熱，因為我們并不清楚未來會發(fā)生些什么，我們也不知道到本世紀末二氧化碳濃度和溫室氣體濃度會是什么樣子的。但是，我們不能消極等待，我們必須積極行動起來，我們可以塑造我們想要的未來?？茖W(xué)加行動，未來會更美好。

知識鏈接：

碳匯是一種可以吸收并儲存大氣中二氧化碳的自然系統(tǒng)，地球上主要的自然碳匯是植物、海洋和土壤。植物從大氣中吸收二氧化碳用于光合作用。當(dāng)植物死亡和分解時，其中一部分二氧化碳被轉(zhuǎn)移到土壤中。海洋是二氧化碳的主要碳儲存系統(tǒng)，海洋生物也會吸收這些氣體進行光合作用，一些二氧化碳就會溶解在海水中。陸地和海洋的碳匯吸收了人類活動約一半的二氧化碳排放量。

由于森林砍伐等人類活動，吸收部分溫室氣體的這些自然碳匯的吸碳能力可能正在變?nèi)?，甚至停止吸碳。如今，科學(xué)家們正在尋求新的途徑，設(shè)計人工隔離二氧化碳或?qū)⒍趸純Υ嫫饋淼男录夹g(shù)、新途徑。