2.25知識分子The Intellectual
太陽地球工程也許可以為能源系統轉型等根本性措施争取時間，但也同時存在諸多風險和不确定性 | 圖源[2]
導 讀
2022年1月，東加洪阿哈阿帕伊島的海底火山發生劇烈噴發，牽動公衆心緒，這類大規模的火山噴發會給地球氣候造成顯著影響。與此同時，這些氣候影響也給大氣科學家們提供了靈感，促使他們提出了一種極為大膽的應對氣候危機的輔助手段：太陽地球工程。這種輔助手段也許可以為能源系統轉型等根本性措施争取時間，但也同時存在諸多風險和不确定性。本文将以平流層氣溶膠播撒為主線，展開探讨太陽地球工程的用途，争議，風險，不确定性，以及全球科研現狀。
撰文 | 李垚緯 代祯
責編 | 馮灏
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想象幾十年後的某一天，人類已不堪氣候變化的種種悲劇性影響：南北極的冰川大規模融化，海平面上升，一衆島國和沿海城市岌岌可危，幹旱、暴雨、台風等極端天氣在不同地區頻繁發生，熊熊燃燒的山火越發肆虐…… 地球系統瀕臨崩潰。
為了避免這樣可能的悲劇場景，科學家們正在探索給地球使用一種暫時性的 “鎮痛劑”，以給根本性的 “治療手段” ——溫室氣體減排——争取更多時間。
這種 “鎮痛劑” 可以減少到達地球表面的太陽光：它由人為在平流層區域（距離地面約20公裡的高空）播撒的數百萬噸微小顆粒組成；這些籠罩着地球的顆粒物會将一部分太陽光反射回太空，進而降低地球的溫度。
在距離地面20公裡的高空，模拟火山爆發後的場景？雖然這聽起來仿佛科幻小說，卻是現實中中國、美國、英國、德國、日本等多國科學家都在探索的工程方案。這些被統稱為 “太陽地球工程（solar geoengineering）” 的提議與鎮痛類藥物相似，或可助力人類渡過向溫室氣體淨零排放（碳中和）的痛苦轉型，卻也存在副作用和被濫用的極大風險。
1
因争議而擱置的平流層擾動實驗
為了研究這種 “地球鎮痛劑” 的效果及其副作用，自2017年開始，哈佛大學的研究人員啟動了一個科研項目：平流層受控擾動實驗（SCoPEx）[1]。SCoPEx希望實地測量與太陽地球工程相關的平流層顆粒物，為計算機模拟研究提供關鍵的實驗參數。
計算機模拟研究是評估太陽地球工程風險和收益的主要手段；但由于目前對相關平流層顆粒物在微實體和大氣化學性質方面的認識非常有限，這些計算機模拟結果存在非常大的不确定性。ScoPEx項目希望通過實地測量改變這一現狀——精确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互相作用。
也就是說，SCoPEx并不是對太陽地球工程本身的測試，而是針對太陽地球工程（更确切地說，其中的平流層氣溶膠播撒）内在機理的可行性和潛在危害探讨。
圖1平流層受控擾動實驗SCoPEx概念圖|圖源[2]
SCoPEx實驗的核心是一個高空氣球，氣球吊載着裝配有螺旋槳和一系列科學儀器的吊艙。螺旋槳有兩個功能：一，螺旋槳運動時産生的尾流會在平流層實驗區域形成一個混合良好的區域（長約1公裡，直徑約100米），其他儀器可以在這個區域内播撒相關的顆粒物；二，螺旋槳可以将吊艙運送到區域内的不同位置，以測量播撒的顆粒物的特性。
吊艙在運動時速度可以達到每秒幾米，完整測量一次1公裡長的擾動氣團大約需要十分鐘。是以，高空氣球的優勢在于，通過它可以人為創造少量受控的平流層空氣，并在24小時内多次觀察擾動氣團的演變。（如果使用的是飛機而不是氣球，實驗将無法實作如此小的擾動體積，也無法長時間觀察它的演變。）
氣球成功達到距離地面20公裡左右的平流層後，伴随着螺旋槳的運動，儀器将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，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。随後，吊艙上配備的其他儀器将測量擾動氣團的變化，包括氣溶膠密度、氣溶膠光學性質，以及氣溶膠在平流層上的化學過程等。
圖2SCoPEx高空氣球運作示意圖|圖源[3] 本文作者有修改
該項目的研究人員表示，測試不會對人員或環境造成危害：測試排放的顆粒物相比于飛機、火箭等的排放要少得多，而且測試僅局限在平流層的一個很小的區域（幾平方公裡）[1]。
SCoPEx 最初計劃于 2021 年 6 月在瑞典測試，本将成為太陽地球工程相關的首批現場測試之一。但在首次試飛前四個月，迫于瑞典居民和環境組織的壓力，SCoPEx宣布項目延期，何時重新啟動尚沒有明确消息。環境組織反對的主要理由是太陽地球工程 “可能會對社會經濟系統造成不可逆轉的變化” [4]，降低人們的減排積極性，進而成為減排政策的絆腳石。
盡管科學家們認為這項研究的直接風險可以忽略不計 [5]，因為實驗總計播撒的碳酸鈣等無毒害物質不到2千克，比普通客機每分鐘排放的物質還要少；而且實驗範圍也隻有幾平方公裡。反對者仍認為，SCoPEx可能會産生很多其他問題，太陽地球工程的第一個現場實驗會像是打開了“潘多拉魔盒”：研究太陽地球工程，也許會導緻人們越來越傾向于實施太陽地球工程。
2
為什麼要提出太陽地球工程？
關于SCoPEx項目的種種争議不免讓我們思考：為什麼各國科學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産，甚至可能改變人類文明的程序。應對措施主要分為兩大類——減排和适應。減排是必要而根本的措施，主要的國際氣候協定和氣候談判，比如1997年的《京都協定》、2009年的《哥本哈根協定》和2016年的《巴黎協定》都以減排為中心；适應則旨在降低應對氣候變化系統風險的脆弱性。
但是，現階段的科學研究和各國實際的減排行動表明，我們無法在短時間内将二氧化碳排放削減到安全限值，阻止氣候變化的危險性後果；也無法僅通過适應措施，完全抵禦很可能發生的氣候危機 [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争取更多時間？地球工程就是作為這樣一劑暫時的鎮痛劑，進入學界視野的。
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，将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，因為可以直接減少大氣中的二氧化碳，已經被學者普遍認為是我們需要采取的氣候變化應對措施 [8]。但這種方法在實施上仍具有很大挑戰性，以 “碳捕集與封存” 技術為例，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間内減緩溫度和降水等幾個關鍵氣候變量的變化，是以可能降低氣候風險 [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IPCC第六次評估報告，該技術路線相比于其他的太陽地球工程手段（如海洋上空積雲亮化和高層卷雲變薄等）具有較高的降溫功效和技術可行性 [8,11]，以及相對較低的經濟成本 [12]。
過去幾十年的全球氣候治理中，科學基礎并不是唯一的指導标準，對社會經濟的考量往往左右着二氧化碳減排的力度與成效。哈佛大學的一項關于氣候治理最優路徑的研究表明，綜合考慮氣候和經濟模型，将太陽地球工程作為應對氣候變化的輔助手段可以有效降低氣候治理的經濟成本。相比于減排和碳去除兩種方法結合的路徑，加入太陽地球工程後，不僅可以顯著拉平經濟成本曲線（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濟成本 [13]。
圖32攝氏度溫控目标下，不同氣候治理路徑的經濟成本|圖源[13] 本文作者翻譯
2018年諾貝爾經濟學獎得主，耶魯大學經濟系教授威廉·諾德豪斯在他的《氣候賭場：全球變暖的風險、不确定性與經濟學》一書中也提到，面對氣候變化，我們無疑需要以碳減排為主，但是，适應和地球工程兩種措施也或不可少 [14]。
3
平流層氣溶膠播撒是天馬行空嗎？
如前所述，SCoPEx項目計劃僅在平流層播撒極其微量的顆粒物，而氣候模型的模拟結果表明，實際實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]。
暫且不論我們如何長期不斷地将如此大量的顆粒物或者氣體運送到平流層，這麼大量的顆粒物又是如何懸浮在高空，而不會很快降落到地面呢？
事實上，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東加火山爆發，目前估計的資料顯示，東加火山的爆發向平流層注入了約40萬噸的二氧化硫 [15]。
這些二氧化硫在平流層中經過化學轉化會變成硫酸鹽顆粒物。這些顆粒物特别微小，大部分直徑在幾百納米到幾微米，不及人頭發絲粗細的1/20，是以，可以懸浮在空中。另外，顧名思義，平流層區域大氣運動主要是水準流動，豎直方向上的運動很微弱，是以，懸浮顆粒物可以在平流層停留更久（幾個月到幾年）。
另外一個更為顯著的例子是1991年菲律賓皮納圖博火山的噴發。在噴發期間，皮納圖博火山将約2000萬噸二氧化硫投入了平流層，并在其後大約一年的時間裡随大氣運動遍布全球。其後三年間，雖然全球氣候受到厄爾尼諾現象（指東太平洋海水每隔數年就會異常升溫的氣候現象）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。保羅·克魯岑1995年因研究臭氧層破壞機制而獲得諾貝爾化學獎，在他2006年發表的一篇文章中就曾經對比人為平流層氣溶膠播撒和1991年皮納圖博火山噴發的效果 [18]。正是這篇論文讓科學界開始認真考慮平流層氣溶膠播撒的概念。
目前科學界研究最多的仍是硫酸鹽氣溶膠（火山噴發産物）。除此之外，學者也在考慮碳酸鈣、金屬鋁、氧化鋁和钛酸鋇等一系列材料。甚至有學者提出用鑽石顆粒物作為播撒材料，因為鑽石反射太陽光的能力很強，并且鑽石表面不易發生化學反應，對臭氧層的可能影響較小 [19]。
既然地球已經向我們證明，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，那另一個技術問題就是，具體怎麼操作？
目前，科學家提出了不少平流層氣溶膠播撒的方法，其中，現有技術可以實作的主要有三類 [20]：
1利用可以在平流層巡航的高空飛機大規模播撒氣溶膠。目前世界上有多款可以在20公裡以上高空飛行的飛機，包括RQ-4全球鷹等無人機；2利用大量平流層氣球将氣溶膠材料播撒到平流層。類似的氣象氣球目前每天都會在全球各地被發射到30公裡左右的高空；3利用炮彈将氣溶膠注射進平流層。這種方法最好選擇在高海拔地區以降低炮彈進入平流層的難度，但同時技術成本也非常高昂。
目前，新一代高空飛機是其中最有可能投入大規模應用的選擇，相比于其他兩種方法，它兼具低成本和操作穩定的特點。
圖4目前科學家提出的一些人為平流層氣溶膠播撒方法|圖源[20] 本文作者翻譯
4
風險與争議
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，但也正因為這種全球性的氣候效應，它有很多自然科學上的風險和不确定性，也伴随着社會經濟領域的争議。
從最基本的地表氣溫變化，到對冰川的影響；從局部氣候的變化，到海洋環流的反應；從硫沉積，到項目突然被迫中止可能帶來的風險——太陽地球工程的風險和不确定性涉及氣候變化科學的方方面面。對這些繁複的風險和不确定性，目前學術界并沒有統一的評估标準。而這種統一标準的欠缺，可能會把人們的注意力集中在實際影響并不很大的因素上，進而難以形成對于太陽地球工程的整體認識。
主導ScoPEx項目的哈佛大學教授 David Keith 在他的《氣候工程案例（A Case for Climate Engineering）》一書中提到，媒體在報道太陽地球工程時最經常提到的一點是，它有可能降低東亞地區的季風強度和夏季降水，進而影響當地農業的收成 [21]。而事實上，在一個迅速升溫後的地球上，夏季季風很可能變得過于劇烈，進而造成飓風和暴雨，對農業收成造成損失。在這種情況下，太陽地球工程對季風的減弱可能反而更有利于當地農業的發展。
那麼，怎麼評估太陽地球工程的風險，才能最有建設性地引導科研呢？發表在《自然綜述：地球與環境》上的一篇文章認為，為了理清這些繁複的風險，我們可以先将太陽地球工程的不确定性因素逐條列出，并對每一個條目按照兩個标準進行評估 [22]。這兩個标準分别是：一，會伴随太陽地球工程發生，或我們對其目前了解欠缺的可能性；二，負面影響的大小。根據這兩個标準進行綜合評估，我們可以甄别出兩項名額都比較高的條目，作為下一步研究的重點。
從這個角度出發，太陽地球工程幾個最重要的風險和不确定性分别是：
氣溶膠微觀實體和次網格尺度氣溶膠混合過程
目前為止，對太陽地球工程氣溶膠微觀實體的模拟主要依賴于對過去火山噴發後氣溶膠過程的研究。而人為、有控制的氣溶膠投放和無控制的火山噴發過程有很大的差別：人為投放氣溶膠時人類可以選擇投放的速率、位置、和氣溶膠總共投放量，而火山噴發一般隻會在短時間内，在同一個地點，急劇地将大量氣溶膠投入平流層中。同時，氣候模型對氣溶膠過程的模拟目前基本局限在網格尺度（即氣候模型的最小面積機關），而這些網格的大小（至少幾千平方公裡）決定了它們無法模拟氣溶膠尺度的實體過程。然而，這些過程直接影響了太陽地球工程中氣溶膠的反射效率，并間接影響投放後的下遊。
平流層氣溶膠吸熱對表層氣候的影響
氣溶膠被排放到平流層中後，除了會反射短波太陽輻射而造成地表氣溫降低，也會吸收長波而加熱平流層。這種溫度變化可能對地表氣候造成很大影響，比如平流層溫度的變化有可能改變大氣垂直方向的循環，進而影響平流層臭氧層濃度，甚至改變地表重要的大氣化學過程。而目前我們對這些影響知之甚少。
生态系統的反應
太陽地球工程對生态系統的影響非常複雜。比如，減少地表的太陽光可能會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是以增加。另外，地球氣溫的變化也會對動物造成影響，未知的問題包括急劇改變地球氣溫會不會讓動物們無法繼續生存在現在的生存空間進而被迫遷徙，或者動物對陽光的突然減弱會做出怎樣的反應。目前，這些方面的科學研究非常有限。
相比于自然科學上的風險和不确定性，政策和道德次元的考量關涉更大。
由于大氣的流動性，無論在哪裡投放氣溶膠，它們最終都會覆寫全球。是以，太陽地球工程的實施必須得到所有國家的同意。但是，由于氣候的區域性特征，很可能不同國家或地區會受到不同的影響。2018年的一項研究指出，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，亞馬遜地區的降水循環則不能被控制在自然（工業革命之前）狀态 [23]。這些區域性影響不管是正面還是負面，都有可能成為國際談判中激烈交鋒的争議點。
SCoPEx項目的坎坷經曆就是這種管制難度的一個微觀展現。前文已經提到，雖然SCoPEx對環境幾乎沒有實體影響，但由于公衆對太陽地球工程的反對，這項科研項目正被擱置。
另一方面，學界和政界普遍關心的問題是太陽地球工程的實施會不會成為減排政策的絆腳石，以及太陽地球工程的技術會不會被改造成戰争武器。
對此，諾德豪斯認為，任何一種保證社會穩定的措施，比如警察力量或者雪山救援部隊，都會增加人們冒險的幾率，但大多數人可能甯可活在有警察和救援系統的社會裡 [24]。他認為，也許太陽地球工程會在某種程度上降低減排的動力，但這并不應該阻止我們對它更加深入的研究，以備不時之需。另外，有研究指出，太陽地球工程的應用和減排政策間并不是簡單的取舍或競争關系。在決策制定過程中，它們的優缺點都應該被放在一起衡量 [25,26]。這樣決策者才能制定出成本效益最優的氣候政策。
而對于用作戰争武器的擔憂，有學者認為這種可能性很小 [27]。這是因為武器一般應該能被使用者有效精準地控制，并且有立竿見影的效果，而太陽地球工程對氣候的影響範圍很難被控制，并且它的起效相對于傳統武器非常緩慢。
可以想象一種場景，A國想利用太陽地球工程對B國造成氣候影響，進而完成打擊。那麼，A國需要在合适的地區建立裝置以播撒數百萬噸氣溶膠，但這些氣溶膠對B國造成可以觀察到的氣候影響可能需要數年；并且不止B國，世界絕大部分國家和地區的氣候都有可能受到影響。這種打擊方式的成本很高、規模很大因而不太可能秘密進行，被中途截停的風險巨大，國際影響很糟，而收益又難以确定。在現代戰争中，很難想象太陽地球工程能夠成為一種合理的武器選擇。
5
需要更多的科學研究
太陽地球工程目前是一個比較小的科研領域。到2018年為止，這個領域的全球科研基金最多隻達到過每年八百萬美元左右 [28]，這個資金量占氣候變化領域科研基金的不到0.01%。雖然中國政府對太陽地球工程的實施并沒有明确表态，但中國是少數幾個有政府資金支援太陽地球工程科研項目的國家之一。
中國最大的太陽地球工程項目是科技部973計劃下的“地球工程基礎理論和影響評估研究”，由英國科學家 John Moore 擔任項目負責人，并有北京師範大學、中國社會科學研究院以及浙江大學的學者參加 [29]。這個項目的研究包含自然科學和社會科學的課題，但不包含實驗室或戶外實驗。
相對于由美國政府支援的太陽地球工程科研項目的規模（1-2億美元）[30]，中國的研究項目規模（220萬美元）并不大。但中國的氣候科學家對太陽地球工程并不陌生，并且整體态度和美國學者并沒有本質上的差別。最近的一項研究發現，中美兩國的氣候科學家都認為，對太陽地球研究的撥款應該占氣候科學科研經費的5%左右，并且都不支援近期任何具體工程項目的實施 [31]。
除了中美兩國，英國、德國、澳洲、日本也有規模較大的太陽地球工程科研項目 [28]，培養了一批學者。雖然這些科學家不能對太陽地球工程實施與否做出決定，但他們可能會是推動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施的關鍵。
就像SCoPEx首席科學家、哈佛大學教授 Frank Keutsch 所說：“作為一個科學家，我不能左右社會（對于太陽地球工程）最終的決定，但我可以為那些需要做決定的人提供科學依據。（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]。
緻謝：感謝浙江大學曹龍教授為本文提供學術指導。
“
作者簡介
李垚緯，哈佛大學應用科學與工程學院博士生，博士課題導師為文中提到的Frank Keutsch教授；代祯，哈佛大學應用科學與工程學院博士畢業，博士課題導師為文中提到的David Keith教授。”
參考文獻：
（上下滑動可浏覽）
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制版編輯|姜絲鴨