地球工程学策略

杨雪 转载自 麻省理工科技 | 2011-12-31 14:04 | 收藏 | 投票

  源自融雪和冰川的河流养育了世界上超过六分之一的人口——换言之,超过10亿人。不过,这些水源正在迅速消失:供应印度、中国和其他亚洲国家的喜马拉雅冰川将在25年内消失。科学家们早已对这种气候变化现象习以为常,却惊叹于其变化之迅速。“地球的变化速度似乎超过了气候模型的预测。”丹尼尔?施拉格(Daniel Schrag),这位哈佛大学地球与行星科学系教授兼奥巴马总统气象顾问如此说道。

  二氧化碳的大气含量已攀升至百万分之三百八十五,而据许多科学家说,百万分之三百五十是相对稳定气候的上限。尽管许多国家的政府都在努力倡导减排,每年由燃烧化石燃料导致的排放量却仍在上升,而非下降:在过去的20年里增加了41%。在过去的10年间,二氧化碳的大气浓度正以每年百万分之二的速度增加。按此速度,它们将在本世纪末达到工业化前含量的两倍。同时,研究人员愈发确信,该水平下的气候对温室气体的敏感性将超过预期。 “避免严重破坏的可能性似乎很低,”施拉格说,“我们能采取的最佳措施也不能尽如人意。”

  如此残酷的现实使得许多有影响力的科学家,包括像施拉格这样的奥巴马顾问,从根本上改变了他们对如何应对气候变化的观念。他们已经开始呼吁政府资助地球工程学的研究——期待更大程度地迅速冷却地球。

  地球工程学的战略形之迥异,从向太空发射万亿遮阳板,到触发海洋中大面积的藻类。近年来最受关注的一项战略为,向高层大气注入数百万吨的二氧化硫以形成微粒,来遮荫地球。许多地球工程的提案可追溯到几十年前,但直到几年前,大多数科学家仍认为它们不过是介于高科技的狂妄与科幻小说之间的东西。事实上,据麻省理工学院大气科学教授罗纳德?普林(Ronald Prinn)说,这个话题属于“禁区”。不仅就这些工程是否能够缓解气候尚无定论,而且,大多数科学家还担心,它们可能产生意外的灾难性后果。此外,依靠地球工程学而非削减温室气体排放来控制地球温度,将使人类的子孙后代在这方面无限期依赖下去。对于制定控制全球变暖政策的人来说,鉴于上述原因,仅仅讨论地球工程学都被认为是危险的行径。普林说,直到几年前,他仍认为这一理论的倡导者“无可救药”。

  然而,这不再是一个荒唐的想法了。英国皇家学会(United Kingdom’s Royal Society)于2009年9月发表的关于地球工程的报告概括了我们面临的研究和政策方面的挑战。美国国家科学院也正在进行一项类似的研究。白宫科技政策部主任约翰?霍尔德伦(John Holdren)在刚被任命不久就发表了对这一问题的看法。“气候变化的速度超过了之前任何人的预期,”他在一次演讲时这样说,“如果某一天我们足够绝望,便可能会去尝试利用地球工程学来对地球进行冷却”。作为准备工作,他认为,我们需要了解其可行性和可能出现的副作用。现在,甚至美国国会都已经对这一问题表示了关注,将在今年11月举行首次地球工程计划听证会。

  施拉格表示,地球工程计划可能是“一个糟糕的想法”,却比无所作为要好。与许多过去的倡导者不同,他并不认为这是一个替代温室气体减排的措施。“这并非是一种技术上的修正,也不是一项权宜之计。这是一个止血带,”他说,“诚然,它有潜在的副作用,但优于其他会因失血过多而死的方法。”

  地球工程学有着悠久的历史。19世纪30年代,美国联邦政府资助的第一位气象学家詹姆斯?埃斯皮(James Espy),就想在每周日下午燃烧阿巴拉契亚大片森林,通过燃烧产生的热气来引发经常性的暴雨。一个多世纪之后,美国和前苏联的气象学家和物理学家各自考虑了改变气候的一系列措施,经常是以使北纬地区升温为目标,来延长农作物生长季和穿越北极航道的畅通时间。

  1974年,前苏联科学家米哈伊?布迪科(Mikhail Budyko)首先就冷却地球提出了一项在今日可能为主导性的计划:向高层大气注入气体,使其形成微粒来阻挡阳光。此观点是基于一种自然现象。每隔几十年,都会有一座火山剧烈地爆发,其活动之剧烈使得数百万吨硫——以二氧化硫的形式——被喷到距地面10公里以外的大气平流层。由此产生的硫酸盐颗粒迅速扩散,并会悬停数年。它们会使阳光发生反射和折射,创造出一层光晕使蓝天显得更白,并产生壮美的落日。通过减少到达地表的日照量,光晕也降低了温度。这是1991年菲律宾皮纳图博火山爆发时的真实情况,那一次,有1500万吨二氧化硫释放到了平流层。在之后15个月内,平均气温下降了0.5℃。(几年后,硫被逐渐排放出平流层,冷却也随即消失)。

  科学家们估计,为了抵消本世纪二氧化碳排放量的增长,需要每年向平流层释放100万~500万吨的硫。目前已提出多种释放硫的对策。华盛顿州贝尔维尤(Bellevue, WA)的亿万富翁投资家、前微软首席技术官、知识产权风险投资公司(Intellectual Ventures)创始人兼总裁纳森?梅尔沃德(Nathan Myhrvold)提出了几种方式,其中之一就是基于燃烧化石燃料的工厂已经排放了大量二氧化硫这一事实。这些排放的废气贴近地表,并会在几周内被雨水清洗出大气。但如果这些污染物能到达平流层,它们便可循环数年,极大地发挥其反射日光的作用。为了将硫引入平流层,梅尔沃德建议,使用25公里高的“灵活、可充气的热气球烟囱”。他说,只需要两座工厂的排放量便足以解决这个问题。梅尔沃德估计,此解决方案的开销将低于每年1亿美元,包括替换因暴雨而损坏的气球的费用。

  毫不奇怪,气候科学家尚未做好签署该计划的准备。其中的问题是显而易见的。一方面,从没有人建造过25公里高的烟囱。另一方面,科学家们对大气化学尚缺乏足够透彻的理解,无法确保可能发生的事情;释放成吨的硫酸盐到平流层远非减轻气候变化那么简单,这将可能引发灾难性的后果。化学过程太复杂,令人难以捉摸,而气候模型又欠完善,无法统领全局。

  “皮纳图博火山的确使地球得到了冷却,但是这并不是问题所在,”施拉格说,“平均温度并不是唯一的问题。”温度和降水造成的地区差异同样要列入考虑范围,他解释道,而这些因素正是气候模型极不擅长的。普林对此表示赞同:“如果降低日照的话,我们还不能确定气候系统确切的反应,同样也无法得知气候对温室气体在某一特定水平下的反应。”他补充说,“这才是关键问题所在。你怎么能操纵一个你尚未完全了解的系统呢?”

  皮纳图博火山的实际影响很复杂。当时的气候模型预测,通过减少到达地表的阳光,该喷发产生的硫酸盐光晕会进一步减少蒸发,并由此降低世界范围的降水。降水的确减少了,但远远超过科学家的预期。“皮纳图博火山爆发之后那一年的降水量创下了历史最低,”博尔德公司国家大气研究中心的高级研究员凯文?特伦博斯(Kevin Trenberth)说道,“实际上,它比之前降水最低年份的降水量还要低50%。”然而,这些影响却并不平均,在有些地方降水量反而增加了。有科学家警告,人工硫光晕可能会产生类似的不可预知结果。

  即使在最好的情况下,即副作用小且可控时,靠遮挡阳光来冷却地球也不会减少大气中的二氧化碳水平,而且较高含量的该气体所造成的影响不仅限于升温。其中之一是,海洋将吸收更多的二氧化碳并更加酸性化,贝类和某些浮游生物——这些鱼类和鲸的重要食物来源——将因此受害。捕鱼业将遭受严重打击。更重要的是,如果我们不直接对其处理,二氧化碳含量将继续上升,所以,任何遮阳技术都必须不断升级以应对新增的温室效应。

  而且,如果由于某些原因,地球工程计划必须停止——例如由于环境或经济问题——高含量的温室气体将导致气温急剧上升。“即使地球工程计划的效果无可挑剔,”芝加哥大学地球物理学教授雷蒙德?皮埃安贝尔(Raymond Pierrehumbert)说,“整个地球距离‘在十年内产生相当于百年的全球升温’的结果仅短短几年之隔,这无疑是灾难性的。如果地球工程计划被采用,将使地球陷入极端不稳定的状态。”

  智慧的硫酸盐

  预见出地球工程学各项计划的结果,以及规划好令它们更加安全有效的战略,将需要几年甚至几十年的研究。“我们每花一元钱了解如何真正实施地球工程计划,”施拉格说,“就需要再花十元钱来了解它将产生哪些冲击。”

  首先,科学家们甚至都不确信,通过几十年缓慢释放的硫酸盐是否能像短短一次火山爆发快速释放那样使地球冷却。关键的问题是,微粒如何在平流层相互作用。持续向同一区域释放的硫酸盐微粒有可能聚集,如果发生这种情况,这些粒子将与长波长的射线发生作用,而非仅作用于可见光范围的电磁波。这将束缚住一些本应被释放到太空的热量,从而导致净热效应而非冷却效应。此外,较大的微粒可能在有机会转移阳光热量之前就从天空坠落。为了研究这些现象,卡尔加里大学能源环境系统小组主任大卫?基思(David Keith)设想了一项由飞机在100平方公里内低蒸汽压力条件下喷洒气体的实验。这些气体将在平流层浓缩为微粒,而飞机则飞回并穿过这些微粒,进行测量,系统地改变粒子大小、粒子在某一区域的数量、其释放时间以及其他变量将揭示它们在微观条件下相互作用的重要细节。

  然而,即使硫酸盐微粒的作用能够解释且可控,庞大而复杂的气象系统因它们被注入平流层而将受到何种影响,依然远不明朗。目前大多数的模型仍很粗糙;例如直到最近,这些模型才开始考虑冰川和洋流的运动。硫酸盐能在白天冷却地球,但如果太阳不发光,它们将不起任何作用。因此夜晚可能相对白天会更暖,但科学家们几乎还没有对此现象进行建模,并研究它将如何影响生态系统。“类似地,季节也会受到影响,”施拉格说:硫酸盐的降温作用在冬天较弱(日光较少),而在夏天较强。科学家对于平流层的环流模式因硫酸盐的引入发生何种改变尚知之甚少,也不能精确地预测上述任一参量将如何影响干旱、洪水或其他自然灾难的发生地点和时间。

  如果科学家可以更多地了解平流层中硫酸盐的影响,将会提升有趣的“智慧”地球工程计划的可能性,施拉格如此说。火山爆发是最原始的方式,在几天内从同一地点释放大量硫。但地球工程师们可以精确地选择何时何地以何种速率来向平流层释放硫。“目前正在考虑一件非常简单的事情,”施拉格说,“我们在讨论以统一的方式向平流层注入试剂。”然而,目前已经预见的影响却并不是平均分布的。例如蒸发的变化,如果造成陆地的干旱,那就是毁灭性的;但如果是在海面上少下一点雨,却没什么大不了。通过利用平流层环流模式和天气的季节性变化,有可能限制最具破坏性的结果。“可以采用脉冲注入,”他说,“可以通过建立智能系统来抵消一定的负面影响。”

  比起刻意去污染平流层,实施地球工程计划的另一个潜在风险更小的方法是从大气中清除二氧化碳。但是,必要的技术却很难得到发展,并付之大规模应用。

  哥伦比亚大学地球环境工程系地球物理学家克劳斯?莱克纳(Klaus Lackner)在他毗邻曼哈顿位于晨边高地第10层的实验室中,正在研究一种能将空气中的二氧化碳以化学方式束缚住并在水中以浓缩形式(易于收集)释放的材料。这项工作尚处于早期阶段。莱克纳的碳捕获设备看起来像畸形的试管刷:它们必需要手动浸入水中,并且,将其封入用来测量其释放的二氧化碳的简易密封腔其实是一件非常困难的事情。但是他预计,可以有数百万计的、仅小舱室大小的该种自动控制系统散布于郊外地质水库附近,用来储存其收集的气体。根据他的计算,一种基于该材料的系统可以以一千倍于树木的速度清除空气中的二氧化碳。哥大的其他研究人员正在研究如何利用橄榄岩与二氧化碳反应生成碳酸镁等矿物质,来消除大气中的温室气体。研究人员希望加快这些自然反应。

  这些捕获二氧化碳的想法是否切实可行尚无定论。有些甚至由于需要过多能量,反而造成净的二氧化碳量增加。“但即使需要100年我们才能学会这些方法,”皮埃安贝尔说,“它仍然是有用的,因为二氧化碳需要1000年才能从大气中自然降解。”

  战争的种子

  然而,一些现有的地球工程计划可以以相对更廉价且更简易的方法去尝试。即使没人知道它们是否安全或有效,也并不表明不能一试。

  加州大学圣地亚哥分校国际法规实验室主任戴维?维克多(David Victor)预见到了两种可能发生的场景。第一是“绝望的圣母飘过”:“一个很容易受到气候变化影响的国家迫切希望看到有转机的结果,它们不会认为减排会有多大的成果。粗略的地球工程计划可以非常廉价,也因此,该方法甚至可能被应用于特立尼达和多巴哥或孟加拉国——前者出口大量天然气,很容易受到波及;后者贫穷但地域广大,将可能乐于做一些对生存有重要意义的事。第二是“前苏联式傲慢工程场景”:“一个由工程师掌权的、没有过分暴露于公众意见或反对声音之中的国家,将视地球工程计划为一项国家级任务——很类似于大规模建立设计糟糕的核反应堆、河流改道、人口安置以及其他在公众被告知、有反应或有权利干预的情况下便很难实施的国家级任务。”发生上述任何一种情况,任何国家的独自行动都可能影响整个世界的气候。

  世界会如何反应?在极端情况下,维克多说,这可能导致战争。有些国家可能反对地球降温,尤其是当较高的气温给他们带来如更长生长季节、更温和的冬天等好处时。而且,如果地球工程计划减少了降雨,因全球变暖而经历干旱的国家将受害更重。

  目前,尚无国际法或协定明确地禁止某国家单方面启动地球工程计划。并且,现在象联合国等理事机构一样建立健全法规的情况还太少——对于一个试图从气候灾难下拯救自身的国家来说,这些法规在任何情况下都可能被忽视。维克多说,最佳措施是让全世界首席科学家们联合起来,尽可能明确地说明地球工程计划可能带来的危险,以及在确实需要采用的情况下,如何去使用它。通过公开的国际研究,他说,我们可以“增加——当然不是百分之百——有效规范出现的可能。”

  准备好了吗

  2006年,因发现平流层臭氧枯竭而获得诺贝尔化学奖的荷兰科学家保罗?克鲁岑(Paul Crutzen)在期刊《气候变化》上撰文,宣称为温室气体减排而做的努力都是“极为不成功”的。尽管承认向平流层注入硫酸盐将破坏臭氧层并导致大规模不可预知的副作用,他还是呼吁增加针对“气候工程的可行性和环境结果”的研究。虽然有这些危险存在,他认为,气候工程将最终成为“快速制止气温上升的唯一可行选择。”

  当时,克鲁岑的论文受到了争议,许多科学家称之为不负责任。但自那以后,它引导了地球工程学走向公开化,从1989年就开始研究该学科的大卫?基思如是认为。当克鲁岑表现出对以注入硫酸盐作为冷却地球的一种方法的兴趣时,其他对平流层有类似理解的科学家都开始表现出讨论该话题的兴趣。

  最近一位转变观点的人是华盛顿大学大气科学教授大卫?巴蒂斯迪(David Battisti)。他被一个特定的问题困扰着。对热波的研究表明,当气温较正常升高3~4℃时,农作物产量将急剧下降——这是麻省理工学院的普林所预测的、即使严格控制排放量也会达到的温度。在2009年秋季麻省理工学院岩土工程研讨会上,巴蒂斯蒂说:“到本世纪末,仅仅由于温度原因,我们就将面临30%~40%的农作物减产,而未来50年对粮食的需求预计将翻倍。”

  巴蒂斯迪深知地球工程计划的不确定性。根据他最近的研究,首个关于荫蔽地球如何影响气候的电脑模型的结果表明,局部温度将发生2~3℃的变化,而局部降水将发生至多40%的变化。但是,在已经有10亿人营养不良、另有10亿人将因全球变暖影响农业而转入饥荒的情况下,巴蒂斯蒂也不得不承认,我们可能需要考虑“一个气候工程的补丁。”更好的数据和模型将有助于澄清地球工程的效果。“给我们30或40年,我们就能扭转局面。”他在麻省理工学院的研讨会上说,“但在三四十年内,就不断增加二氧化碳的现状而言,我们已经需要它了,无论我们是否已经准备好。”

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