改造大气层

　　人类该怎样遏制不断加剧的全球变暖？2018年将在美国实施的一个“地球改造”实验计划正在科学界引起各种争论。

　　该怎么对付全球变暖

　　人类通过燃烧化石能源以获取能量，再把由燃烧产生的大量二氧化碳和其他温室气体排放到大气层中。长久以来由于地球大气中温室气体的持续增加造成地球平均温度显著上升，各种极端天气现象也开始明显增多。减少排放二氧化碳，控制地球平均温度的上升，已经成为全人类的共识。而与此同时，也有一些科学家认为，现在控制全球二氧化碳的排放为时已晚，或许应该开始尝试一些更加激进的方法来控制地球温度——尽管还没成为现实，这种论调已经在科学界掀起轩然大波。

　　“地球工程”（Geoengineering）并不算是一个太新鲜的概念。在牛津大学关于地球工程的网页上，对这个名词的解释是：“对地球自然系统进行谨慎的、大规模的干预，以此来阻止气候变化。”这一领域主要分为两类，一类是太阳辐射管理（Solar Radiation Management），另一类是二氧化碳移除（Carbon Dioxide Removal）。目前，已经有两位科学家正在准备通过改造地球的大气层来改变地球所接受的来自太阳的辐射，进而阻止全球变暖。这种进行太阳辐射管理的方式会对人类产生什么样的后果，在全世界引发了各种讨论。

　　促使哈佛大学环境中心的化学与生物化学教授弗兰克·科克（Frank Keutsch）和应用物理学教授大卫·基斯（David Keith）决定对地球大气层进行改造实验的直接原因，是人类进行二氧化碳减排的速度过于缓慢，看起来已经无法达到预期效果——尽管人类早就意识到了减少温室气体排放对全球气候的重要性，但是减量的速度却始终缓慢，这使人类失去了把全球升温控制在1.5摄氏度之内的机会——在这个范围之内，气候学家们普遍认为全球气候变化不会给人类造成太多灾难性的影响。目前看来，把升温幅度控制在2摄氏度之内也难以达到，而全世界气候学家普遍认同的一个观点是，如果全球升温到了3摄氏度以上，将对全人类产生灾难性的后果。

　　另一方面，二氧化碳的减排过程与它对地球气候的影响还有一个滞后效应。已经排放出的二氧化碳可以在大气层中存在数十年，这些温室气体会持续影响地球的气候。根据计算，即使人类立刻把全球二氧化碳的排放量降低到零，全球气温和海平面仍然会持续上升几十年，而如果减排处置不当，地球气温可能会持续上升几百年，这将意味着在未来气候灾难将会更加频繁地发生，数以十亿计的人都不得不改变现有的生活方式，众多国家的经济都将受到严重打击。这个事实让很多气候学家不得不开始考虑采取其他更加有效的方式。

　　如何进行太阳辐射管理

　　科克教授和基斯教授的实验计划，属于“地球工程”中的太阳辐射管理。他们希望在地球大气层高处释放一些微小的反射性颗粒，这些颗粒将长久地存在于地球大气层中，使地球大气层把一部分太阳辐射反射回太空，从而快速降低地球表面的温度。

　　此前，即使是地球工程学的研究者们也没有过于推崇这个实验想法，更没有把它付之行动的计划。但这个方法在理论上易于实施，价格又相对便宜，虽然对于遏制全球变暖算不上是长久之计，却有可能成为非常时期的非常手段。

　　与目前遏制全球二氧化碳排放量进而减缓全球变暖的方式不同，向大气层中释放反射性颗粒，增强大气层对阳光的反射，并无益于降低大气层中的二氧化碳含量，也不会解决由于过量二氧化碳释放造成的地球海洋酸化问题。同时，这个方法之所以长久以来只是在可控的实验条件下和计算机中进行，还在于它可能给人类带来各种潜在的气候灾难：它可能造成大规模的干旱，改变某些地区的降雨模式，它给人类带来的危险，可能并不小于全球变暖。使用这种方式遏制全球变暖，也许称得上是饮鸩止渴。

　　但随着越来越多的人对全球二氧化碳减排持悲观态度，也就有越来越多的人对这个应急方法开始感兴趣。各种关于地球工程的电脑模型在不停地进行计算，而基斯教授仍然急于进行一次真正的实验。在这种特殊情况之下，哈佛学者的实验，尽管可能危险，却有其自身的意义。电脑模型计算显示，这种实验确实有可能有效降低地球的温度。在现实世界中，一些自然现象，例如火山喷发把大量的硫化物喷射进大气层，也会起到类似的效果。正是因为如此，基斯教授坚持必须通过真正的实验来检验效果，而且他坚信这次实验将不会对环境造成影响。首次计划总共使用的实验材料不会超过1公斤，而一次真正的实验将会给实验者们提供真实的数据，告诉人们如何才能成功，或者怎样会导致失败。

　　在这个实验计划得到美国政府的批准之后，科克教授和基斯教授计划于2018年，在美国亚利桑那州的图森市，利用特制的气球把实验材料运送到距离地面20公里的高空（地球大气层同温层的底部）进行释放。他们计划首次将使用冰作为实验材料，接下来还可能使用碳酸钙或是硅酸盐，而实验中微颗粒的排放量相比于飞机和工业排放微乎其微。这两位学者声称，实验的部分经费来自盖茨基金会、威廉和弗洛拉·休利特基金会，但是大多数来自哈佛大学对于新晋教授的资助。

　　由来已久的太阳辐射管理

　　利用空气中的硫酸盐颗粒延缓全球变暖的想法由来已久。白俄罗斯气候学家麦克海尔·布迪科（Mikhail Budyko）在上世纪70年代首先提出了这种设想，在接下来的几十年里，这个想法又逐渐被细化，如今已经有各类学术会议和数以百计的科学论文，利用各种计算机模型探讨利用大气层中的微颗粒进行太阳辐射管理的方法。

　　《麻省理工技术评论》的编辑大卫·罗特曼（David Rotman）在2013年就曾经撰文《一个低廉且容易的计划阻止全球变暖》，介绍基斯教授的实验构想。文中描述，改造几架私人飞机，使之飞行在距离地面20公里的高空，在空中均匀、缓慢地喷洒极小的硫酸液滴，硫酸在空中会与水蒸气结合形成颗粒直径小于1微米的硫酸盐气溶胶，它们随后将被自然风带到世界各地，包括地球的两极。

　　在均匀地扩散到地球大气层中之后，这些细微的颗粒将增强地球的反照率，把射向地球的大约1%的阳光反射回太空中。通过减少吸收来自太阳的辐射，这个效应将会抵消温室效应带来的全球气温升高。根据基斯教授的计算，如果这项计划在2020年实施，使用2.5万吨的硫酸，将可以在一年以后使全球变暖的速度减半。而一旦实施之后，每年在同温层中抛洒硫酸，到了2040年，大约11架次飞机喷洒大约25万吨的硫酸，每年大约需要花费7亿美元，时至2070年，这个项目将会需要上百架次的飞机喷洒上百万吨的硫酸。这个数字与人类燃烧化石燃料，每年向大气层中释放的大约5000万吨硫相比不值一提。人类通过燃烧向大气层释放的硫化物都停留在大气层的底层，并都会在几天之后降回地面，而发散到同温层的硫酸盐颗粒，将会在大气层中停留几年的时间。

　　尽管在90年代提出了这个设想，基斯教授在当时并没有计划真正实施。在同温层中释放硫化物可能给地球环境带来难以预料的后果——这种行为是否可能对地球的臭氧层造成破坏，是否会造成政治纠纷，都还需要进一步细致的研究。基斯教授在2012年由加拿大卡尔加里大学转投哈佛大学使他的学术声誉更隆，他逐渐成为这一领域的领导性人物，经常在公共场合呼吁需要在这一领域进行更多实验，越早知道这个计划是否可行就越有益。他认为，在这一代人的时间里，能够真正解决全球变暖问题的，只有“地球工程”项目。

　　自从在90年代首先提出这个理念之后，在很长的时间里基斯教授并没有受到科学界太多的关注。也有人认为，这个方法会改变人们对于二氧化碳减排的迫切性的认识。转折出现在2006年，这一年，1995年诺贝尔化学奖得主保罗·克鲁岑（Paul Crutzen）发表论文，特别提到了利用硫化物凝胶作为对抗全球变暖的应急方法（尽管这个方法可能会对地球的臭氧层造成破坏）。他列举了1991年菲律宾皮纳图博火山爆发时的情形，这个火山在爆发过程中向大气层中喷发了大约1000万吨的硫化物，随后的研究显示地球的温度在接下来的几年里降低了0.5度。

　　争议重重的实验计划

　　此类地球工程的研究项目在美国从未得到过奥巴马政府的重视，如今却得到特朗普政府的批准，有人认为这释放了一个危险的信号。有科学家警告，这个实验可能会引起全球性的气候灾难，可能会引发暴雨和干旱，威胁到数十亿人的粮食供应。强烈反对这个实验计划的ETC集团的技术观察员西尔维亚·里贝罗（Silvia Riberio）对此评论道：“这可能是特朗普政府所喜爱的解决全球气候变暖的方式：在地球大气层中用硫酸盐建造一座墙，把太阳的辐射挡在墙外，从而使人类可以毫无顾忌地排放二氧化碳。”英国雷丁大学的气候物理学教授艾莉·海伍德（Ellie Highwood）教授也评价说，利用气溶胶进行“地球工程”改造，并不是解决全球变暖的简易方法。

　　如果每年有6000万吨二氧化硫被喷洒进大气层，将是相当于5座宾皮纳图博火山的爆发，确实可能使地球温度下降几度。问题在于，这些硫酸钙颗粒并非仅仅反射阳光，降低地球温度，它们也会吸收来自地表的热量，这会使大气层顶层和底层的温差减小，而这个温差正是形成云层和降雨的重要条件。在电脑模拟中显示，其对大气降雨减弱的影响相当于温度升高造成的降雨增多的影响。

　　有研究表明，这类实验所带来的副作用与全球变暖带来的后果相比毫不逊色。2014年发表在《环境研究通讯》（Environmental Research Letters）杂志上的论文《地球工程造成热带环流减弱和降水减少》（Weakened Tropical Circulation and Reduced Precipitation in Response to Geoengineering）是第一篇通过电脑模型研究这项实验可能带来灾难性后果的论文。论文的通讯作者、雷丁大学的安德鲁·查尔顿－佩雷兹（Andrew Charlton-Perez）评论道，在使地球温度急剧降低的同时，地球工程可能使南美、亚洲和非洲的降雨量减少三分之一，将会对数十亿人以至于热带雨林造成影响，而且其改变速度之快将使人根本没有时间来适应。

　　种种争议之下，这项有志于改造地球大气层的实验即将付诸实践。这些反光性颗粒能够多么精确地降低地球温度，利用什么材料进行实验最合适，这些实验材料又将对环境产生什么程度的副作用？目前仍未得知。基斯教授通过电脑模拟，发现使用钻石粉或铝粉之类的材料可能并不会对地球臭氧层造成破坏，他还发表了一篇论文，论证使用某种由碳酸钙制成的材料进行实验反而可能修复地球臭氧层——这一切，实验最终会给人答案。

　　基斯教授认为，人们对此类从未进行过的“地球工程”实验感到恐慌是正常的，但是不应因此而扭曲这项实验的本质，毕竟如政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change）、英国皇家学会和美国国家科学院都对这项研究持支持态度。

　　只要敢于实践，或许地球仍然可能得救。

　　（本文写作参考了《麻省理工技术评论》和《卫报》的报道）

　　文 苗千