卡爾加里大學（艾伯塔省）的物理學家和能源專家大衛·W·基思在最近關於地球工程的講座中，喜歡指出這個想法有多麼古老。他說，人們討論故意改變氣候以應對全球變暖，和他們開始擔心全球變暖本身一樣久。早在 1965 年，當阿爾·戈爾還是一名大學新生時，一個傑出的環境科學家小組就警告林登·B·約翰遜總統，化石燃料排放的二氧化碳 (CO2) 可能會導致“顯著的氣候變化”，這種變化“可能是有害的”。然而，科學家們甚至沒有提及減少排放的可能性。相反，他們考慮了一個想法：“在約 500 萬平方英里的海洋上散佈非常小的反射粒子”，以便將大約 1% 的陽光反射回太空——基思說，這是一個“瘋狂的地球工程解決方案”，“甚至行不通”。
在隨後的幾十年裡，地球工程的想法從未消失，但它們確實被推到了邊緣——科學家和環保主義者普遍認為它們是愚蠢甚至不道德的嘗試，旨在避免解決全球變暖的根本問題。最近的三項發展使它們重回主流。
首先，儘管進行了多年的討論和國際條約，但 CO2 排放量的上升速度甚至超過了政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 在 2007 年最近設想的最壞情況。“趨勢是上升的，並且越來越依賴煤炭，”加利福尼亞州斯坦福市卡內基科學研究所的氣候建模師肯·卡爾代拉說。
支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
其次，兩極冰層融化的速度比以往任何時候都快，這表明氣候可能比任何人想象的都更接近崩潰的邊緣——或者用現在的術語來說，更接近臨界點。
第三，保羅·J·克魯岑寫了一篇文章。這位傑出的荷蘭大氣化學家在 2006 年在Climatic Change雜誌上發表了一篇論文，他在論文中也懷著沉重的心情敦促認真考慮地球工程，“讓真相大白”，基思說。克魯岑因其在 1995 年對大氣臭氧破壞的研究獲得了諾貝爾化學獎；如果他認真對待地球工程，那麼似乎每個人都需要認真對待。
到 2007 年 11 月，基思和哈佛大學地球物理學家丹尼爾·P·施拉格毫不費力地說服了頂尖氣候科學家加入熱情的地球工程師，在馬薩諸塞州劍橋市參加了一個研討會。最後，所有人都同意需要進行更多研究——有些人是因為地球工程確實讓他們興奮，有些人是因為他們認為地球工程是兩害相權取其輕，還有些人是因為他們希望徹底否定它。但仍然存在共識：地球工程又回來了。
地球工程方案分為兩類，對應於您可能想象的用於調節地球溫度的兩個旋鈕。一個旋鈕控制到達地球表面的陽光量——或更準確地說，太陽能量；另一個旋鈕控制逸回太空的熱量，這取決於大氣中 CO2 的含量。例如，透過用鐵肥沃海洋來去除大氣中 CO2 的方案，將更接近問題的根源。但這不可避免地需要數十年才能產生多大影響。相比之下，遮陽傘原則上可以立即阻止全球變暖——儘管只是在保持遮陽傘的時間內。因此，遮陽傘的想法解決了某些科學家認為的氣候問題的極端緊迫性。“如果格陵蘭冰蓋明天開始崩塌，而你是美國總統，你會怎麼做？”施拉格問道。“你別無選擇。”
然而，到目前為止，對任何方法或其潛在的重大且不可預測的副作用的研究都相對較少。“談論多於工作，”卡爾代拉說。“大多數研究都處於業餘水平。”有些想法不值得做更多的事情——例如，在海洋的大部分割槽域散佈反射粒子，這將不可避免地汙染海洋，而且這些粒子可能會很快衝到海灘上。但其他想法則更難忽視。
否定地球工程背後的基本原理仍然更難。今天，很少有研究人員認為，阻擋太陽光可以替代阻止大氣 CO2 的上升，或者地球工程本身可以解決 CO2 問題。相反，他們認為這可能會給我們爭取時間，進行將世界轉變為碳中效能源所需的革命。“我認為應該考慮地球工程的原因，”國家大氣研究中心 (NCAR) 的湯姆·M·L·威格利說，“是因為我不認為我們將透過擺在桌面上的減排方法來拯救地球。沒有人認真對待技術挑戰的嚴峻性。”
平流層中的粒子
克魯岑和威格利都辯護的地球工程方案是最便宜且最肯定有效的；早在 1974 年，時任列寧格勒主要地球物理天文臺的已故俄羅斯物理學家米哈伊爾·I·布迪科就提出了該方案。這個想法是將每年數百萬噸的二氧化硫 (SO2) 注入平流層。在那裡，它將與氧氣、水和其他分子反應，形成由水、硫酸 (H2SO4) 以及酸和水凝結在其上的任何灰塵、鹽或其他顆粒組成的微小硫酸鹽液滴。硫酸鹽液滴雲會散射陽光，使日落更紅，天空更蒼白，地球表面平均溫度更低——每個人都同意這一切。1991 年，菲律賓皮納圖博火山爆發，向平流層排放了 2000 萬噸 SO2，它產生了所有這些影響：它使地球在一年左右的時間裡降溫了近華氏一度。“所以我們基本上知道它有效，”卡爾代拉說。事實上，卡爾代拉早在克魯岑撰寫相關文章的近十年前就開始對這個想法進行建模。
當克魯岑拾起這個線索時，世界已經為地球工程做好了準備；自布迪科的論文發表以來，世界已經變暖了一度，並且融化了很多冰。在 1990 年代，愛德華·泰勒及其在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的同事提出，金屬粒子可能會在空中停留更長時間並反射更多陽光，但克魯岑堅持了更成熟的注入 SO2 的想法。這使他能夠以一種引人入勝的方式構建他的提案。
他指出，透過燃燒化石燃料，人們每年已經向低層大氣排放 5500 萬噸 SO2（以及 80 億噸 CO2）。世界衛生組織的資料顯示，由此產生的 SO2 濃度每年導致 50 萬人死亡。然而，它也會使地球降溫——儘管沒有人確切知道降溫多少——因此，隨著各國政府實施反汙染法律，例如美國的《清潔空氣法》，它們正在使全球變暖變得更糟。克魯岑建議，將其中一些 SO2 輸送到平流層不是更有意義嗎？在那裡，它可以為我們遮擋陽光，而不會殺死我們。
布迪科最初的想法是派遣飛機燃燒高硫燃料進入平流層；克魯岑提議用氣球輸送 SO2。對於抵消例如工業化前水平 CO2 的兩倍，需要多少 SO2 的估計各不相同。威格利將這個數字（通常表示為硫的重量）定為每年 500 萬噸；克魯岑和 NCAR 的菲利普·J·拉施計算出，150 萬噸就足夠了——前提是粒子的平均尺寸小於典型的火山粒子，即小於 0.2 微米。
所有這些估計都與我們已經排放到低層大氣中的 SO2 量相比微不足道——而且與 CO2 問題的規模相比，它們微乎其微。卡爾代拉評論說，每年所需的 SO2 量大致相當於你可以透過消防水帶輸送的量。克魯岑估計，他的方案每年將花費 250 億美元到 500 億美元，相當於發達國家每個公民 25 美元到 50 美元。這比普通美國人花在彩票上的錢還少，而且回報將更加確定：一個更涼爽的星球——至少在全球平均水平上是這樣。
所有氣候變化都是區域性的
然而，區域溫度模式才是最重要的。華盛頓大學的氣候建模師大衛·S·巴蒂斯蒂認為，就此而言，阻擋陽光的 SO2 和捕獲熱量的 CO2 並不十分匹配。CO2 使地球晝夜、夏季和冬季都變暖。隨著海洋和陸地上的冰融化，將白色和寒冷的表面替換為黑暗和溫暖的表面，CO2 變暖在兩極附近被放大。相比之下，平流層硫酸鹽遮陽傘只會阻擋陽光照射的時間和地點；在極地冬季，它根本沒有直接影響。因此，人們會期望它使熱帶地區比兩極地區更涼爽——這與將氣候恢復到工業化前狀態所需的情況恰恰相反。
令人驚訝的是，到目前為止所做的少量模型模擬表明，硫酸鹽遮陽傘的影響並非如此簡單。“我們發現它在逆轉全球氣候變暖趨勢方面實際上做得相當不錯，”卡爾代拉說。透過在夏季將兩極冷卻到足以維持海冰的程度，遮陽傘觸發了與放大 CO2 變暖相同的強大反饋，但方向相反。
但硫酸鹽遮陽傘可能在其他方面存在嚴重的缺點。SO2 與 CO2 一樣，不僅會影響地球的溫度；它還會改變風和降水，其方式尚不可預測。由於到達地球表面的陽光減少，蒸發量也會減少，尤其是在熱帶地區，這可能會使降雨和淡水比今天更加稀缺。皮納圖博火山爆發似乎就是這樣做的：根據 NCAR 的凱文·E·特倫伯斯和戴愛國的分析，火山爆發後一年，陸地上的降水量和河流徑流量急劇下降。與此同時，較少的蒸發應該會導致土壤更溼潤。卡爾代拉的模型表明，與單獨新增 CO2 相比，在 атмосферу 中新增 SO2 和 CO2 會導致降水變化較小——簡而言之，地球工程仍然比一切照舊有所改進。
無論降雨量是否減少，如果我們向平流層排放數百萬噸硫酸，降雨都可能變得更酸性。在全球範圍內，酸度增加可能很小——因為我們已經向低層大氣排放了如此多的 SO2——但正如羅格斯大學的艾倫·羅布克在原子科學家公報中指出的那樣，一些酸雨可能會落在迄今為止倖免於難的原始地區。
臭氧層空洞重現？
更令人擔憂的是平流層臭氧。到達高層大氣中的氯原子是長期用作冷卻劑和噴霧推進劑的氯氟烴的遺留物，它們每年春天都會在南極臭氧層上挖一個洞，讓紫外線 (UV) 陽光湧入。然而，破壞臭氧的化學反應僅在低於一定溫度閾值且僅在平流層粒子（包括微小的硫酸液滴）的表面上發生。隨著氯氟烴根據 1987 年《蒙特利爾議定書》逐步淘汰，臭氧層空洞正在變得更小更淺。但是，如果將更多的硫酸泵入平流層，它可能會充當催化劑，從而延緩臭氧的恢復。
果然，皮納圖博“實驗”確實造成了一些臭氧損失，但損失不大。然而，根據 NCAR 的西蒙娜·蒂爾姆斯表示，影響的微小性具有誤導性，因為火山爆發後的冬天恰好是溫和的。蒂爾姆斯說，在寒冷的冬天，兩極的臭氧破壞會更加嚴重。更糟糕的是，導致全球變暖的溫室氣體實際上傾向於透過將熱量捕獲在更靠近地表的地方來冷卻平流層。
根據蒂爾姆斯的計算，如果我們要在未來幾年開始向平流層注入 SO2，南極臭氧層空洞的恢復將被推遲 30 到 70 年。在寒冷的年份，北極高緯度地區也會出現臭氧層空洞，使那裡的城市沐浴在致癌的紫外線輻射中。然而，正如拉施指出的那樣，蒂爾姆斯的結論可能代表了“最壞情況”；她將抵消未來幾十年 CO2 倍增所需的 SO2 量與今天平流層中存在的氯量結合在一起——即使氯在穩步減少。
因此，SO2 對臭氧的影響仍然不確定，就像硫酸鹽地球工程的幾乎所有方面一樣。我們可以在明年開始這樣做，但除了在全球範圍內為地球降溫之外，我們將不清楚自己在做什麼——就像世界開始在冰箱和腋下除臭劑中使用氯氟烴時，我們不知道自己在對臭氧層做什麼一樣。克魯岑在他的文章中承認了這種意外後果的鐵律，他寫道：“不應低估意外氣候影響的可能性，南極臭氧層空洞的突然和不可預測的發展就清楚地表明瞭這一點。”
對流層中的海霧
在低層大氣中，SO2 不僅會散射陽光並引起呼吸道疾病：它還會創造本來不存在的雲，並使現有云層變亮，這就是所謂的氣溶膠間接效應。氣候科學家認為，這種效應至少與氣溶膠粒子的直接散射一樣，已經使地球降溫。輪船航跡——發動機尾氣的線性雲——生動地說明了這種現象：它們持續數天，並隨著輪船沿途航行而延伸數百英里。衛星照片記錄了它們反射回太空的陽光。
約翰·萊瑟姆為地球降溫的想法本質上是透過用大量輪船航跡來增白現有海洋雲層——但以更清潔的方式製造。萊瑟姆是一位退休的英國雲物理學家，他認為，從一支無人駕駛帆船隊向空中噴灑微小的海水滴可以達到目的。
氣溶膠間接效應的基本機制非常簡單。雲反射的陽光量取決於構成雲的水滴的表面積。“如果不是有少量大水滴，而是有很多小水滴，那麼對於相同量的水[從蒸汽相凝結成液滴]，表面積會更大，”萊瑟姆解釋說。原則上，向大氣中新增粒子會形成更多但更小的水滴，因此雲層會更白更具反射性。
如今，在陸地上空，空氣中充滿了人造顆粒，因此雲層被認為比原本更白更具反射性。但在海洋上空，空氣主要充滿了天然顆粒，包括泡沫波浪吹到空中的海水滴。當水滴到達 1000 英尺時，大部分水已經蒸發，留下鹽顆粒——但在那個高度，水蒸氣又開始在顆粒周圍凝結。新水滴形成低層海洋層積雲，覆蓋了世界海洋約四分之一的面積。萊瑟姆的想法是透過新增足夠的空氣鹽霧使雲層變亮，使雲層中的水滴數量增加四倍。
愛丁堡大學的名譽工程學教授斯蒂芬·薩爾特提出了一項方案，至少在紙面上看起來很巧妙。“它基本上是一個澆水壺，”萊瑟姆說——但噴嘴將是一個矽晶片，上面蝕刻著數十億個小於一微米的孔，它將安裝在無人駕駛的衛星制導帆船上。更具體地說，該船將是一艘弗萊特納船，它有高大的旋轉圓柱體，類似於煙囪，但充當風帆，產生升力，因為一側順風運動，另一側逆風運動。
在薩爾特的構想中，被船隻經過的水旋轉的渦輪機將產生電力，以保持圓柱體的旋轉，並將海水以 0.8 微米的水滴噴灑到煙囪外。薩爾特和萊瑟姆估計，1500 艘輪船，每艘每秒噴灑 8 加侖——每艘造價 200 萬美元，總計 30 億美元——可以抵消 CO2 倍增造成的全球變暖。根據英國埃克塞特市氣象局哈德利氣候預測與研究中心的模型結果，在僅佔海洋 4% 的區域部署輪船即可完成一半的工作。
儘管如此，沒有人對冷卻如何在地球上均勻分佈進行建模。“你可能會最終得到一個波爾卡圓點世界，那裡有非常冷的地方和非常熱的地方，”巴蒂斯蒂說。另一個擔憂是噴霧船隻順風方向的乾旱；由許多小水滴組成的雲層持續時間更長，這在遮陽傘中是理想的，但它們產生的降雨也更少。
最後，新雲層會變亮多少尚不清楚。現有的氣候模型高估了這種效果：根據這些模型，現在大氣中的氣溶膠應該正在抵消全球變暖，但這種情況顯然沒有發生。因此，拉施已經開始對萊瑟姆的想法進行建模。“這是我們最不瞭解的氣候組成部分之一，”他說。
儘管如此，就地球工程方案而言，從風力船向空中噴灑海水聽起來相當溫和。萊瑟姆說，如果出現任何問題，你可以在幾天或最多幾周內關閉噴霧——而平流層中的硫酸將滯留數年。“絕對值得研究，”威格利說。但只有實地測試才能回答關於這個想法的一些問題——到目前為止，萊瑟姆收到的唯一支援來自探索頻道。為了給一部關於地球工程的紀錄片系列尋找良好的視覺效果，電視製片人資助建造了一艘小型弗萊特納船。
太空中的遮陽傘
探索頻道還付費為 J·羅傑·P·安吉爾建造了一些東西：一塊半英寸寬的氮化矽陶瓷盤。它是透明的，穿孔了許多微小的孔，厚度約為四分之一微米——是保鮮膜厚度的四十分之一，但硬度更高。安吉爾是亞利桑那大學斯圖爾特天文臺鏡面實驗室主任，他以創新地開發望遠鏡鏡片和光學器件而聞名，因此他提出的用高效能汽車軸承中使用的相同材料製成的圓盤形光學器件的想法完全符合他的性格。幾年前，他的妻子問他是否可以為氣候變化做些什麼。他的回應是研究一項舊的地球工程提案，委婉地說，這項提案完全超出了常規。
該提案呼籲在 L1 處放置遮陽傘，即內拉格朗日點，距地球一百萬英里，朝向太陽的方向。（在拉格朗日點，太陽施加的引力與地球施加的引力相同。）從 L1 處，遮陽傘將在地球上投下均勻的陰影，而不會汙染大氣。
在安吉爾的方案中，天基遮陽傘不是單個航天器，而是數萬億個航天器——每個航天器都是一個兩英尺寬的氮化矽圓盤，配備計算機和導航系統，重量不超過一克。（安吉爾指出，帝王蝶的重量不到一克，它們可以導航數千英里到達墨西哥的繁殖地。）這些“飛行器”將以一百萬個一堆的方式發射，大約每分鐘一堆，持續 30 多年，透過電磁線圈槍發射，電磁線圈槍將超過一英里長，而且大部分在地下。因此，安吉爾建議將遮陽傘的重量保持在從地球發射的不到 2000 萬噸。然而，作為比較，這僅略低於國際空間站當前質量的 70,000 倍——將如此龐大的質量拋向天空絕非易事。
高效的離子推進發動機將把每堆飛行器從地球軌道運送到 L1，在那裡，飛行器將被像從牌堆中扔出的牌一樣分發到一個 60,000 英里長的雲層中，指向太陽。“牧羊犬”衛星在雲層中巡邏，將建立一個本地全球定位系統，每個飛行器都將透過充當太陽帆的小鏡子來防止自己漂出雲層。太陽光子將直接穿過每個飛行器中的氮化矽，但穿過飛行器孔洞的光子將略微提前出來。因此，這兩組光子將發生破壞性干涉，阻擋原本會到達地球的一些陽光，並將大約 2% 的陽光散射到地球的兩側。
很難知道安吉爾對這個想法有多認真。“這不是一個快速、廉價的解決方案，”他愉快地說。事實上，根據威格利的說法，天基遮陽傘的標價粗略估計為 5 萬億美元，“完全不可能實現”。卡爾代拉說，它“需要如此艱鉅的努力”，“也許建造風力渦輪機和太陽能發電廠更容易”。安吉爾本人似乎也同意；他現在大部分時間都在試圖思考如何集中陽光並提高光伏效率。畢竟，他指出，任何遮陽傘都會浪費太陽能。
聰明與愚蠢
地球工程無法解決 CO2 問題——部分原因是問題不僅僅是全球變暖。如果我們用遮陽傘阻止全球變暖，CO2 將繼續滲入海洋，緩慢地酸化海洋，隨著時間的推移，生態後果可能會很可怕。儘管如此，暫時阻止全球變暖可能是有價值的。卡爾代拉說，硫酸鹽地球工程“便宜到單個行為者可以自己做並承擔成本”。美國可以選擇拯救格陵蘭冰蓋（從而防止佛羅里達州被淹），中國可以選擇拯救喜馬拉雅冰川，瑞士可以選擇拯救滑雪產業，所有這些都無需費力談判全球氣候條約。從你的角度來看，這是地球工程更具吸引力或更可怕的事情之一。
然而，最可怕的事情可能是，如果我們不減少碳排放，而是建造一個冷卻遮陽傘——然後允許它失效，將會發生什麼。芝加哥大學的氣候建模師雷蒙德·T·皮埃爾亨伯特將這種情況稱為“達摩克利斯世界”。支撐 CO2 之劍的細硫酸鹽線必須年復一年地維持下去，並不斷注入越來越多的 SO2。如果它因戰爭、內亂或預算危機而斷裂，累積的 CO2 將在一瞬間使地球變暖，從而造成正是遮陽傘旨在預防的緊急情況，而且情況更糟。卡爾代拉也模擬了遮陽傘崩潰的情景，以及蒙特利爾康考迪亞大學的 H·達蒙·馬修斯；他們發現，地球可能會以每十年華氏 4 到 7 度的速度變暖，比今天變暖的速度快 10 倍。皮埃爾亨伯特認為，人類歷史並沒有讓我們相信我們能夠阻止這樣的災難。在他用來展示自己模擬結果的圖表上，地球工程停止且溫度飆升的點被標記為“羅馬淪陷”。
今天沒有人知道地球工程是否真的有意義。大多數工作人員都會同意，進一步研究現在是不可避免的——但他們對這種研究的態度各不相同。對於某些人，例如威格利來說，遮陽傘可能是一種合理的策略，可以為轉變為碳中效能源供應的長期勞動爭取時間。其他人則擔心這會消除人們努力工作的動力。“世界似乎終於意識到氣候變化的嚴重性，而這個精靈卻在這個時候從瓶子裡出來了，這真是非常不幸，”皮埃爾亨伯特最近在加利福尼亞大學聖巴巴拉分校卡弗裡理論物理研究所對聽眾說。“如果人們開始過早地將此視為後備立場，那麼這種技術可能會扼殺剛剛開始採取的旨在大幅度減少排放的行動，這存在巨大的風險。”
最終，這場辯論歸結為對人性的不同看法——以及科學約束人性的力量。“從科學上講，僅僅進行地球工程而不減少排放將是極其愚蠢的，”威格利說。“如果我們這樣做，我們就會陷入困境，人們會意識到海里已經沒有魚了。我們沒有那麼愚蠢。我們可以受到良好科學的指導。”
和許多其他人一樣，皮埃爾亨伯特持更悲觀的看法。他的 PowerPoint 幻燈片上的一個要點只是寫著：“我們完全有能力做蠢事。”
注：本文最初以“地球遮陽傘”為標題發表。
點選下圖檢視插圖
