在2023年2月12日一個清爽的下午，兩名男子將一輛溫尼巴哥房車停在內華達州里諾市郊外的一片田野旁。他們點燃了一個行動式烤架，燒烤了一拳頭大小的黃色硫磺粉末，產生了一股穩定的無色二氧化硫（SO2）氣體。空氣中瀰漫著臭雞蛋的氣味，他們用工業吸塵器將氣體泵入一個直徑約有一把沙灘傘大小的氣球中。然後，他們在氣球中加入了足夠的氦氣使其升空，連線了一個攝像頭和GPS感測器，並將其釋放到空中。在接下來的幾個小時裡，他們追蹤著氣球，看著它上升到平流層，並向西南方向漂移，越過內華達山脈，然後爆裂，釋放出其氣體內容物。這個裝置墜落到加利福尼亞州斯托克頓附近的一片牛 pasture 中。
這個氣球只釋放了幾克二氧化硫，但這一行為大膽地展示了長期以來被認為是禁忌的事情——向平流層注入氣體以減緩全球變暖。一旦釋放，二氧化硫與水蒸氣反應形成液滴，這些液滴懸浮在空氣中——一種氣溶膠——並充當微小的鏡子，將入射的陽光反射回太空。太陽地球工程公司 Make Sunsets 的創始人盧克·艾斯曼和安德魯·宋已向公司和個人出售“冷卻信用”；10 美元的購買將資助釋放一克二氧化硫，他們說這將抵消一噸大氣二氧化碳一年的變暖效應。他們原計劃在墨西哥發射，但在墨西哥政府禁止他們後，轉到了美國。
許多人對太陽地球工程，或通常所說的太陽輻射管理（SRM）的概念感到反感。人類應該嘗試透過進一步干預來修復他們已經搞亂的大氣層的想法似乎充滿了危險——一種勢必會適得其反的浮士德式傲慢行為。但隨著人類不太可能足夠快地減少排放以將全球變暖控制在 1.5 攝氏度以下變得越來越明顯，一些科學家表示，SRM 可能不如讓變暖持續下去那麼可怕。即使關於它們的爭論變得越來越激烈，冷卻地球的提議也變得越來越具體。
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SRM 複製了大型火山爆發產生的自然現象。當皮納圖博火山於 1991 年在菲律賓爆發時，它向平流層噴射了 2000 萬噸二氧化硫，形成了一個“氣溶膠陽傘”，在接下來的一年左右的時間裡，地球降溫了約 0.5 攝氏度，然後液滴沉降回地球。研究表明，如果以足夠的規模部署 SRM——也許每年相當於四分之一的皮納圖博火山爆發，足以阻擋 1% 或 2% 的陽光——它可以減緩變暖，甚至使地球略微降溫。它的效果將在幾個月內感受到，每年的成本僅為數十億美元。相比之下，擺脫化石燃料預計需要幾十年時間，而在此期間排放的二氧化碳可能會使變暖更加嚴重。使用機器從空中去除數十億噸二氧化碳（這一過程稱為直接空氣捕獲）可以減緩變暖，但會與自身作鬥爭——這些機器可能會使世界能源消耗增加高達 25%，從而可能產生更多的溫室氣體排放。由於 SRM 可以快速產生效果，因此它具有政治吸引力。卡內基科學研究所的氣候科學家榮譽退休教授肯·卡爾代拉說，這是“政治領導人可以做的唯一一件可以在其任期內對氣溫產生明顯影響的事情”，他同時也是比爾·蓋茨創立的組織 Breakthrough Energy 的高階科學家。
卡爾代拉和其他人表示，應該極其謹慎地推行 SRM——如果一定要推行的話。它可能會明顯地使我們湛藍的天空變白。它可能會削弱保護我們和地球生物圈免受紫外線輻射的平流層臭氧層。它可能會改變天氣模式，並移動為數十億人灌溉農作物的季風。而且它無助於解決其他與二氧化碳相關的問題，例如海洋酸化，海洋酸化正在損害珊瑚、貝類和一些浮游生物形成骨骼和外殼的能力。
批評者還表示，SRM 這種“逃生艙口”的想法可能會削弱對減少溫室氣體排放的支援。就像處方藥一樣，如果 SRM 使用得當——臨時且小劑量——它可能是有益的，可以緩解可能出現的危險高溫一兩個世紀，併為人類爭取更多時間過渡到可再生能源。但它也可能被濫用。在高劑量下，它可能會越來越扭曲氣候，改變天氣模式，使國家與國家對立，甚至可能導致戰爭。
由於所有這些原因，超過 400 名科學家簽署了一封公開信，敦促各國政府在全球範圍內禁止 SRM 實驗。但其他科學家仍在繼續進行研究，即使他們不情願。“我認識的所有從事這項研究的科學家——他們都不想從事這項研究，”羅格斯大學的氣候學家艾倫·羅布克說。羅布克曾向世界展示核冬天將如何籠罩地球，出於一種責任感研究 SRM。“如果有人將來想嘗試這樣做，”他說，“他們應該知道後果是什麼。”
圖片來源：露西·裡丁-伊坎達
支援試驗的專家指出，不受控制的變暖同樣會產生重大影響。在最近的一份報告中，世界氣象組織估計，到 2027 年，世界年平均氣溫有 66% 的可能性會短暫超過工業化前水平 1.5 攝氏度——這是一個危險的閾值，超過這個閾值就會對環境造成極端破壞。2023 年 2 月 27 日，在艾斯曼和宋將燒烤過的硫磺送入天空幾天後，包括氣候變化先驅詹姆斯·漢森在內的 110 位氣候科學家發表了另一封公開信，敦促政府支援 SRM 研究。第二天，聯合國呼籲制定國際法規，為實驗鋪平道路。6 月，拜登政府釋出了一份報告，概述了 SRM 研究計劃的可能面貌。
芝加哥大學氣候系統工程負責人大衛·基思說，即使 SRM 降低了平均氣溫，它也不會將氣候恢復到工業化前的狀態，他研究這個想法已經超過二十年了。但這可以減輕我們即將遭受的傷害。
人類可以出於自身目的改變地球大氣層的想法由來已久。1962 年，美國軍方啟動了“憤怒風暴計劃”，試圖透過向颶風雲層中播撒碘化銀顆粒來減弱颶風。從 1967 年到 1972 年，美國空軍在越南和寮國嘗試了天氣控制戰；在一項高度機密的行動“大力水手行動”中，多架飛機每天執行任務，向季風雲層噴灑鉛和碘化銀粉末。目的是增加降雨量，這將使粗糙道路網路胡志明小道泥濘不堪，從而中斷越共的補給線。
幾乎在科學家們意識到二氧化碳升高會導致地球變暖後不久，他們中的一些人就提出使地球更具反射性以抵消這種影響。1965 年，科學家向林登·B·約翰遜總統報告說，可以透過在海洋上散佈反射性顆粒來解決二氧化碳升高引起的變暖問題。1974 年，俄羅斯氣候學家米哈伊爾·布迪科建議，透過飛機或火箭向平流層注入二氧化硫可以反射陽光。他寫道，這項技術“應毫不拖延地開發”。也許令人驚訝的是，這些提議不包括減少排放的想法。
在接下來的二十年裡，行星尺度工程的想法並沒有獲得太多關注。當加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的工程師、 “星球大戰”導彈防禦系統的早期倡導者洛厄爾·伍德在 1998 年阿斯彭全球變化研究所會議上站起來吹捧平流層氣溶膠的冷卻效果時，反響冷淡。“肯 [卡爾代拉] 和我站在後屋裡，幾乎對他大喊大叫，”基思回憶道。他“完全誇大了它的效果”。他們的懷疑基於簡單的邏輯：二氧化碳透過吸收來自地球的長波輻射，全年、日夜均勻地加熱地球，從赤道到兩極，而陽光主要在較低緯度加熱地球，在夏季和白天效果更強。卡爾代拉說，他們認為削弱陽光會不均勻地冷卻地球。“你在赤道地區會獲得更多的冷卻，”夏季的冷卻更多，而在兩極的冷卻更少。
卡爾代拉回到他也在工作的利弗莫爾，並說服那裡的氣候科學家戈文達薩米·巴拉使用複雜的計算機模型來測試這個想法。該模型將入射陽光減少了 1.7%——足以抵消二氧化碳水平是工業化前水平兩倍所產生的變暖效應。“它的效果比我們預期的要好得多，”卡爾代拉說。2000 年發表的結果表明，SRM 仍然會使熱帶地區比兩極地區冷卻得更多，並且在夏季比冬季產生更大的差異，但總體而言，全球範圍內的冷卻將比巴拉、卡爾代拉和基思想象的要均勻得多。
包括羅布克在內的研究人員聯盟後來在十幾個不同的氣候模型中複製了巴拉的結果。但他們 2013 年的發現揭示了一個危險訊號。隨著平流層氣溶膠濃度的增加，冷卻變得越來越不均勻，氣候也變得更加扭曲。如果使用平流層氣溶膠來抵消二氧化碳水平增加四倍造成的平均變暖，熱帶地區將比工業化前時期低 0.3 攝氏度，但極地地區仍將高 0.8 攝氏度。永久凍土和海冰可能無法完全恢復，這意味著我們將無法扭轉氣候變化的一些最具破壞性的影響。
巴拉發現了另一個令人擔憂的細節：平流層氣溶膠可能會減少降雨和降雪。研究人員知道，變暖會增加水的蒸發，從而導致更多的降水，因此有理由認為反之亦然。但巴拉發現，削弱陽光可能會比降低溫度更多地減少降雨量。這是因為阻擋陽光，同時保持高二氧化碳水平，會稍微降低水蒸氣形成雲的趨勢。對 12 個模型的模擬預測，如果使用 SRM 完全抵消二氧化碳增加四倍造成的變暖，與工業化前時期相比，熱帶地區的某些地區每年的降雨量將減少 5% 到 7%，這可能會損害農作物或熱帶森林。
這和其他觀察結果促使基思和他的同事建議採用低劑量 SRM 方法，其中平流層氣溶膠注入將暫時用於減少氣候變化的影響，為各國爭取時間減少溫室氣體排放並從大氣中吸收（或“捕獲”）二氧化碳。
基思在 2018 年與康奈爾大學的氣候科學家道格拉斯·麥克馬丁和斯克裡普斯海洋研究所的凱瑟琳·裡克合著的一篇論文中概述了這種情況。他們設想了一個世界，在這個世界中，溫室氣體排放量減少，碳捕獲得到部署，以便二氧化碳在 2070 年達到略高於工業化前濃度兩倍的峰值，然後開始緩慢下降。這將導致大約 3 攝氏度的變暖——非常多。為了將變暖限制在 1.5 攝氏度，平流層氣溶膠注入將在 2030 年左右開始，並緩慢增加。注入將在 2070 年達到頂峰，然後緩慢減少，並在大約兩個世紀後停止，屆時二氧化碳水平已充分下降。倫敦大學學院的氣候科學家彼得·歐文透過 13 個模型運行了這種情況。2019 年發表在《自然·氣候變化》上的結果表明，在二氧化碳濃度達到峰值的時期，平流層氣溶膠將減少變暖並減輕地球 99.6% 無冰陸地表面的極端降水（包括乾旱和洪澇）。
最終可能會開發出其他 SRM 方法來平衡冷卻效果。海洋雲增亮將涉及將海鹽噴射到 1000 米的空中，以促進雲滴的形成，從而增加海洋某些地區低層雲的反射率。在捲雲變薄中，碘化銀顆粒將被噴射到 4,500 至 9,000 米高度的雲層中，擴大這些雲層中的冰晶，使其從空中落下。剩餘的、更薄的捲雲將允許更多來自地球的長波輻射逃逸到太空。華盛頓大學研究海洋雲增亮的 атмосферный 科學家莎拉·多爾蒂說，這兩種方法都比注入二氧化硫具有更區域性的效果，因此有可能有選擇地部署它們以平衡平流層氣溶膠的影響。“最終可能會發現，每種方法都做一點[方法]將使您能夠最大限度地提高收益並最大限度地降低風險，”她說。
圖片來源：露西·裡丁-伊坎達
平流層氣溶膠注入是研究最深入的太陽地球工程方法，也是最接近部署的方法。但要使其發揮作用，需要克服重大挑戰。20 公里高空的大氣層既不像地球，也不像太空。在那個高度，大約是商用飛機飛行高度的兩倍，氣壓僅為我們在地面上享受的氣壓的 5%——低到足以使人嘴和肺中的液體自發沸騰。飛機機翼的升力微乎其微。全球只有少數幾架研究飛機可以在如此稀薄的空氣中執行。最著名的是 NASA 的 ER-2，它是 U-2 間諜飛機的衍生機型，機身很小，機翼細長而超大。它由一名必須像宇航員一樣穿全套加壓服的人駕駛。它攜帶的貨物不到兩公噸。
在過去的 50 年裡，ER-2 飛機執行了 4,500 多次研究任務，對平流層中的氣溶膠和氣體進行了取樣。它們改進了我們對臭氧如何被破壞的理解。它們飛越了火山爆發的羽流。它們還幫助建立了 SRM 所基於的科學基礎。但這些高空信天翁永遠無法攜帶數噸二氧化硫。
耶魯大學環境學院前航空業高管、氣候研究員韋克·史密斯說，能夠勝任這項工作的飛機可以使用現有技術在很大程度上開發出來。自 2017 年以來，史密斯完善了一種六引擎飛機的概念，該飛機大致基於 B-47 同溫層噴氣式飛機，這是一種 20 世紀 40 年代設計的美國空軍高空飛行器，用於將核彈運送到蘇聯境內深處。史密斯的平流層氣溶膠注入升降機每次飛行可將 15.7 噸氣溶膠提升到 20 公里的高度。根據所需的 SRM 量，史密斯設想到 2100 年，每天將有 90 到 900 架飛機執行任務。建造第一架飛機可能需要 7 到 10 年；建造一支機隊可能需要 20 年。
史密斯估計，一旦飛機建成，該計劃每年可能花費 180 億美元，每攝氏度冷卻。與每年需要花費數千億美元從大氣中去除數十億噸二氧化碳相比，這只是一個小數目。但與碳去除相比，SRM 更有可能造成噩夢般的意外後果。任何國家進行的平流層注入都會影響全球。如果操作不當，它們可能會擾亂天氣模式和數十億人的生活。
很大一部分人類依賴於被稱為熱帶輻合帶的雷暴和降雨帶。該區域橫跨地球周圍的赤道，並隨著季節變化向北或向南移動多達 2,500 公里，始終被拉向較溫暖的半球。它的移動產生了季風，季風每年夏天都會到達印度、東南亞、非洲和其他地區，每年降水量超過 45,000 立方公里，僅在南亞就維持了 15 億人的農作物。
圖片來源：露西·裡丁-伊坎達
2008 年，在利弗莫爾首次在模型中測試 SRM 的科學家巴拉搬到了班加羅爾的印度科學研究所，開始研究人類活動可能如何影響該國的季風。他的模擬表明，如果在赤道注入氣溶膠，它們將蔓延到南北半球，對季風模式幾乎沒有影響。但有些人提出了一項極地戰略，即在高北緯地區注入氣溶膠，以減緩北極快速變暖，而不會使熱帶地區過度冷卻。巴拉說，這項善意的提議將對印度季風產生“巨大影響”。他 2022 年釋出的最新計算表明，如果在北緯 30 度進行足以使地球降溫 1.5 攝氏度的注入，季風帶可能會向南移動約 150 公里，從而使印度的夏季降雨量減少多達 29%，並威脅到農作物。
巴拉的研究表明，平流層氣溶膠注入絕不是區域性的；它不可避免地具有深遠的影響。2021 年，裡克模擬了印度洋上空的氣溶膠注入，目的是增加降雨量並扭轉北非半乾旱薩赫勒地區長期存在的乾旱。干預只是將乾旱轉移到了東非的另一組國家。另一項 2022 年的模型研究表明，平流層氣溶膠可能會將瘧疾的負擔從東非的高地地區轉移到南亞和撒哈拉以南非洲的低地地區。一些目前寄生蟲繁殖的地區會變得太冷而不適合寄生蟲生存；其他目前太熱的地方會冷卻到足以讓寄生蟲紮根。南非開普敦大學的生態學家克里斯托弗·特里索斯說，這些風險的巨大轉移可能會損害“在我們談論地球工程時經常被排除在外的國家”，他共同領導了瘧疾研究。
裡克說，由於所有這些原因，SRM 研究處於“非常危險的境地”。大多數研究都假設它將以國際協調的方式進行，但她說模型師也應該研究隨意進行注入的情況。SRM 的成本相對較低意味著許多國家都負擔得起。“我認為有人會嘗試這樣做是不可避免的，”裡克說。
想象一下一個噩夢般的場景，在這個場景中，各個國家為了應對熱浪、火災或洪水，開始單方面注入氣溶膠。想象一下，俄羅斯發起高緯度注入以冷卻其北極地區。這一行動將把季風帶向南推，剝奪印度、泰國和越南的關鍵降雨。它也可能將暴雨向南轉移到巴西，引發洪水。如果這些國家透過開始自己的注入來減少降雨量，那麼平流層可能會出現危險的升級。一個國家甚至可能摧毀另一個國家的 SRM 飛機，導致變暖突然反彈，甚至可能引發戰爭。
支援 SRM 的人指出，研究表明它可以經濟實惠地減少極端氣候。批評者指出，研究表明它可能造成的破壞。但試圖預測影響的科學家會承認，這些預測中的大多數都包含巨大的不確定性。不確定性始於所使用的模型。儘管 SRM 在十幾個氣候模型中都顯示出一致的結果，但這並不是因為各種各樣的方法正在趨同於相同的答案。基思說，這是因為“我們有太多人在執行相似的氣候模型”。如果一個模型背後的假設是錯誤的，那麼所有模型都可能是錯誤的。
用於預測 SRM 影響的模型包含數十個變數，這些變數代表從氣溶膠液滴的化學反應性到其大小的物理引數。變數的微小變化可能會產生廣泛的後果。例如，直徑為一到兩個微米（小於紅細胞）的液滴應該最有效地反射陽光，因為它的直徑接近大多數入射太陽輻射的波長。較大的液滴不僅效果較差，它們實際上還可能透過吸收來自地球表面的長波輻射而導致變暖，否則這些長波輻射會逃逸到太空。另一個關鍵變數是液滴引起破壞臭氧的化學反應的速率。當研究人員試圖預測平流層注入的影響時，他們會插入他們對這些變數的最佳估計值。問題在於大多數研究都使用類似的估計值。“最大的問題，”基思說，“是，我們錯了嗎？”
為了解決這種不確定性，基思建議執行大型“集合”——同一模型的數百個不同版本，在這些版本中插入了不同的數字組合。科學家們僅對 SRM 效應進行了少量此類研究。基思希望在芝加哥大學監督更多的集合工作。這項研究產生的氣候結果範圍隨後可以插入到預測 SRM 如何影響作物產量、森林火災、風暴或瘧疾和其他疾病傳播的模型中。
然而，無論科學家執行多少大型集合，在 SRM 在現實世界中進行測試（並且在比兩個人放飛裡諾郊外的氣球更大的規模上進行測試）之前，都不可能知道 SRM 將如何工作。2011 年，基思和卡爾代拉發表了一份分析報告，表明有意義的平流層注入試驗將需要十年時間。每年必須注入數十萬噸二氧化硫——理論上足以逆轉工業化前二氧化碳水平翻倍造成的 10% 的變暖。換句話說，最低限度的可行實驗“將與部署無法區分”，卡爾代拉說。
較小的實驗可以減少模型中的不確定性。例如，科學家可以透過建造注入裝置並使用它向平流層釋放從幾公斤到幾公噸二氧化硫的物質，從而更好地瞭解注入裝置。這項工作可以揭示噴射出的液滴在空中是否保持相同的大小、有關化學反應的細節以及它們對臭氧的影響。事實上，自 20 世紀 60 年代以來，科學家們一直在進行類似的研究，向平流層釋放示蹤劑，例如硫化鋅粉末或六氟化硫氣體，以研究氣流。
但是，當研究主題是 SRM 時，即使是小型實驗的障礙也變得極端。2021 年初，基思和哈佛大學的大氣化學家弗蘭克·科伊奇正在計劃首次 SRM 現場試驗。平流層受控擾動實驗 (SCoPEx) 旨在模擬平流層飛機釋放的氣溶膠軌跡。一個自推進氣球將上升 20 公里，在其螺旋槳尾跡中釋放半公斤硫酸鹽，然後飛回氣溶膠軌跡以監測其演變過程。該實驗僅釋放商業跨大西洋航班排放量的 0.3%。研究人員計劃於 2021 年 6 月在瑞典北部進行首次發射，僅用於測試裝置，而不釋放任何氣體。但從未發生。
2021 年 2 月，薩米議會（一個代表該地區土著馴鹿牧民的團體）向瑞典政府抗議，稱他們沒有被告知在其領空進行的測試。他們與瑞典綠色和平組織和其他幾個環保組織一起，說服政府取消了該測試。麥克馬丁說，抗議活動與測試的環境影響無關。他說，發生的事情是，“關於‘哦，我的上帝，我們甚至想走這條路嗎？’的整個對話都被貼在了那個實驗上。”
許多 SRM 反對者希望徹底禁止實驗。然而，一些科學家仍在繼續這項研究，因為他們認為這是負責任的做法。“最應該提倡實驗的人是那些認為會發生壞事的人，”卡爾代拉說。“現在有人可以做的最有價值的實驗是[表明]會產生非常可怕的後果的實驗。”而且，如果 SRM 要進行研究，甚至可能要推出，最好儘早且更逐步地開始，以便可以理解缺點。具有諷刺意味的是，如果 SRM 推遲到氣候影響變得極端時才進行，可能會獲得更多的公眾支援，但在那時，它將不得不緊急且迅速地進行。“在政治風險和環境風險之間存在真正的錯配，”卡爾代拉說。
凱利·萬瑟說，即使是小型實驗也需要政府資助和監管的合法性。她是 Silver Lining 的執行董事，Silver Lining 是一個非營利組織，該組織正在鼓勵國家科學基金會和其他政府機構為 SRM 研究建立資金，並制定規則，明確規定如何以及何時可以進行實驗。裡克說，科學家們會喜歡這種治理方式。畢竟，它長期以來一直存在於其他敏感科學領域，例如人體醫學研究，並提高了這些研究的質量。目標是建立一個國際機構，類似於政府間氣候變化專門委員會，該機構將在考慮富裕國家和貧窮國家的利益的同時，確定研究優先事項。裡克說，在沒有這種結構的情況下，合法的科學就無法進步，“流氓活動開始出現”。
在裡諾氣球釋放兩個月後，4 月 10 日，艾斯曼和宋訪問了加利福尼亞州伯克利碼頭，發射了另外三個平流層氣球，這些氣球由客戶購買的 2,840 美元冷卻信用資助。“一架 747 在幾分鐘內就會排放這麼多，”艾斯曼右手高舉第一個氣球時說，背景是波光粼粼的舊金山灣，一個攝製組正在拍攝。然後他放開了氣球。幾天後，這兩名男子參加了在舊金山舉行的地球日活動，在那裡他們幫助孩子們發射了自己的小氣球，這些氣球塗有粉筆灰，可以霧化。“我們的目標，”艾斯曼說，“是培養 1,000 名新的地球工程師。”
編者注（2023 年 10 月 27 日）：描繪熱帶輻合帶和信風的圖表在釋出後進行了編輯，以糾正被稱為費雷爾環流的中緯度大氣環流單元的方向。文章的文字此前已於 9 月 26 日進行了修訂，以更好地闡明凱瑟琳·裡克關於太陽輻射管理研究處於危險境地的評論的描述。