從天空清除碳  

不久之前，人們似乎認為減少溫室氣體排放就足以拯救世界免受氣候變化的影響。用清潔能源取代化石燃料發電廠，提高汽車和建築物的效率，改用LED燈，少吃肉等等。即使是政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在2005年也認為，大幅削減排放和促進可再生能源看起來是解決問題的答案。但是，該策略並未按計劃奏效。全球排放量反而上升而不是下降。現在看來，即使到2050年將全球年度淨排放量降至零也不夠。

氣候專家認為，為了防止經濟和環境崩潰，我們現在還必須實現負排放。這樣做意味著每年從大氣中移除數十億噸二氧化碳。這就像在說我們不能再把垃圾扔出去——而且我們需要逐漸收回過去扔出去的垃圾。

根據德國墨卡託全球公域與氣候變化研究所的Jan C. Minx於2018年領導的一項研究，大規模的負排放已成為實現氣候變化目標的“生物物理學要求”。他和他的合著者在《環境研究快報》中警告說，如果世界希望將升溫幅度限制在1.5攝氏度以內，那麼弄清楚如何實現這一目標是“當務之急”。作為2016年《巴黎氣候協定》的一部分，地球上幾乎每個國家都認可了這一目標——並以“遠低於”2攝氏度作為後備方案。目前全球氣溫比工業化前水平高出約1攝氏度。但它正以每十年0.2攝氏度的速度上升。政府間氣候變化專門委員會在2018年10月的一份特別報告中警告說，如果我們希望避免超過1.5攝氏度，即大多數科學家認為如果我們希望或多或少地維持我們所知的生活方式所能承受的最高水平，我們只有12年的時間來採取行動。

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保持在該閾值以下需要特定的“碳預算”，即我們可以在不將升溫幅度推高到該溫度以上的情況下新增到大氣中的二氧化碳總量。Minx及其合作者表示，按照今天的排放量——每年約400億至500億噸——在1.5攝氏度的情景下，“可能只剩下五年的二氧化碳排放量”。（在本文的其餘部分，我們使用“噸”來表示“公噸”。）此後，每增加一噸都需要同等量的撤回。他的團隊估計，到2100年，世界需要從大氣中移除1500億噸至超過一萬億噸的二氧化碳——大約每年20億至160億噸，從2050年開始，本世紀晚些時候這個數字將顯著增加。

Minx和他的團隊指出，為了做到這一點，我們必須從2030年開始，也就是從現在起僅僅11年，每年開始建造“數百個”碳捕獲和儲存裝置。這可能意味著部署大型機器從空氣中提取二氧化碳，或者開發生物能源發電廠，這些發電廠燃燒樹木（在持續輪作中生長），並在一個設施中捕獲排放物，並將它們深埋地下永久埋葬。低技術選擇包括重新種植被砍伐的森林或擴大現有森林，改善農田和牧場土壤，使其能夠容納更多的碳，以及粉碎和散播某些可以吸收二氧化碳的岩石。

然而，大多數高科技碳捕獲方法仍處於開發的早期階段。它們需要鉅額投資，並且存在相當大的失敗風險，並會產生重大的副作用，包括與已經用於養活人類或為野生動物提供棲息地的土地競爭。

然而，大規模地進行碳捕獲似乎是我們唯一的選擇。華盛頓大學統計學家Adrian E. Raftery及其在2017年《自然氣候變化》雜誌上發表的一項研究的合作者研究了當前趨勢（不包括負排放技術），他們發現，到本世紀末，我們正朝著升溫3.2攝氏度的方向發展，升溫幅度在2攝氏度至4.9攝氏度之間。在隨後發表在《美國國家科學院院刊》上的一項研究中，德克薩斯A&M大學氣候科學家楊陽旭和一位同事將高於3攝氏度的升溫歸類為“災難性的”，將高於5攝氏度的升溫歸類為對“大多數[人類]人口構成生存威脅”。

那麼，讓我們假設本世紀需要一萬億噸的負排放——從2050年到2100年平均每年200億噸。每種方法可以佔到多大的份額，成本是多少？考慮到各種方法對某些資源（如土地）的競爭，追求的最佳組合是什麼？我們能否拿出政治意願來追求負排放——同時大幅削減我們當前的二氧化碳排放量？

淨化空氣

在冰島雷克雅未克郊外山麓的硬化熔岩巨石和苔蘚地上，一臺一車庫大小的機器將空氣吸入化學過濾器，從中提取二氧化碳。它由隔壁地熱發電廠的廢熱提供動力，並將捕獲的二氧化碳泵送到地下700多米處，在那裡，氣體與玄武岩發生反應並變成固體礦物。瑞士初創公司Climeworks稱該操作為世界上第一個直接空氣捕獲和儲存工廠。它每年封存少量50噸二氧化碳。

直接空氣捕獲和儲存可能是實現負排放最直接的途徑：風扇陣列將從空氣中收集二氧化碳並將其掩埋。科學情景預測，到本世紀末，這項技術每年可以移除100億至150億噸二氧化碳；一些專家認為，可能達到350億或400億噸。這種誘人的前景讓許多氣候科學家擔心這可能會構成道德風險：人們可能會認為他們現在可以推遲化石燃料減排，寄希望於未來的技術拯救。

另一項2018年發表在《環境研究快報》上的研究對移除方法進行了最全面的審查，對情況持更冷靜的看法。墨卡託研究所的Sabine Fuss和她的同事審查了成本、副作用、環境可持續性和其他因素，以預測七種主要移除方法的碳封存潛力。Fuss和她的合著者認為，到2050年，直接空氣捕獲的潛力僅為每年5億至50億噸——本世紀總計250億至2500億噸——成本為每噸100至300美元。作為參考，我們的汽車每年通常排放4.6噸二氧化碳。

世界資源研究所食品、森林和水專案部的James S. Mulligan表示，事實上，空氣捕獲“並非萬能藥”。“它不是閃閃發光的物體。它有點像一個粗糙的物體。但我們需要它。”一些研究人員聲稱，他們可以將成本降至每噸100美元以下。然而，如果大規模實現這一目標的時間線與太陽能從20世紀50年代的衛星應用發展到今天廣泛的市場滲透所花費的60多年時間類似，Minx表示“可能為時已晚”。

直接空氣捕獲也消耗大量能源。伍斯特理工學院化學工程教授Jennifer Wilcox表示，每年移除一百萬噸二氧化碳將需要一座300至500兆瓦的發電廠。如果那是一座燃煤電廠，它產生的排放量將超過它移除的排放量。如果電力來自太陽能或風力發電場，它將佔用大量土地，而這些土地可能已經被農業或自然所需求。當然，一百萬噸對於每年200億噸的目標來說只是杯水車薪。

現在建造這樣的工廠可能對於開發在更大的、更高效的規模上建造它們的訣竅至關重要。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室能源專案首席科學家Roger Aines表示：“但是，如果你今天花錢建造2000萬噸的直接空氣捕獲，那將是錯誤的。”“這將需要大量的太陽能和風能，如果你有那麼多的太陽能和風能，最好的辦法是將其接入電網並關閉一座燃煤電廠。”防止新的排放仍然是壓倒一切的優先事項。

修復方案組合

Fuss的研究並沒有簡單地將七種碳捕獲方法的潛力相加，因為其中一些方法爭奪相同的資源。例如，過多的植樹造林會佔用種植生物能源發電廠燃料所需的土地，而過多的生物能源可能會與直接空氣捕獲爭奪地下碳封存空間。氣候科學家表示，我們需要最佳化方法組合。

蘇格蘭阿伯丁大學土壤與全球變化教授Pete Smith表示，開始構建這種組合的一種方法是擴大“我們已經知道如何做的事情”。“我們知道如何植樹。我們知道如何恢復泥炭地，基本上是透過提高地下水位，”這樣泥炭就可以捕獲二氧化碳而不是排放二氧化碳。“我們知道如何提高土壤碳含量……激勵這些事情[相對]容易，並且可以立即完成。這將使我們走出一部分路程。”

以植樹造林為例。可悲的是，由於樹木被砍伐和焚燒，或者遭到破壞的森林退化，世界熱帶森林已成為二氧化碳排放源，而不是匯。要使森林重回負排放領域，首先需要在國際木材市場進行重大改革，該市場受到非法貿易的嚴重影響。除此之外，植樹造林的明顯場所是曾經為了農業或放牧而被砍伐，但由於生產力低下而被廢棄的土地。伍茲霍爾研究中心的Richard Houghton於2015年在《自然氣候變化》雜誌上領導的一項研究表明，如果資金充足，恢復500萬平方公里的此類土地每年可以封存37億噸二氧化碳。

自然保護協會森林碳科學高階主管、PNAS“自然氣候解決方案”研究的主要作者Bronson W. Griscom表示，將所有曾經是森林的牲畜放牧土地重新變成森林，每年可以產生多達100億噸的負排放。這佔每年所需二氧化碳回收量的很大一部分。但此舉將需要全球轉向不吃肉，這與目前的趨勢相反。

Fuss和她的合著者預測的潛力更為溫和。樹木有生有死，這意味著它們現在會儲存碳，但在本世紀或下個世紀會再次釋放碳。隨著森林成熟，生長速度減慢，二氧化碳的封存量也可能會下降。野火、森林砍伐和氣候變化增加了風險。即便如此，在直接空氣捕獲或其他技術擴大規模的同時，森林擴張可以提供關鍵的權宜之計。Fuss認為，到本世紀中葉，森林擴張每年可以減少5億至36億噸的二氧化碳排放量。這可以在我們本世紀一萬億噸的目標中減少250億至1800億噸，成本為每噸5至50美元。

更好的管理可以提高收益。例如，Griscom指出，美國東南部的樹木種植園管理者明知故犯地在火炬松樹達到最佳產量前幾年就收割它們。允許他們出售碳信用額以彌補額外的生長年限可能會將收割推遲到最佳年齡，從而增加更多的木材和更多的碳儲存。

同樣，在牧場中種植固氮植物並轉向更智慧的牧場輪作系統可以提高放牧生產力，同時改善土壤中的碳儲存。Fuss保守估計，土壤固碳量的增加每年可產生多達53億噸的碳封存量——本世紀為2650億噸——成本為每噸0至100美元。

這將是生物炭之外的額外收益。在這種碳去除形式中，一種特殊的爐子在缺氧的情況下對生物質施加熱量，將其變成木炭形式，併產生有用的副產品，如生物油或合成氣。當木炭施用於農田時，它可以將碳結合在土壤中，並可以提高作物產量。但目前還沒有人嘗試大規模部署生物炭。Fuss和她的合著者認為，生物炭可能每年減少3億至20億噸的二氧化碳排放量，成本為每噸90至120美元。本世紀總計為150億至1000億噸。

另一種基於土地的方法被稱為生物能源與碳捕獲和儲存，簡稱BECCS。許多國家為實現其《巴黎協定》承諾而制定的早期計劃都依賴於此，但它極具爭議性。發電廠燃燒木材、農業廢棄物或其他生物質，如柳枝稷。這些來源在生長或積累過程中會從大氣中吸收二氧化碳。燃燒會再次釋放二氧化碳，而發電廠會從煙囪中重新捕獲二氧化碳，並將其輸送到深層地質構造中進行永久儲存。但是，一些支持者建議的大規模生物燃料生產植樹造林可能會佔用世界上大部分可耕地，威脅糧食生產和自然保護，以及其他方法（如植樹造林或土壤固碳）的二氧化碳去除。至少在當前技術下，從煙囪中提取排放物也會大大降低發電廠的效率。因此，Fuss認為BECCS的可持續產量僅為每年20億噸，遠低於其他研究人員的預測，成本為每噸100至200美元。Fuss的估計表明，到2100年，BECCS將減少1000億噸的負排放。

現在正在考慮另外兩種碳捕獲方法。增強風化作用利用了一種自然過程：空氣中的二氧化碳在暴露於某些型別的碎巖時會轉化為碳酸鹽。問題是研究人員是否能找到一種經濟地將合適的岩石研磨成粉末狀的方法，以加速自然過程。Fuss認為，增強風化作用的潛力為每年20億至40億噸，成本為每噸50至200美元。她的團隊得出結論，海洋施肥——在海洋中撒播鐵或其他營養物質以刺激藻類和其他浮游生物的生長，從而吸收二氧化碳——效率太低且壽命太短，不足以證明對生態系統的潛在不利影響是合理的。他們寫道，這“不是一種可行的負排放策略”。

利潤而非成本

這種計算結果將我們帶向何方？Fuss研究中的範圍加起來最少為1500億噸，最多為略高於一萬億噸（到2100年）。後一個數字聽起來好像解決了我們的問題。但我們不能簡單地將這些數字相加，因為各種方法之間存在衝突。Fuss表示，我們能做的是管理投資組合，以利用有利的重疊。例如，增強風化作用可以部署在用於種植BECCS生物質的同一片土地上。

科學家認為，所有這些方法都需要對研發進行大規模投資。勞倫斯利弗莫爾的Aines表示：“這將是一場漫長而艱苦的戰鬥。”但各國政府一直不願為負排放技術買單，因為在意識形態上抵制“挑選贏家”，而且過去的一些投資是臭名昭著的失敗案例。例如，美國能源部在旨在使“清潔煤”發電成為現實的碳捕獲專案上花費了鉅額資金。南方公司在2017年放棄了最新的嘗試，在花費75億美元后，將密西西比州肯珀縣的清潔煤電廠改用天然氣。

碳稅將透過對排放徵收成本——對向大氣中排放垃圾徵收成本——來繞過挑選贏家的問題。這將創造市場動力，既可以減少當前的排放，又可以稍後收回過去的排放。英國徵收了這樣的稅，目前約為每噸25美元，主要針對化石燃料發電廠，僅在2015年至2016年間就將煤炭排放量減少了一半。然而，大多數政府都對此望而卻步，認為對於建立在化石燃料基礎上的經濟體來說，徵稅過於激進。

除了少數例外，企業也不願意投資二氧化碳去除技術，因為直到最近，他們還沒有看到市場。對他們來說，解決氣候問題是一項公共利益，而不是他們可以從中獲利的。但這可能會因為美國國會在2018年初批准的一項出人意料的兩黨稅收激勵方案而發生改變。所謂的45Q法案大幅提高了公司在未來12年內可以申請的稅收抵免，不僅針對捕獲二氧化碳並將其封存在地下（稅收抵免高達每噸50美元），還針對以各種方式使用二氧化碳。

最具爭議的用途是“提高石油採收率”。一家石油公司購買二氧化碳，透過管道運輸並注入到枯竭的油井中，將透過傳統手段無法開採的額外石油擠出。一種涉及生產更多化石燃料的氣候變化解決方案聽起來可能很奧威爾式，一些環境批評家抨擊45Q只是另一種偽裝的化石燃料補貼計劃。但提高石油採收率似乎可以減少當前的排放，因為捕獲的二氧化碳（通常來自天然氣或乙醇煉油廠）會被封存在地下。一些環保主義者，如清潔空氣任務小組的Kurt Waltzer認為，將碳捕獲轉變為能源技術，而不是排放技術，是實現二氧化碳去除廣泛商業應用的​​第一步。它將重新捕獲的二氧化碳變成可以買賣的產品，而不僅僅是要忍受的成本。這可能是最終實現負排放的關鍵。

開始行動的時候到了

碳捕獲方法、稅收和市場的組合能否幫助我們實現到2100年一萬億噸的目標？2018年和2019年破紀錄的高溫可能是一個轉折點。美國西部燃起了熊熊大火。四大洲的人們經歷了嚴重的熱浪。在日本，僅在一週內就有數千名中暑患者被送往醫院。即使是北極也經歷了重大熱浪，亞馬遜森林有3500平方英里被燒燬，天空籠罩在聖保羅上空。氣候科學家擺脫了謹慎的措辭，並在《PNAS》中警告說，進一步升溫可能會使地球陷入“溫室地球……很可能無法控制，對許多人來說是危險的”。為了使這一資訊更加有力，波茨坦氣候影響研究所名譽所長Hans Joachim Schellnhuber告訴記者，連鎖反應可能導致地球只能養活10億人口，而今天的人口為75億。

即使在今天，對於一些政治領導人來說，氣候變化似乎仍然籠罩在不確定性之中，儘管有壓倒性的證據表明氣候變化是我們嚴峻的現在和更加嚴峻的未來。負排放技術令人不安之處在於，即使對於科學家自己來說，很多事情似乎仍然不確定。弗吉尼亞大學生態學家Stephanie Roe在談到土壤碳增強時說：“每個人都在談論這取決於基質是什麼，你所在的地區在世界的哪個地方，那裡的降雨量是多少，溫度是多少。”同樣，隨著災難性的野火在澳大利亞肆虐，森林中的碳封存開始看起來遠沒有那麼確定。

研究人員還陷入了關於任何碳去除方法（更不用說所有方法）是否可以擴大到每年數十億噸的規模的爭論中。明尼阿波利斯大平原研究所的Brendan Jordan表示：“關於最終規模的爭論可能有點過於關注。”“我擔心這會讓我們陷入癱瘓，而我們真的無法承受癱瘓。”也就是說，我們需要開始實現負排放，儘管存在不確定性，因為與一個氣候變化搶椅子的遊戲停止，並且沒有65億人坐下的世界相比，這些不確定性是微不足道的。