2.25知識分子The Intellectual太陽地球工程也許可以為能源係統轉型等根本性措施爭取時間 但也同時存在諸多風險和不確定性| 圖源[2]導 讀2022年1月 太陽地球工程：地球的鎮痛劑？ - 趣味新聞網

2.25 知識分子 The Intellectual

太陽地球工程也許可以為能源係統轉型等根本性措施爭取時間，但也同時存在諸多風險和不確定性 | 圖源[2]

導 讀

2022年1月，湯加洪阿哈阿帕伊島的海底火山發生劇烈噴發，牽動公眾心緒，這類大規模的火山噴發會給地球氣候造成顯著影響。與此同時，這些氣候影響也給大氣科學傢們提供瞭靈感，促使他們提齣瞭一種極為大膽的應對氣候危機的輔助手段： 太陽地球工程 。這種輔助手段也許可以為能源係統轉型等根本性措施爭取時間，但也同時存在諸多風險和不確定性。本文將以平流層氣溶膠播撒為主綫，展開探討太陽地球工程的用途，爭議，風險，不確定性，以及全球科研現狀。

撰文 | 李��緯 代禎

責編 | 馮灝

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想象幾十年後的某一天，人類已不堪氣候變化的種種悲劇性影響：南北極的冰川大規模融化，海平麵上升，一眾島國和沿海城市岌岌可危，乾旱、暴雨、台風等極端天氣在不同地區頻繁發生，熊熊燃燒的山火越發肆虐…… 地球係統瀕臨崩潰。

為瞭避免這樣可能的悲劇場景，科學傢們正在探索給地球使用一種暫時性的 “鎮痛劑”，以給根本性的 “治療手段” ――溫室氣體減排――爭取更多時間。

這種 “鎮痛劑” 可以減少到達地球錶麵的太陽光：它由人為在平流層區域（距離地麵約20公裏的高空）播撒的數百萬噸微小顆粒組成；這些籠罩著地球的顆粒物會將一部分太陽光反射迴太空，從而降低地球的溫度。

在距離地麵20公裏的高空，模擬火山爆發後的場景？雖然這聽起來仿佛科幻小說，卻是現實中中國、美國、英國、德國、日本等多國科學傢都在探索的工程方案。這些被統稱為 “太陽地球工程（solar geoengineering）” 的提議與鎮痛類藥物相似，或可助力人類渡過嚮溫室氣體淨零排放（碳中和）的痛苦轉型，卻也存在副作用和被濫用的極大風險。

1

因爭議而擱置的平流層擾動實驗

為瞭研究這種 “地球鎮痛劑” 的效果及其副作用，自2017年開始，哈佛大學的研究人員啓動瞭一個科研項目：平流層受控擾動實驗（SCoPEx）[1]。SCoPEx希望實地測量與太陽地球工程相關的平流層顆粒物，為計算機模擬研究提供關鍵的實驗參數。

計算機模擬研究是評估太陽地球工程風險和收益的主要手段；但由於目前對相關平流層顆粒物在微物理和大氣化學性質方麵的認識非常有限，這些計算機模擬結果存在非常大的不確定性。ScoPEx項目希望通過實地測量改變這一現狀――精確探索人為播撒的極少量顆粒物如何與平流層背景空氣、太陽輻射以及地錶紅外輻射相互作用。

也就是說，SCoPEx並不是對太陽地球工程本身的測試，而是針對太陽地球工程（更確切地說，其中的平流層氣溶膠播撒）內在機理的可行性和潛在危害探討。

圖1 平流層受控擾動實驗SCoPEx概念圖 | 圖源[2]

SCoPEx實驗的核心是一個高空氣球，氣球吊載著裝配有螺鏇槳和一係列科學儀器的吊艙。螺鏇槳有兩個功能：一，螺鏇槳運動時産生的尾流會在平流層實驗區域形成一個混閤良好的區域（長約1公裏，直徑約100米），其他儀器可以在這個區域內播撒相關的顆粒物；二，螺鏇槳可以將吊艙運送到區域內的不同位置，以測量播撒的顆粒物的特性。

吊艙在運動時速度可以達到每秒幾米，完整測量一次1公裏長的擾動氣團大約需要十分鍾。因此，高空氣球的優勢在於，通過它可以人為創造少量受控的平流層空氣，並在24小時內多次觀察擾動氣團的演變。（如果使用的是飛機而不是氣球，實驗將無法實現如此小的擾動體積，也無法長時間觀察它的演變。）

氣球成功達到距離地麵20公裏左右的平流層後，伴隨著螺鏇槳的運動，儀器將釋放齣非常少量的顆粒物（小於2韆剋，碳酸鈣顆粒等無毒害的礦物質，曾考慮水滴顆粒物作為前期測試）[1]。這些顆粒物極其微小，也被稱為氣溶膠。隨後，吊艙上配備的其他儀器將測量擾動氣團的變化，包括氣溶膠密度、氣溶膠光學性質，以及氣溶膠在平流層上的化學過程等。

圖2 SCoPEx高空氣球運行示意圖 | 圖源[3] 本文作者有修改

該項目的研究人員錶示，測試不會對人員或環境造成危害：測試排放的顆粒物相比於飛機、火箭等的排放要少得多，而且測試僅局限在平流層的一個很小的區域（幾平方公裏）[1]。

SCoPEx 最初計劃於 2021 年 6 月在瑞典測試，本將成為太陽地球工程相關的首批現場測試之一。但在首次試飛前四個月，迫於瑞典居民和環境組織的壓力，SCoPEx宣布項目延期，何時重新啓動尚沒有明確消息。環境組織反對的主要理由是太陽地球工程 “可能會對社會經濟係統造成不可逆轉的變化” [4]，降低人們的減排積極性，從而成為減排政策的絆腳石。

盡管科學傢們認為這項研究的直接風險可以忽略不計 [5]，因為實驗總計播撒的碳酸鈣等無毒害物質不到2韆剋，比普通客機每分鍾排放的物質還要少；而且實驗範圍也隻有幾平方公裏。反對者仍認為，SCoPEx可能會産生很多其他問題，太陽地球工程的第一個現場實驗會像是打開瞭“潘多拉魔盒”：研究太陽地球工程，也許會導緻人們越來越傾嚮於實施太陽地球工程。

2

為什麼要提齣太陽地球工程？

關於SCoPEx項目的種種爭議不免讓我們思考：為什麼各國科學傢都在嘗試探索太陽地球工程？

如今，由溫室氣體（主要是二氧化碳）濃度升高造成的氣候變化威脅人類生産，甚至可能改變人類文明的進程。應對措施主要分為兩大類――減排和適應。減排是必要而根本的措施，主要的國際氣候協議和氣候談判，比如1997年的《京都協定》、2009年的《哥本哈根協定》和2016年的《巴黎協定》都以減排為中心；適應則旨在降低應對氣候變化係統風險的脆弱性。

但是，現階段的科學研究和各國實際的減排行動錶明，我們無法在短時間內將二氧化碳排放削減到安全限值，阻止氣候變化的危險性後果；也無法僅通過適應措施，完全抵禦很可能發生的氣候危機 [6,7]。

在這種背景下，有沒有一些新的、更大膽的方法可以讓地球更快地降溫，並為我們擺脫化石燃料爭取更多時間？地球工程就是作為這樣一劑暫時的鎮痛劑，進入學界視野的。

目前有兩種主要的地球工程思路：一，從大氣中移除二氧化碳，以降低大氣的保溫能力；二，將更多的太陽光反射迴太空，以減少地球吸收的熱量。

第一種方法被稱為 “碳地球工程”。有些碳地球工程中的方法，比如碳去除，因為可以直接減少大氣中的二氧化碳，已經被學者普遍認為是我們需要采取的氣候變化應對措施 [8]。但這種方法在實施上仍具有很大挑戰性，以 “碳捕集與封存” 技術為例，不僅成本高昂，而且需要占用大量的土地 [9]。

第二種方法，即 “太陽地球工程”，雖然不可能完全逆轉大氣溫室氣體濃度升高引起的氣候變化，但它們也許能夠在較短時間內減緩溫度和降水等幾個關鍵氣候變量的變化，因此可能降低氣候風險 [10]。

其中，平流層氣溶膠播撒是目前被廣泛研究的一種太陽地球工程手段，根據IPCC第六次評估報告，該技術路綫相比於其他的太陽地球工程手段（如海洋上空積雲亮化和高層捲雲變薄等）具有較高的降溫功效和技術可行性 [8,11]，以及相對較低的經濟成本 [12]。

過去幾十年的全球氣候治理中，科學基礎並不是唯一的指導標準，對社會經濟的考量往往左右著二氧化碳減排的力度與成效。哈佛大學的一項關於氣候治理最優路徑的研究錶明，綜閤考慮氣候和經濟模型，將太陽地球工程作為應對氣候變化的輔助手段可以有效降低氣候治理的經濟成本。相比於減排和碳去除兩種方法結閤的路徑，加入太陽地球工程後，不僅可以顯著拉平經濟成本麯綫（flatten the curve），使成本峰值降低至原有的1/6左右，而且可以極大地降低整體經濟成本 [13]。

圖3 2攝氏度溫控目標下，不同氣候治理路徑的經濟成本 | 圖源[13] 本文作者翻譯

2018年諾貝爾經濟學奬得主，耶魯大學經濟係教授威廉・諾德豪斯在他的《氣候賭場：全球變暖的風險、不確定性與經濟學》一書中也提到，麵對氣候變化，我們無疑需要以碳減排為主，但是，適應和地球工程兩種措施也或不可少 [14]。

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平流層氣溶膠播撒是天馬行空嗎？

如前所述，SCoPEx項目計劃僅在平流層播撒極其微量的顆粒物，而氣候模型的模擬結果錶明，實際實施平流層氣溶膠播撒工程，可能需要每年播撒成百上韆萬噸的顆粒物 [10]。

暫且不論我們如何長期不斷地將如此大量的顆粒物或者氣體運送到平流層，這麼大量的顆粒物又是如何懸浮在高空，而不會很快降落到地麵呢？

事實上，大自然早已多次嚮人們展示瞭平流層氣溶膠播撒的力量，最近一次就是今年初的湯加火山爆發，目前估計的數據顯示，湯加火山的爆發嚮平流層注入瞭約40萬噸的二氧化硫 [15]。

這些二氧化硫在平流層中經過化學轉化會變成硫酸鹽顆粒物。這些顆粒物特彆微小，大部分直徑在幾百納米到幾微米，不及人頭發絲粗細的1/20，因此，可以懸浮在空中。另外，顧名思義，平流層區域大氣運動主要是水平流動，竪直方嚮上的運動很微弱，因此，懸浮顆粒物可以在平流層停留更久（幾個月到幾年）。

另外一個更為顯著的例子是1991年菲律賓皮納圖博火山的噴發。在噴發期間，皮納圖博火山將約2000萬噸二氧化硫投入瞭平流層，並在其後大約一年的時間裏隨大氣運動遍布全球。其後三年間，雖然全球氣候受到厄爾尼諾現象（指東太平洋海水每隔數年就會異常升溫的氣候現象）的影響，但全球平均氣溫仍降低瞭大概0.5攝氏度 [16,17]。

人為平流層氣溶膠播撒的靈感來源就是火山噴發。保羅・剋魯岑1995年因研究臭氧層破壞機製而獲得諾貝爾化學奬，在他2006年發錶的一篇文章中就曾經對比人為平流層氣溶膠播撒和1991年皮納圖博火山噴發的效果 [18]。正是這篇論文讓科學界開始認真考慮平流層氣溶膠播撒的概念。

目前科學界研究最多的仍是硫酸鹽氣溶膠（火山噴發産物）。除此之外，學者也在考慮碳酸鈣、金屬鋁、氧化鋁和鈦酸鋇等一係列材料。甚至有學者提齣用鑽石顆粒物作為播撒材料，因為鑽石反射太陽光的能力很強，並且鑽石錶麵不易發生化學反應，對臭氧層的可能影響較小 [19]。

既然地球已經嚮我們證明，嚮平流層播撒氣溶膠可以降低地球溫度，並且氣溶膠可以在平流層較為長期地懸浮，那另一個技術問題就是，具體怎麼操作？

目前，科學傢提齣瞭不少平流層氣溶膠播撒的方法，其中，現有技術可以實現的主要有三類 [20]：

1利用可以在平流層巡航的高空飛機大規模播撒氣溶膠。目前世界上有多款可以在20公裏以上高空飛行的飛機，包括RQ-4全球鷹等無人機；2利用大量平流層氣球將氣溶膠材料播撒到平流層。類似的氣象氣球目前每天都會在全球各地被發射到30公裏左右的高空；3利用炮彈將氣溶膠注射進平流層。這種方法最好選擇在高海拔地區以降低炮彈進入平流層的難度，但同時技術成本也非常高昂。

目前，新一代高空飛機是其中最有可能投入大規模應用的選擇，相比於其他兩種方法，它兼具低成本和操作穩定的特點。

圖4 目前科學傢提齣的一些人為平流層氣溶膠播撒方法 | 圖源[20] 本文作者翻譯

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風險與爭議

雖然以平流層氣溶膠播撒為代錶的太陽地球工程可以降低全球氣溫，但也正因為這種全球性的氣候效應，它有很多自然科學上的風險和不確定性，也伴隨著社會經濟領域的爭議。

從最基本的地錶氣溫變化，到對冰川的影響；從局部氣候的變化，到海洋環流的反應；從硫沉積，到項目突然被迫中止可能帶來的風險――太陽地球工程的風險和不確定性涉及氣候變化科學的方方麵麵。對這些繁復的風險和不確定性，目前學術界並沒有統一的評估標準。而這種統一標準的欠缺，可能會把人們的注意力集中在實際影響並不很大的因素上，進而難以形成對於太陽地球工程的整體認識。

主導ScoPEx項目的哈佛大學教授 David Keith 在他的《氣候工程案例（A Case for Climate Engineering）》一書中提到，媒體在報道太陽地球工程時最經常提到的一點是，它有可能降低東亞地區的季風強度和夏季降水，從而影響當地農業的收成 [21]。而事實上，在一個迅速升溫後的地球上，夏季季風很可能變得過於劇烈，從而造成颶風和暴雨，對農業收成造成損失。在這種情況下，太陽地球工程對季風的減弱可能反而更有利於當地農業的發展。

那麼，怎麼評估太陽地球工程的風險，纔能最有建設性地引導科研呢？發錶在《自然綜述：地球與環境》上的一篇文章認為，為瞭理清這些繁復的風險，我們可以先將太陽地球工程的不確定性因素逐條列齣，並對每一個條目按照兩個標準進行評估 [22]。這兩個標準分彆是：一，會伴隨太陽地球工程發生，或我們對其目前理解欠缺的可能性；二，負麵影響的大小。根據這兩個標準進行綜閤評估，我們可以甄彆齣兩項指標都比較高的條目，作為下一步研究的重點。

從這個角度齣發，太陽地球工程幾個最重要的風險和不確定性分彆是：

氣溶膠微觀物理和次網格尺度氣溶膠混閤過程

目前為止，對太陽地球工程氣溶膠微觀物理的模擬主要依賴於對過去火山噴發後氣溶膠過程的研究。而人為、有控製的氣溶膠投放和無控製的火山噴發過程有很大的區彆：人為投放氣溶膠時人類可以選擇投放的速率、位置、和氣溶膠總共投放量，而火山噴發一般隻會在短時間內，在同一個地點，急劇地將大量氣溶膠投入平流層中。同時，氣候模型對氣溶膠過程的模擬目前基本局限在網格尺度（即氣候模型的最小麵積單位），而這些網格的大小（至少幾韆平方公裏）決定瞭它們無法模擬氣溶膠尺度的物理過程。然而，這些過程直接影響瞭太陽地球工程中氣溶膠的反射效率，並間接影響投放後的下遊。

平流層氣溶膠吸熱對錶層氣候的影響

氣溶膠被排放到平流層中後，除瞭會反射短波太陽輻射而造成地錶氣溫降低，也會吸收長波而加熱平流層。這種溫度變化可能對地錶氣候造成很大影響，比如平流層溫度的變化有可能改變大氣垂直方嚮的循環，從而影響平流層臭氧層濃度，甚至改變地錶重要的大氣化學過程。而目前我們對這些影響知之甚少。

生態係統的反應

太陽地球工程對生態係統的影響非常復雜。比如，減少地錶的太陽光可能會降低植物的光閤作用，但由於平流層氣溶膠地球工程主要降低直射光而增加衍射光，植物的光閤作用效率有可能因此增加。另外，地球氣溫的變化也會對動物造成影響，未知的問題包括急劇改變地球氣溫會不會讓動物們無法繼續生存在現在的生存空間從而被迫遷徙，或者動物對陽光的突然減弱會做齣怎樣的反應。目前，這些方麵的科學研究非常有限。

相比於自然科學上的風險和不確定性，政策和道德維度的考量關涉更大。

由於大氣的流動性，無論在哪裏投放氣溶膠，它們最終都會覆蓋全球。因此，太陽地球工程的實施必須得到所有國傢的同意。但是，由於氣候的區域性特徵，很可能不同國傢或地區會受到不同的影響。2018年的一項研究指齣，在同一種太陽地球工程情景下，如果歐洲的熱浪被有效抑製，亞馬遜地區的降水循環則不能被控製在自然（工業革命之前）狀態 [23]。這些區域性影響不管是正麵還是負麵，都有可能成為國際談判中激烈交鋒的爭議點。

SCoPEx項目的坎坷經曆就是這種管製難度的一個微觀體現。前文已經提到，雖然SCoPEx對環境幾乎沒有物理影響，但由於公眾對太陽地球工程的反對，這項科研項目正被擱置。

另一方麵，學界和政界普遍關心的問題是太陽地球工程的實施會不會成為減排政策的絆腳石，以及太陽地球工程的技術會不會被改造成戰爭武器。

對此，諾德豪斯認為，任何一種保證社會穩定的措施，比如警察力量或者雪山救援部隊，都會增加人們冒險的幾率，但大多數人可能寜可活在有警察和救援係統的社會裏 [24]。他認為，也許太陽地球工程會在某種程度上降低減排的動力，但這並不應該阻止我們對它更加深入的研究，以備不時之需。另外，有研究指齣，太陽地球工程的應用和減排政策間並不是簡單的取捨或競爭關係。在決策製定過程中，它們的優缺點都應該被放在一起衡量 [25,26]。這樣決策者纔能製定齣成本效益最優的氣候政策。

而對於用作戰爭武器的擔憂，有學者認為這種可能性很小 [27]。這是因為武器一般應該能被使用者有效精準地控製，並且有立竿見影的效果，而太陽地球工程對氣候的影響範圍很難被控製，並且它的起效相對於傳統武器非常緩慢。

可以想象一種場景，A國想利用太陽地球工程對B國造成氣候影響，從而完成打擊。那麼，A國需要在閤適的地區建立設備以播撒數百萬噸氣溶膠，但這些氣溶膠對B國造成可以觀察到的氣候影響可能需要數年；並且不止B國，世界絕大部分國傢和地區的氣候都有可能受到影響。這種打擊方式的成本很高、規模很大因而不太可能秘密進行，被中途截停的風險巨大，國際影響很糟，而收益又難以確定。在現代戰爭中，很難想象太陽地球工程能夠成為一種閤理的武器選擇。

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需要更多的科學研究

太陽地球工程目前是一個比較小的科研領域。到2018年為止，這個領域的全球科研基金最多隻達到過每年八百萬美元左右 [28]，這個資金量占氣候變化領域科研基金的不到0.01%。雖然中國政府對太陽地球工程的實施並沒有明確錶態，但中國是少數幾個有政府資金支持太陽地球工程科研項目的國傢之一。

中國最大的太陽地球工程項目是科技部973計劃下的“地球工程基礎理論和影響評估研究”，由英國科學傢 John Moore 擔任項目負責人，並有北京師範大學、中國社會科學研究院以及浙江大學的學者參加 [29]。這個項目的研究包含自然科學和社會科學的課題，但不包含實驗室或戶外實驗。

相對於由美國政府支持的太陽地球工程科研項目的規模（1-2億美元）[30]，中國的研究項目規模（220萬美元）並不大。但中國的氣候科學傢對太陽地球工程並不陌生，並且整體態度和美國學者並沒有本質上的區彆。最近的一項研究發現，中美兩國的氣候科學傢都認為，對太陽地球研究的撥款應該占氣候科學科研經費的5%左右，並且都不支持近期任何具體工程項目的實施 [31]。

除瞭中美兩國，英國、德國、澳大利亞、日本也有規模較大的太陽地球工程科研項目 [28]，培養瞭一批學者。雖然這些科學傢不能對太陽地球工程實施與否做齣決定，但他們可能會是推動太陽地球工程國際閤作，以及最終決定太陽地球工程能否被實施的關鍵。

就像SCoPEx首席科學傢、哈佛大學教授 Frank Keutsch 所說：“作為一個科學傢，我不能左右社會（對於太陽地球工程）最終的決定，但我可以為那些需要做決定的人提供科學依據。（As a scientist, I have no say on the decisions that society ultimately takes. But I can help provide facts for those who do.）” [32]。

緻謝： 感謝浙江大學曹龍教授為本文提供學術指導。

“

作者簡介

李��緯，哈佛大學應用科學與工程學院博士生，博士課題導師為文中提到的Frank Keutsch教授；代禎，哈佛大學應用科學與工程學院博士畢業，博士課題導師為文中提到的David Keith教授。”

參考文獻：

（上下滑動可瀏覽）

1. https://www.keutschgroup.com/scopex

2. https://buildingeverest.wordpress.com/2019/07/25/the-day-they-darken-the-sky/

3. https://www.youtube.com/watch?v=ReBPqguolu8&t=68s

4. https://legal-planet.org/2021/03/16/niabys-obstruct-research/

5. https://grist.org/science/who-gets-to-decide-if-we-study-solar-geoengineering-after-the-scopex-project-canceled/

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[27]https://keith.seas.harvard.edu/news/can-solar-geoengineering-be-used-weapon

[28]Necheles, Ella, Elizabeth Burns, Amy Chang, and David Keith. 2018. “Funding for Solar Geoengineering from 2008 to 2018.” Solar Geoengineering Research Blog. 2018. https://geoengineering.environment.harvard.edu/blog/funding-solar-geoengineering.

[29]https://chinadialogue.net/en/climate/how-to-supervise-geoengineering/

[30]Reflecting Sunlight. 2021. Washington, D.C.: National Academies Press. https://doi.org/10.17226/25762.

[31]Dai, Zhen, Elizabeth T. Burns, Peter J. Irvine, Dustin Tingley, Jianhua Xu, and David W. Keith. 2020. “US and Chinese Climate Experts Share Judgements on Solar Geoengineering.” Humanities and Social Science Communications.

[32]https://www.c2g2.net/stratospheric-aerosol-injection-could-be-a-painkiller-but-not-a-cure-and-more-research-is-needed/

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