地球工程手段能够逆转气候乱局吗？
本文为小红猪抢稿第99期译稿
译者：Vincent Chen
校对：白鸟
原文：Can geoengineering avert climate chaos？
从遮阳伞到促进藻类大量繁殖，给地球降温的创意有很多。但是这些方法有什么潜在的危险吗？
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噢不，尽管本意并非如此，但是我们似乎已经把地球给玩坏了。有什么办法能改进现在的处境吗？
气候变化已经来到我们的身边，它将冰川融化，让森林枯萎，还让洪水和炎热天气来得更加猛烈。同时，全球范围内二氧化碳和其他温室气体的排放持续增长，预示着更可怕的前景即将到来。即使明天我们就能停止所有的温室气体排放，地球表面的温度仍然会持续上升几十年，并且可能会造成各种灾难性后果，诸如饥荒和海平面的迅速上升等。
所以也许到了该好好考虑一下地球工程这个大胆想法的时候了。我们希望，通过人为修补这个星球的气候机器，我们也许能够纠正犯下的弥天大错，或者至少避免一些最严重的后果发生，哪怕只是给自己赢得多一点的时间来削减温室气体排放也好。
目前人们已经提出了几十种为地球降温的方案。我们可以出动大量的船只喷洒盐雾好让云变得更白，或者在平流层喷射硫酸以反射阳光。向深空发射大量的反射镜。用基因工程改造出发白的农作物。给海洋施肥。用反光塑料薄膜覆盖地球上的沙漠。播撒可以成云的细菌。施放能够遮天蔽日的微型气球，等等。
这些方案都很有创意，但是其中有可行的吗？或者它们只会把情况变得更糟，加速灾难的降临？与其冒着所能想到的最大风险尝试这其中的某个方案，最好还是用精密的计算和计算机模型来探究每一个方案。随着相关研究的结果不断累积，我们开始了解地球工程手段能-或者不能-做到的事情。
有些方案可以比较容易地被否决掉。例如，用反光塑料覆盖沙漠，虽然能够反射大量阳光，而且多少能给地球降降温，但很可能跟它给人的第一印象一样不靠谱。这个方案会摧毁生态系统，改变区域气候特征，还需要大批的清洁人员来维持其运行。
其他的一些想法则超过了我们现有的能力。给地球铺一片太空遮阳伞需要发射两千万枚火箭。除非有全新的技术出现，这个方案的成本将是个天文数字，并会产生致命的污染。“这根本就是科幻小说里的情节，我们不必再讨论它”，联合王国埃克赛特大学的提姆兰顿（Tim Lenton）说。
其它的很多方案，例如把我们的房顶涂成白色，确实是可行的-但是它们真的能修复气候系统吗？毕竟，根本的问题是，大气层中不断增多的温室气体就像包裹着地球的毛毯一样会保持热量。我们可能会在本世纪的某个时点将大气中的二氧化碳浓度翻上一番，届时地球表面每平方米平均散热将下降3.7瓦。为了阻止地球变暖，各种地球工程方案，要么要能够阻挡等量的来自太阳的热量，要么需要等量地增加大气层顶端所散失的热量。
我们的地球制冷机还有其它的前提要求。它需要在不剧烈改变局地气候的条件下工作，还要防止海平面上升。最好还能阻止海洋酸化以防珊瑚礁消失。
但是首先需要测试的依然是工程方案的降温能力。2008年，位于英格兰诺威奇市的东安格利亚大学的兰顿（Lenton）和尼姆沃翰(Nem Vaughan)将多个模型的结果与他们自己的计算结果相结合，评价了数十个方案的潜在制冷效果。“这么做的起因是我非常失望。我受够了那些研讨会，会上人们都在宣传他们自己所偏爱的技术，手舞足蹈的说着‘这个比那个好得多’，”兰顿说。
他们发现很多方案几乎没有任何效果。以将屋顶和路面刷白以反射更多阳光为例。即使乐观估计，这个办法每平方米只能反射约0.15瓦的热量-最多就是对恢复地球热交换平衡做出少量贡献。
给海洋施肥的方案看上去更有希望。浮游植物生长过程中会消耗二氧化碳，有时它们的残骸会沉到海底并被掩埋，这样就能固定住这些二氧化碳。向海洋中添加浮游植物生长所紧缺的营养物质，例如铁，能够促进它们的生长。根据兰顿和沃翰的计算，到本世纪末，这个方案能够减少地球表面热辐射失衡多达0.2瓦每平方米。这个方法简单，但是无法扭转全局-同样，这也是基于最乐观的估计，随着我们对这一进程的了解逐渐深入，结果可能会大打折扣。
其他的很多方案，例如促进极地海域的下降洋流以提高二氧化碳向海洋深处输运的速度，局限性更大。然而有两个方案因为既高效又相对实用而脱颖而出。它们都涉及以某种方式对阳光进行遮挡。
一个方法是让海洋上空的云朵更白-尤其是低空的，平板状，覆盖了大片天空的云。分布在全世界的船只将细盐雾带入空中。盐份颗粒可作为凝结核来促进小水滴形成云朵。由于单位体积内小水滴的数量更高，这些云比普通的云更白，能反射更多的阳光。这个方法将有可能完全抵消二氧化碳浓度翻番所带来的变暖效果。
把云变白还有其它优势，例如不使用任何有害化学物质。但是云的成核机制尚未完全明确，所以这个方案可能不如其支持者所说的那么有效，而且仅对海洋降温可能会扰乱局部气候。例如，今年发表的一项研究发现，在太平洋上空人工造云对降雨分布可能造成的改变，与具有高度破坏性的拉尼娜天气现象非常类似。
这场技术比赛的另一有力竞争者是个老办法：向大气中充入细颗粒物所形成的雾霾。事实上，我们已经在这么做了。二氧化硫污染形成的硫酸微粒据估计已经反射了每平方米0.4瓦的太阳辐射。但是燃烧和工厂生成的二氧化硫无法在大气中长期停留，所以它的效果很有限。然而如果硫酸盐颗粒能够达到平流层的高度，它就能够停留数年，其冷却效果也因而大大增加。证据源于能量大到能将能将二氧化硫推入平流层的火山喷发。1991年菲律宾皮纳图博火山的喷发在随后的数年中将地球温度降低了多达0.5摄氏度。
为了抵消二氧化碳浓度翻倍的暖化效应，每年我们需要将多达五百万吨的二氧化硫输送到平流层。位于马萨诸塞剑桥的极光飞行科学公司的贾斯汀麦克莱伦(Justin McClellan)的团队评估了多种运送二氧化硫的方法。根据他的结论，每年需要花费约一百亿美元。与全球变暖所带来的巨大代价和严重后果相比，这个价钱绝对是个优惠价。单只海平面上升一项就将吞噬数万亿美元的城市和农田。
不幸的是，我们的硫喷雾可能无法阻止海平面的上升。硫酸液滴在极地停留的时间并没有在赤道地区长，这降低了它们冷却极地的效果。所以即使注入气溶胶能让全球平均温度降回到19世纪的水平，极地依然不会像过去那样寒冷，冰盖仍将继续融化。这一方案可能无法阻止海平面因南极西部冰架崩塌而上升至少三米这样的灾难发生。
尚不能确定其它的反射体，如固体金属颗粒或者小型反光气球的效果是否更好。输送气体要简单和廉价得多，因此大多数研究都集中在硫酸盐颗粒上。
当沿海的平原和城市被淹没的时候，地球上的其它地方可能会干涸。不论用哪种方法遮挡阳光，到达海面的阳光都将减少，海水蒸发也将减少。到现在为止，全球变暖的效应仍大于二氧化硫污染的降温效应，海水蒸发依然是增加的。但是如果我们通过这个方法将温度降回到工业革命之前的水平，降雨量可能会锐减。假如降温的幅度没有这么大，就可以避免这一后果-但这样的话冰架将融化的更快。
据气候模型计算，遮蔽阳光同样可能灾难性的局地影响。如果这一方案扰乱了季风形成，数十亿人将长期处于饥荒之中。“或者假如你改变了将水汽带入亚马逊雨林的环流模式，你可能会把亚马逊变成沙漠”，牛津大学的提姆帕尔默(Tim Palmer)说。
2010年，牛津大学的迈尔斯阿伦(Myles Allen)和他的同事用精细的气候模型研究了平流层中遮阳气体数量变化造成的效果。他们发现没有适合地球上所有的地区解决方案。能将中国带回到工业革命前舒适的温度和降雨量的气溶胶量，会使印度的温度降得过低。
或许可以换个方式来看问题。不同的气候模型对遮挡阳光引发的的全球效应结论一致，但是对区域性气候变化得出的结论不同。
这可能是由于不同研究中用到了不同的假设和取值。或者这是源于现有气候模型的局限性。随着它们的改进，不同模型局部预测的结果可能会开始相互吻合，这会让我们对它们更有信心。
然而，影响局部气候的一些因素本身是不可预测的。一百年后还会有多少雨林留存下来？如果温室气体排放会降低的话，会降低多少？生态系统将有什么反应？因此，我们永远无法百分之百确定任何一种方案会取得想要的结果。
因此任何屏蔽阳光的方案都有很高的风险。如果它们带来了可怕的后果，然后我们立即停止向大气层充入硫酸盐颗粒或给云朵增白，地球将在随后的数年中飞速变暖。这样的突变将比同等程度的温度渐变更有破坏性，因为人类和野生动物没有时间去适应。“这样做是在增加我们的风险”，兰顿说。如果我们使用硫酸盐微粒，我们可能需要另外的地球工程手段，例如人造卷云来给极地降温，相当于为地球开出了不止一剂，而是两剂猛药。
所以与其遮蔽阳光，我们也许更应该抓住问题的根本，积极主动地从空气中去除二氧化碳。浓缩之后的二氧化碳气体可被注入到地下储层，如已被采空的油气田中。但还没人设计出有效的途径。“问题在于捕捉空气中含量很低的二氧化碳必然比从发电站这种高浓度源中捕捉它要昂贵得多”，兰顿说。
以现有技术将人类增排到大气中的二氧化碳及时清除以防气候进一步发生变化是不现实的。即使大规模工业化去除二氧化碳也要耗费几百年时间，而且二氧化碳排放持续增长的时间越长，我们面临的挑战也越大。
与其在地球上布满吞食二氧化碳的机械装置，何不加快二氧化碳与硅酸盐反应的速度？几百万年间，这个被称为风化的过程，吸收了大量的二氧化碳，这些二氧化碳最终通过火山回到了大气中。但是为了处理掉一年中排放的二氧化碳，我们需要研磨至少七立方千米的岩石并且将其均匀的散布到占地球表面积几个百分点的土地上。所以这个办法也不能拯救我们。
那么改变土地用途和农业方式以捕获更多的二氧化碳呢？种植树木仍是一个不错的选择，虽然地理因素将这种做法的潜力限制在了0.5瓦每平方米，而且如果随着地球变暖树木死亡或者被烧毁，所有被捕获的碳都终将回归大气层。
一种禁锢植物储存的碳元素的方法是将它们变成炭-生物炭-并掩埋起来。另一种方法则是在使用了碳捕捉技术的发电厂燃烧农作物。这些方法需要土地，因而与粮食生产有竞争。兰顿通过计算得出，到2050年，生物固碳可减少辐射失衡多达0.3瓦每平方米，但前提是我们必须提高农业耕作的效率，并且减少食用既消耗土地资源又会产生大量甲烷气体的肉类。现在，肉类消费不断上升，而粮食产量却已经为极端天气和缺水所影响，所以除非技术上取得某些突破，例如对植物进行基因改造使其能够利用更多太阳的能量，生物固碳的方法只是一个美好的愿景。
而碳捕捉技术则至多只能减缓下一个百年内地球变暖的步伐。而且如果它们只是被当做减少排放的替代措施-如获取碳排放权并把它转售给其它需要排放二氧化碳的机构-那就连这个目标都无法实现了。
如果我们已经逼近诸如森林大面积死亡，永久冻土消融大量释放甲烷，或是南极洲西部冰架崩塌这样的重大转折点，碳捕捉方法也没用了。那么我们是否应该预备诸如喷硫这样有效也有风险的方法在紧要关头使用？也许。但是兰顿对此持怀疑态度，他在2008年的一篇文章中设法定义了临界点这一概念。“人们认为因此我们需要预备使用反射阳光这样的方案，但是无法证明我们能够在临界点到来之前及早获得预警，或是能及时启用应对措施，也不能证明这些手段不会造成其它的临界点，”他说。
如果我们等到最后关头才行动，就可能错失逆转气候乱局的机会。“现有手段并非魔法按钮，当情况失控时按一下就够了-结果可能变成一场梦魇，”帕尔默说。即使我们真的选择投加凝结核遮蔽阳光的方法，几乎所有的气候学家都认为依然需要大规模的减少碳排放。
也有人持不同的观点。埃克赛特大学的彼得考克斯(Peter Cox)指出，更高的二氧化碳浓度能够促进某些种类的植物的生长并减少植物水分的流失，因为植物的气孔不需要张开那么长时间了。所以如果二氧化碳浓度升高而未伴有干旱，洪水，风暴或是全球变暖所导致的足以阻碍植物生长的高温，食物的产量将会增长。也许遮阳方案可以实现这一点。“从我们最关注的几个方面来看，这是一个比传统方案更好的选择，”考克斯说。这样一个凉爽而充满二氧化碳未来蕴含着有着可怕的风险，考克斯也只是建议我们考虑一下这种可能性而已。
最后，政治是任何伤筋动骨的地球工程项目最大的障碍。“你不能让地球工程去互相竞争，只能有一个留下来，”阿伦说。“所以必须由某个超国家体对气候相关问题进行决策”
因为不同的国家优先考虑的问题不同，彼此之间达成协议几乎是不可能实现的。有的国家面临的最大的威胁是海平面上升，而另一些的则是极热或是降雨分布的变化。从京都议定书的情况来看，即使最终能够达成某种协议，它离我们真正的需要恐怕也相距甚远。
不过，只有那些大规模的阻挡阳光的方案才需要获得各国政府的一致同意，因为它们具有全球性的风险。没有什么能阻止个人，机构或是国家单独行动，开展生物炭项目或者其他的碳捕捉方案。目前来看，改造地球最安全的手段也许就存在于农田之中，尽管与闪闪发光的太空反光镜相比，这些方法看上去平淡无奇。
飘渺而高悬于空中，时而点缀着夏日蔚蓝天空的卷云看上去不像是我们的敌人，但是大卫米切尔(David Mitchell)正制定方案消灭它们。消灭卷云不光能降低地球温度，还能够挽救冰盖以及遏制极端天气。
云对地球的热平衡有着复杂的影响，它反射部分入射阳光，并拦截了大量地球对外的红外辐射。低海拔云，如海面上方的层云，还会从它们的顶端向太空辐射大量热量，所以它们总体上降低了地球的温度。含冰卷云辐射的热量要少得多，因而它们的总体效果是让地球升温。
2009年，工作于内华达州里诺沙漠研究所的米切尔建议使用航空器来播撒三碘化铋，这是一种能够作为凝结核形成较大冰晶的无毒化合物。这些冰晶比卷云中天然存在的冰晶更快地下落到地面，这样卷云便会消失。
七月份的一次会议中米切尔展示了对这一过程的初步模拟，显示这一方法对地球的降温效果可达到2瓦每平方米-足以抵消二氧化碳含量翻番引发的变暖效果的一半。
更好的是，这个方法应该能在最需要它的地方，也就是高纬度地区，取得最好的效果。专注于这一区域能够保护我们脆弱的冰盖。这个方法同样有助于恢复热带与极地之间的温差。两者的温差已经由于北极地区的快速暖化而缩小，有人认为这是极端天气状况越来越频繁的原因之一。
米切尔提醒我们，这个模型仍处于很初级的阶段。“将卷云纳入到全球气候模型中仍需要很多研究工作-这项工作不只是为了地球工程”。他希望能在小范围之内进行一次人工造云实验来检验真实情形。
此外，散布卷云有着很多与遮阳方案同样的风险（见前文）：这个方法也可能会有灾难性的局地效应，并且骤然停止这一方案同样很危险。
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