哈佛团队将进行平流层控制扰动实验 给地球盖上一层“遮阳布”降温

Zhen Dai拿着一个涂有白色粉末的小玻璃管：碳酸钙，一种普遍存在的化合物，用于纸张、水泥、牙膏和蛋糕混合物等各种用途。扑通一声将其放入水中，其结果是得到一种可以使胃镇静的泡沫抗酸剂。马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的博士生Zhen Dai和她的同事们提出的问题是，这种无害的物质是否也可以帮助人类减轻地球“消化不良”的最终问题：温室气体污染引起的全球变暖。

这个想法很简单：将一堆粒子喷射到平流层，它们会通过把一些太阳光线反射回太空来冷却地球。科学家们已经见证了这一原理的实际应用。1991年菲律宾皮纳图博火山爆发时，向平流层注入了大约2000万吨二氧化硫 - 大气层从地球表面约10至50公里处延伸。火山爆发造成了带硫酸盐颗粒的雾霾，使地球降温约0.5摄氏度。大约18个月的时间里，地球的平均温度恢复到蒸汽机到来之前的水平。

人类可能通过类似的人工方式来降低地球的温度，这种想法已有几十年的历史了。它适用于更广泛的行星冷却方案，称为地球工程，长期以来引起了激烈的争论，在某些情况下还引发了恐惧。

研究人员在很大程度上将这些策略的研究局限于计算机模型。其中一个问题是，“调暗”太阳可能会适得其反，或者至少对使世界某些地区造成严重不利影响，例如，会影响农作物的日照和改变降雨模式。

但随着温室气体排放量持续上升且气候预测仍然严峻，关于地球工程研究的对话开始在科学家、政策制定者和一些环保主义者中获得更多的关注。这是因为许多研究人员得出了令人震惊的结论，即防止全球变暖严重影响的唯一方法是，要么从大气中吸入大量二氧化碳，要么人为地给地球降温，亦或者，更有可能两者兼之。

如果一切按计划进行，哈佛团队将成为世界上第一个将太阳能地球工程从实验室转移到平流层的团队，其项目称为平流层控制扰动实验(SCoPEx)。第一阶段耗资300万美元，在美国西南部上空20公里处进行两次可操纵气球飞行试验，最早可能在2019年上半年发射。一旦到位，该实验将释放出少量羽状物碳酸钙，每个约100克，大致相当于一瓶普通的现成抗酸剂中的含量。然后气球转过来观察颗粒如何分散。

测试本身是非常温和的。Dai在过去四年的博士工作中，参与了在平流层中模拟和测量实验前的化学反应的桌面设备的建造，并没有强调对此类研究的担忧。 “我正在研究一种化学物质。”她说，“这不像是核弹。”

尽管如此，这个实验将是第一个打着太阳地球工程旗号的实验。因此，包括来自一些环保组织在内的一些环保团体正在密切关注，这些努力是对解决气候变化唯一永久性解决方案——减少温室气体排放——的危险干扰。ETC Group是一家位于加拿大蒙特利尔附近Val-David的环境倡导组织，反对地球工程。该组织的联合执行董事吉姆·托马斯(Jim Thomas)说，SCoPEx的科学成果并不重要，“这既是一项科学实验，也是一项改变社会规范、跨越界限的实验。”

意识到这种担忧，该团队的行动步伐也放慢了，正在努力为实验设立明确的监督，以外部咨询委员会的形式审查项目。有人说，这样一个框架，可以为未来的实验铺平道路，甚至比这一测试的结果更重要。 “SCoPEx是第一个走出大门，并触发了关于独立指导、建议和监督应该是什么样的重要对话。”马萨诸塞州剑桥市关注科学家联盟的首席气候科学家Peter Frumhoff说。他负责选择咨询委员会主席的独立小组成员。“正确完成任务远比快速完成任务更重要。”

联合力量

在许多方面，平流层是一个理想的地方，可以使大气更具反射性。在那里注入的小颗粒可以在全球范围内扩散并在高处停留两年或更长时间。如果能有策略地、有规律地把它们放在两个半球上，它们可以形成一个相对均匀的“毯子”，可以盖住整个星球。这个过程不一定非常昂贵;在上个月的一份报告中，政府间气候变化专门委员会建议，一队高空飞机可以存放足够的硫，以抵消大约1.5摄氏度的气候变暖，每年耗费约10亿至100亿美元。

到目前为止，大多数太阳能地球工程研究都集中在二氧化硫上，这也是皮纳图博火山喷发出来的相同物质。但硫磺可能不是最佳候选者。除了冷却地球外，火山喷发产生的气溶胶加快了氯氟烃消耗臭氧层的速度，而臭氧层可以保护地球免受太阳有害紫外线的辐射。硫酸盐气溶胶也被太阳加热，足以潜在地影响水分的移动，甚至改变射流。 “我们并未完全掌握所有这些下游效应。”哈佛大学和SCoPEx首席研究员大气化学家Frank Keutsch说。

SCoPEx团队最初的平流层实验将重点关注碳酸钙，碳酸钙预计比硫酸盐吸收更少的热量，但对臭氧的影响更小。但教科书上的答案 - 甚至Dai的桌面设备 - 都无法捕捉到全貌。 “我们实际上不知道它会怎么样，因为它不存在于平流层中。”Keutsch说。 “这是一个危险信号。”

SCoPEx旨在收集现实世界的数据来解决这个问题。该实验始于哈佛大学的大气化学家詹姆斯·安德森和2011年加入该大学的实验物理学家大卫·基思之间的合作。基思断断续续地研究各种地球工程选择，超过25年时间。 2009年，在加拿大卡尔加里大学期间，他在斯阔米什(Squamish)成立了Carbon Engineering公司，该公司致力于将技术商业化以从大气中去除二氧化碳。加入哈佛大学后，基思利用他在华盛顿州西雅图的比尔和梅林达盖茨基金会获得的研究经费，开始策划这项实验。

后来参与的Keutsch不是气候科学家，充其量只是一个不情愿的地球工程师。但他担心人类的未来，以及这对他孩子的未来意味着什么。当他看到基思2015年哈佛大学工作后的一次会议上谈论SCoPEx的想法时，他说最初的反应是，这个想法“完全是疯了”。然后他决定是时候参与了。 “我问自己，一个搞大气的化学家，我能做些什么?”他与基思和安德森联手，并从此开始了实验工作。

仰望天空

SCoPEx已经比早期的太阳能地球工程取得更大进展。英国气候工程实验平流层粒子喷射计划试图将水喷射到大气中1公里，于2012年被取消，部分原因是科学家为一种装置申请专利，最终可能影响地球上的每个人。 (基思说，SCoPEx项目中涉及的任何技术都没有专利。)

近十年来，美国研究人员一直在为“海洋云层增白工程”筹集资金，旨在向低层大气中喷射盐水水滴，以提高海洋云层的反射率。

虽然SCoPEx可能是第一个实施的太阳能地球工程实验，但基思表示，其他没有标榜自己的项目已经提供了有用的数据。例如，在2011年，东太平洋辐射气溶胶云实验将烟雾泵入低层大气，以模拟船舶造成的污染，这可以通过捕获更多的水蒸气使云层变亮。该测试用于研究对海洋云的影响，但结果直接影响地球工程科学：更明亮的云产生的冷却效果，比研究人员乘坐船只排放的碳的变暖效应高50倍。

基思说，除了偶尔的阴谋论者之外，哈佛团队尚未遭遇公众抗议或任何直接反对。他说，研究人员所面临的挑战更多源于科学资助机构的一种担忧，即投资地球工程将引发环保主义者的抗议。

为了帮助推进这一领域，基思在2016年设定了筹集2000万美元的目标，以支持正式的研究计划，该计划不仅包括实验工作，还包括对建模、治理和道德的研究。到目前为止，他筹集了大约1200万美元，主要来自盖茨基金会和其他慈善机构;这些基金为几十人提供资助，主要是业余的。

基思和Keutsch还希望有一个外部咨询委员会，在飞上天之前审查SCoPEx。该委员会仍在挑选中，将向哈佛大学的工程学院副院长和副校长汇报工作。 “我们认为这是为这一主题研究提供更广泛支持的过程的一部分。”基思说。

Keutsch期待获得外部团队的指导，并希望能够明确表明他应该如何进行测试。 “这是一个比我预期的更具政治挑战性的实验。”他说，“我有点天真。”

SCoPEx也面临技术挑战。必须喷洒合适尺寸的颗粒：研究小组计算出那些直径约为0.5微米的颗粒应该能够很好地分散和反射太阳光。气球还必须能够在稀薄的空气中逆转其路线，以便它可以通过自己的尾流。假设团队能够找到碳酸钙烟羽 –尽管并不能保证他们能找到- SCoPEx需要能够分析颗粒的仪器，并且希望将样品带回地球。

“这将是一次艰难的实验，它可能不会成功。”科罗拉多州博尔德市国家海洋和大气管理局的大气科学家David Fahey说。为了实现这一目标，Fahey的团队为SCoPEx提供了一种轻量级仪器，可以可靠地测量释放的颗粒的大小和数量。气球还将配备一个可以远程监控烟羽的激光装置。其他可以收集平流层水分和臭氧水平信息的设备也可以搭载气球飞上天。

飞到平流层

Keutsch和基思仍在研究一些技术细节。一家气球公司的计划失败了，所以他们现在正与另一个气球公司合作。加利福尼亚州的一个独立工程师团队正在研究喷雾器的选择。为了简单起见，SCoPEx小组计划在春季或秋季放飞气球，那时平流层的风会改变方向，并在短时间内平静下来，这将使追踪烟羽变得更容易。

出于所有这些原因，Keutsch将第一次飞行描述为工程测试，主要是为了证明一切都按预期运行。该团队准备喷洒碳酸钙颗粒，但如果咨询委员会反对，可以用盐水来测试喷雾器。

基思仍然认为硫酸盐气溶胶最终可能是太阳能地球工程的最佳选择，只要对它们的影响进行了更多的研究。他说，由于通过减少污染物来恢复臭氧层的努力仍在继续，因此未来硫酸盐增加臭氧消耗的可能性将变得不那么令人担忧。尽管如此，他的主要希望是建立一个实验项目，让科学家们可以探索太阳能地球工程的不同方面。

此外，还有很多悬而未决的问题。一些研究人员认为，太阳能地球工程可能会改变降水模式，甚至会导致某些地区出现更多干旱。其他人警告说，太阳能地球工程可能带来的好处之一，即通过保护农作物免受热应激来保持产量，可能不会成功。在8月份发表的一项研究中，研究人员发现玉米、大豆、水稻和小麦的产量在两次火山爆发后下降，1991年皮纳图博火山和1982年墨西哥的ElChichón，使天空变得黯淡无光。这种阳光减少可能足以抵消未来的任何潜在收益。

基思说，迄今为止的科学研究表明，这种好处可能远远超过潜在的负面后果，特别是与全球气候变暖不受控制的世界相比。人们经常提到的缺点是，遮挡太阳不会影响排放，因此温室气体水平会继续上升，海洋的酸性会变得更强。但他认为，太阳能地球工程可以减少最终会进入大气层的碳量，包括减少永久冻土带的损失，促进森林生长，减少建筑物降温的需求。在一项尚未发表的使用高分辨率气候模型的降水和极端温度分析中，基思和其他人发现，世界上几乎所有地区都将受益于适度的太阳能地球工程计划。 “尽管存在各种各样的担忧，但我们找不到任何肯定会变得更糟糕的地方。”他说，“如果太阳能地球工程与这些模型中所展示的一样好，不把它当回事就太可惜了。”

关于科学的现状和模型中的假设仍然存在广泛的不确定性，包括人类可以聚集在一起建立、维持并最终拆除精心设计的地球工程计划，同时解决潜在的排放问题的想法。包括英国皇家学会和美国国家科学院，工程学院和医学院在内的知名组织也呼吁进行更多研究。去年10月，学院启动了一个项目，试图为这样的项目提供蓝图。

一些组织已经在努力促进政策制定者和政府官员在国际层面的讨论。例如，太阳辐射管理治理倡议正在全球范围内举办研讨会。扎诺斯·帕兹托(Janos Pasztor)曾在联合国前秘书长潘基文的领导下处理过气候问题，作为卡内基气候地球工程治理倡议组织负责人，一直与世界各地的高级政府官员对话，该组织是一个以非营利组织，总部在纽约。 “政府需要参与讨论并了解这些问题。” 帕兹托说，“他们需要了解风险，不仅仅是所做事情的风险，还有不理解和不知情的风险。”

一个令人担忧的问题是，政府有朝一日可能会对全球变暖的后果感到恐慌，仓促推出一项随意的太阳能地球工程计划。考虑到成本低廉，许多国家，甚至可能是一些个人，可能都负担得起这项计划，这种可能性非常大。本月早些时候，厄瓜多尔基多在“蒙特利尔议定书”年度峰会上提出了这些问题和其他问题，该议定书管理着破坏平流层臭氧层的化学品。一些国家呼吁对太阳能地球工程可能对臭氧层和更广泛的平流层产生的潜在影响进行科学评估。

Fahey说，如果世界认真对待地球工程，研究人员可以利用卫星和高空飞行的飞机进行大量复杂的实验。但就目前而言，他说，SCoPEx将是有价值的，只是因为它推动了对话。“不谈论地球工程可能是我们现在犯下的最大错误。”

此外，值得一提的是，在很多科幻作品里，不乏人们对于给地球降温造成末日来临的担忧。比如2014年上映的科幻电影《雪国列车》就是这一类型，它改编自同名法国“后末日式”科幻黑白漫画《Le Transperceneige》中，故事设定就是关于人类给地球降温引发严重后果。剧中，2031年，人类试图阻止全球变暖的实验失败，极寒造成地球上绝大部分生命死亡。在冰河灾难中幸存下来的所有人登上了一辆如同诺亚方舟的列车，列车依靠永动机绕着地球不停行驶。在这列车厢有着等级之分的列车上，饱受饥饿之苦、生活在恶劣环境的末节车厢的人们在革命领袖柯蒂斯的带领下，为了生存一节车厢一节车厢的向前突进，掀起了一场向车头进军的“革命”。