卡尔加里大学（艾伯塔省）的物理学家和能源专家大卫·W·基思在最近关于地球工程的讲座中，喜欢指出这个想法有多么古老。他说，人们讨论故意改变气候以应对全球变暖，和他们开始担心全球变暖本身一样久。早在 1965 年，当阿尔·戈尔还是一名大学新生时，一个杰出的环境科学家小组就警告林登·B·约翰逊总统，化石燃料排放的二氧化碳 (CO2) 可能会导致“显著的气候变化”，这种变化“可能是有害的”。然而，科学家们甚至没有提及减少排放的可能性。相反，他们考虑了一个想法：“在约 500 万平方英里的海洋上散布非常小的反射粒子”，以便将大约 1% 的阳光反射回太空——基思说，这是一个“疯狂的地球工程解决方案”，“甚至行不通”。
在随后的几十年里，地球工程的想法从未消失，但它们确实被推到了边缘——科学家和环保主义者普遍认为它们是愚蠢甚至不道德的尝试，旨在避免解决全球变暖的根本问题。最近的三项发展使它们重回主流。
首先，尽管进行了多年的讨论和国际条约，但 CO2 排放量的上升速度甚至超过了政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 在 2007 年最近设想的最坏情况。“趋势是上升的，并且越来越依赖煤炭，”加利福尼亚州斯坦福市卡内基科学研究所的气候建模师肯·卡尔代拉说。
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其次，两极冰层融化的速度比以往任何时候都快，这表明气候可能比任何人想象的都更接近崩溃的边缘——或者用现在的术语来说，更接近临界点。
第三，保罗·J·克鲁岑写了一篇文章。这位杰出的荷兰大气化学家在 2006 年在Climatic Change杂志上发表了一篇论文，他在论文中也怀着沉重的心情敦促认真考虑地球工程，“让真相大白”，基思说。克鲁岑因其在 1995 年对大气臭氧破坏的研究获得了诺贝尔化学奖；如果他认真对待地球工程，那么似乎每个人都需要认真对待。
到 2007 年 11 月，基思和哈佛大学地球物理学家丹尼尔·P·施拉格毫不费力地说服了顶尖气候科学家加入热情的地球工程师，在马萨诸塞州剑桥市参加了一个研讨会。最后，所有人都同意需要进行更多研究——有些人是因为地球工程确实让他们兴奋，有些人是因为他们认为地球工程是两害相权取其轻，还有些人是因为他们希望彻底否定它。但仍然存在共识：地球工程又回来了。
地球工程方案分为两类，对应于您可能想象的用于调节地球温度的两个旋钮。一个旋钮控制到达地球表面的阳光量——或更准确地说，太阳能量；另一个旋钮控制逸回太空的热量，这取决于大气中 CO2 的含量。例如，通过用铁肥沃海洋来去除大气中 CO2 的方案，将更接近问题的根源。但这不可避免地需要数十年才能产生多大影响。相比之下，遮阳伞原则上可以立即阻止全球变暖——尽管只是在保持遮阳伞的时间内。因此，遮阳伞的想法解决了某些科学家认为的气候问题的极端紧迫性。“如果格陵兰冰盖明天开始崩塌，而你是美国总统，你会怎么做？”施拉格问道。“你别无选择。”
然而，到目前为止，对任何方法或其潜在的重大且不可预测的副作用的研究都相对较少。“谈论多于工作，”卡尔代拉说。“大多数研究都处于业余水平。”有些想法不值得做更多的事情——例如，在海洋的大部分区域散布反射粒子，这将不可避免地污染海洋，而且这些粒子可能会很快冲到海滩上。但其他想法则更难忽视。
否定地球工程背后的基本原理仍然更难。今天，很少有研究人员认为，阻挡太阳光可以替代阻止大气 CO2 的上升，或者地球工程本身可以解决 CO2 问题。相反，他们认为这可能会给我们争取时间，进行将世界转变为碳中性能源所需的革命。“我认为应该考虑地球工程的原因，”国家大气研究中心 (NCAR) 的汤姆·M·L·威格利说，“是因为我不认为我们将通过摆在桌面上的减排方法来拯救地球。没有人认真对待技术挑战的严峻性。”
平流层中的粒子
克鲁岑和威格利都辩护的地球工程方案是最便宜且最肯定有效的；早在 1974 年，时任列宁格勒主要地球物理天文台的已故俄罗斯物理学家米哈伊尔·I·布迪科就提出了该方案。这个想法是将每年数百万吨的二氧化硫 (SO2) 注入平流层。在那里，它将与氧气、水和其他分子反应，形成由水、硫酸 (H2SO4) 以及酸和水凝结在其上的任何灰尘、盐或其他颗粒组成的微小硫酸盐液滴。硫酸盐液滴云会散射阳光，使日落更红，天空更苍白，地球表面平均温度更低——每个人都同意这一切。1991 年，菲律宾皮纳图博火山爆发，向平流层排放了 2000 万吨 SO2，它产生了所有这些影响：它使地球在一年左右的时间里降温了近华氏一度。“所以我们基本上知道它有效，”卡尔代拉说。事实上，卡尔代拉早在克鲁岑撰写相关文章的近十年前就开始对这个想法进行建模。
当克鲁岑拾起这个线索时，世界已经为地球工程做好了准备；自布迪科的论文发表以来，世界已经变暖了一度，并且融化了很多冰。在 1990 年代，爱德华·泰勒及其在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的同事提出，金属粒子可能会在空中停留更长时间并反射更多阳光，但克鲁岑坚持了更成熟的注入 SO2 的想法。这使他能够以一种引人入胜的方式构建他的提案。
他指出，通过燃烧化石燃料，人们每年已经向低层大气排放 5500 万吨 SO2（以及 80 亿吨 CO2）。世界卫生组织的数据显示，由此产生的 SO2 浓度每年导致 50 万人死亡。然而，它也会使地球降温——尽管没有人确切知道降温多少——因此，随着各国政府实施反污染法律，例如美国的《清洁空气法》，它们正在使全球变暖变得更糟。克鲁岑建议，将其中一些 SO2 输送到平流层不是更有意义吗？在那里，它可以为我们遮挡阳光，而不会杀死我们。
布迪科最初的想法是派遣飞机燃烧高硫燃料进入平流层；克鲁岑提议用气球输送 SO2。对于抵消例如工业化前水平 CO2 的两倍，需要多少 SO2 的估计各不相同。威格利将这个数字（通常表示为硫的重量）定为每年 500 万吨；克鲁岑和 NCAR 的菲利普·J·拉施计算出，150 万吨就足够了——前提是粒子的平均尺寸小于典型的火山粒子，即小于 0.2 微米。
所有这些估计都与我们已经排放到低层大气中的 SO2 量相比微不足道——而且与 CO2 问题的规模相比，它们微乎其微。卡尔代拉评论说，每年所需的 SO2 量大致相当于你可以通过消防水带输送的量。克鲁岑估计，他的方案每年将花费 250 亿美元到 500 亿美元，相当于发达国家每个公民 25 美元到 50 美元。这比普通美国人花在彩票上的钱还少，而且回报将更加确定：一个更凉爽的星球——至少在全球平均水平上是这样。
所有气候变化都是局部的
然而，区域温度模式才是最重要的。华盛顿大学的气候建模师大卫·S·巴蒂斯蒂认为，就此而言，阻挡阳光的 SO2 和捕获热量的 CO2 并不十分匹配。CO2 使地球昼夜、夏季和冬季都变暖。随着海洋和陆地上的冰融化，将白色和寒冷的表面替换为黑暗和温暖的表面，CO2 变暖在两极附近被放大。相比之下，平流层硫酸盐遮阳伞只会阻挡阳光照射的时间和地点；在极地冬季，它根本没有直接影响。因此，人们会期望它使热带地区比两极地区更凉爽——这与将气候恢复到工业化前状态所需的情况恰恰相反。
令人惊讶的是，到目前为止所做的少量模型模拟表明，硫酸盐遮阳伞的影响并非如此简单。“我们发现它在逆转全球气候变暖趋势方面实际上做得相当不错，”卡尔代拉说。通过在夏季将两极冷却到足以维持海冰的程度，遮阳伞触发了与放大 CO2 变暖相同的强大反馈，但方向相反。
但硫酸盐遮阳伞可能在其他方面存在严重的缺点。SO2 与 CO2 一样，不仅会影响地球的温度；它还会改变风和降水，其方式尚不可预测。由于到达地球表面的阳光减少，蒸发量也会减少，尤其是在热带地区，这可能会使降雨和淡水比今天更加稀缺。皮纳图博火山爆发似乎就是这样做的：根据 NCAR 的凯文·E·特伦伯斯和戴爱国的分析，火山爆发后一年，陆地上的降水量和河流径流量急剧下降。与此同时，较少的蒸发应该会导致土壤更湿润。卡尔代拉的模型表明，与单独添加 CO2 相比，在 атмосферу 中添加 SO2 和 CO2 会导致降水变化较小——简而言之，地球工程仍然比一切照旧有所改进。
无论降雨量是否减少，如果我们向平流层排放数百万吨硫酸，降雨都可能变得更酸性。在全球范围内，酸度增加可能很小——因为我们已经向低层大气排放了如此多的 SO2——但正如罗格斯大学的艾伦·罗布克在原子科学家公报中指出的那样，一些酸雨可能会落在迄今为止幸免于难的原始地区。
臭氧层空洞重现？
更令人担忧的是平流层臭氧。到达高层大气中的氯原子是长期用作冷却剂和喷雾推进剂的氯氟烃的遗留物，它们每年春天都会在南极臭氧层上挖一个洞，让紫外线 (UV) 阳光涌入。然而，破坏臭氧的化学反应仅在低于一定温度阈值且仅在平流层粒子（包括微小的硫酸液滴）的表面上发生。随着氯氟烃根据 1987 年《蒙特利尔议定书》逐步淘汰，臭氧层空洞正在变得更小更浅。但是，如果将更多的硫酸泵入平流层，它可能会充当催化剂，从而延缓臭氧的恢复。
果然，皮纳图博“实验”确实造成了一些臭氧损失，但损失不大。然而，根据 NCAR 的西蒙娜·蒂尔姆斯表示，影响的微小性具有误导性，因为火山爆发后的冬天恰好是温和的。蒂尔姆斯说，在寒冷的冬天，两极的臭氧破坏会更加严重。更糟糕的是，导致全球变暖的温室气体实际上倾向于通过将热量捕获在更靠近地表的地方来冷却平流层。
根据蒂尔姆斯的计算，如果我们要在未来几年开始向平流层注入 SO2，南极臭氧层空洞的恢复将被推迟 30 到 70 年。在寒冷的年份，北极高纬度地区也会出现臭氧层空洞，使那里的城市沐浴在致癌的紫外线辐射中。然而，正如拉施指出的那样，蒂尔姆斯的结论可能代表了“最坏情况”；她将抵消未来几十年 CO2 倍增所需的 SO2 量与今天平流层中存在的氯量结合在一起——即使氯在稳步减少。
因此，SO2 对臭氧的影响仍然不确定，就像硫酸盐地球工程的几乎所有方面一样。我们可以在明年开始这样做，但除了在全球范围内为地球降温之外，我们将不清楚自己在做什么——就像世界开始在冰箱和腋下除臭剂中使用氯氟烃时，我们不知道自己在对臭氧层做什么一样。克鲁岑在他的文章中承认了这种意外后果的铁律，他写道：“不应低估意外气候影响的可能性，南极臭氧层空洞的突然和不可预测的发展就清楚地表明了这一点。”
对流层中的海雾
在低层大气中，SO2 不仅会散射阳光并引起呼吸道疾病：它还会创造本来不存在的云，并使现有云层变亮，这就是所谓的氣溶膠间接效应。气候科学家认为，这种效应至少与气溶胶粒子的直接散射一样，已经使地球降温。轮船航迹——发动机尾气的线性云——生动地说明了这种现象：它们持续数天，并随着轮船沿途航行而延伸数百英里。卫星照片记录了它们反射回太空的阳光。
约翰·莱瑟姆为地球降温的想法本质上是通过用大量轮船航迹来增白现有海洋云层——但以更清洁的方式制造。莱瑟姆是一位退休的英国云物理学家，他认为，从一支无人驾驶帆船队向空中喷洒微小的海水滴可以达到目的。
气溶胶间接效应的基本机制非常简单。云反射的阳光量取决于构成云的水滴的表面积。“如果不是有少量大水滴，而是有很多小水滴，那么对于相同量的水[从蒸汽相凝结成液滴]，表面积会更大，”莱瑟姆解释说。原则上，向大气中添加粒子会形成更多但更小的水滴，因此云层会更白更具反射性。
如今，在陆地上空，空气中充满了人造颗粒，因此云层被认为比原本更白更具反射性。但在海洋上空，空气主要充满了天然颗粒，包括泡沫波浪吹到空中的海水滴。当水滴到达 1000 英尺时，大部分水已经蒸发，留下盐颗粒——但在那个高度，水蒸气又开始在颗粒周围凝结。新水滴形成低层海洋层积云，覆盖了世界海洋约四分之一的面积。莱瑟姆的想法是通过添加足够的空气盐雾使云层变亮，使云层中的水滴数量增加四倍。
爱丁堡大学的名誉工程学教授斯蒂芬·萨尔特提出了一项方案，至少在纸面上看起来很巧妙。“它基本上是一个浇水壶，”莱瑟姆说——但喷嘴将是一个硅晶片，上面蚀刻着数十亿个小于一微米的孔，它将安装在无人驾驶的卫星制导帆船上。更具体地说，该船将是一艘弗莱特纳船，它有高大的旋转圆柱体，类似于烟囱，但充当风帆，产生升力，因为一侧顺风运动，另一侧逆风运动。
在萨尔特的构想中，被船只经过的水旋转的涡轮机将产生电力，以保持圆柱体的旋转，并将海水以 0.8 微米的水滴喷洒到烟囱外。萨尔特和莱瑟姆估计，1500 艘轮船，每艘每秒喷洒 8 加仑——每艘造价 200 万美元，总计 30 亿美元——可以抵消 CO2 倍增造成的全球变暖。根据英国埃克塞特市气象局哈德利气候预测与研究中心的模型结果，在仅占海洋 4% 的区域部署轮船即可完成一半的工作。
尽管如此，没有人对冷却如何在地球上均匀分布进行建模。“你可能会最终得到一个波尔卡圆点世界，那里有非常冷的地方和非常热的地方，”巴蒂斯蒂说。另一个担忧是喷雾船只顺风方向的干旱；由许多小水滴组成的云层持续时间更长，这在遮阳伞中是理想的，但它们产生的降雨也更少。
最后，新云层会变亮多少尚不清楚。现有的气候模型高估了这种效果：根据这些模型，现在大气中的气溶胶应该正在抵消全球变暖，但这种情况显然没有发生。因此，拉施已经开始对莱瑟姆的想法进行建模。“这是我们最不了解的气候组成部分之一，”他说。
尽管如此，就地球工程方案而言，从风力船向空中喷洒海水听起来相当温和。莱瑟姆说，如果出现任何问题，你可以在几天或最多几周内关闭喷雾——而平流层中的硫酸将滞留数年。“绝对值得研究，”威格利说。但只有实地测试才能回答关于这个想法的一些问题——到目前为止，莱瑟姆收到的唯一支持来自探索频道。为了给一部关于地球工程的纪录片系列寻找良好的视觉效果，电视制片人资助建造了一艘小型弗莱特纳船。
太空中的遮阳伞
探索频道还付费为 J·罗杰·P·安吉尔建造了一些东西：一块半英寸宽的氮化硅陶瓷盘。它是透明的，穿孔了许多微小的孔，厚度约为四分之一微米——是保鲜膜厚度的四十分之一，但硬度更高。安吉尔是亚利桑那大学斯图尔特天文台镜面实验室主任，他以创新地开发望远镜镜片和光学器件而闻名，因此他提出的用高性能汽车轴承中使用的相同材料制成的圆盘形光学器件的想法完全符合他的性格。几年前，他的妻子问他是否可以为气候变化做些什么。他的回应是研究一项旧的地球工程提案，委婉地说，这项提案完全超出了常规。
该提案呼吁在 L1 处放置遮阳伞，即内拉格朗日点，距地球一百万英里，朝向太阳的方向。（在拉格朗日点，太阳施加的引力与地球施加的引力相同。）从 L1 处，遮阳伞将在地球上投下均匀的阴影，而不会污染大气。
在安吉尔的方案中，天基遮阳伞不是单个航天器，而是数万亿个航天器——每个航天器都是一个两英尺宽的氮化硅圆盘，配备计算机和导航系统，重量不超过一克。（安吉尔指出，帝王蝶的重量不到一克，它们可以导航数千英里到达墨西哥的繁殖地。）这些“飞行器”将以一百万个一堆的方式发射，大约每分钟一堆，持续 30 多年，通过电磁线圈枪发射，电磁线圈枪将超过一英里长，而且大部分在地下。因此，安吉尔建议将遮阳伞的重量保持在从地球发射的不到 2000 万吨。然而，作为比较，这仅略低于国际空间站当前质量的 70,000 倍——将如此庞大的质量抛向天空绝非易事。
高效的离子推进发动机将把每堆飞行器从地球轨道运送到 L1，在那里，飞行器将被像从牌堆中扔出的牌一样分发到一个 60,000 英里长的云层中，指向太阳。“牧羊犬”卫星在云层中巡逻，将建立一个本地全球定位系统，每个飞行器都将通过充当太阳帆的小镜子来防止自己漂出云层。太阳光子将直接穿过每个飞行器中的氮化硅，但穿过飞行器孔洞的光子将略微提前出来。因此，这两组光子将发生破坏性干涉，阻挡原本会到达地球的一些阳光，并将大约 2% 的阳光散射到地球的两侧。
很难知道安吉尔对这个想法有多认真。“这不是一个快速、廉价的解决方案，”他愉快地说。事实上，根据威格利的说法，天基遮阳伞的标价粗略估计为 5 万亿美元，“完全不可能实现”。卡尔代拉说，它“需要如此艰巨的努力”，“也许建造风力涡轮机和太阳能发电厂更容易”。安吉尔本人似乎也同意；他现在大部分时间都在试图思考如何集中阳光并提高光伏效率。毕竟，他指出，任何遮阳伞都会浪费太阳能。
聪明与愚蠢
地球工程无法解决 CO2 问题——部分原因是问题不仅仅是全球变暖。如果我们用遮阳伞阻止全球变暖，CO2 将继续渗入海洋，缓慢地酸化海洋，随着时间的推移，生态后果可能会很可怕。尽管如此，暂时阻止全球变暖可能是有价值的。卡尔代拉说，硫酸盐地球工程“便宜到单个行为者可以自己做并承担成本”。美国可以选择拯救格陵兰冰盖（从而防止佛罗里达州被淹），中国可以选择拯救喜马拉雅冰川，瑞士可以选择拯救滑雪产业，所有这些都无需费力谈判全球气候条约。从你的角度来看，这是地球工程更具吸引力或更可怕的事情之一。
然而，最可怕的事情可能是，如果我们不减少碳排放，而是建造一个冷却遮阳伞——然后允许它失效，将会发生什么。芝加哥大学的气候建模师雷蒙德·T·皮埃尔亨伯特将这种情况称为“达摩克利斯世界”。支撑 CO2 之剑的细硫酸盐线必须年复一年地维持下去，并不断注入越来越多的 SO2。如果它因战争、内乱或预算危机而断裂，累积的 CO2 将在一瞬间使地球变暖，从而造成正是遮阳伞旨在预防的紧急情况，而且情况更糟。卡尔代拉也模拟了遮阳伞崩溃的情景，以及蒙特利尔康考迪亚大学的 H·达蒙·马修斯；他们发现，地球可能会以每十年华氏 4 到 7 度的速度变暖，比今天变暖的速度快 10 倍。皮埃尔亨伯特认为，人类历史并没有让我们相信我们能够阻止这样的灾难。在他用来展示自己模拟结果的图表上，地球工程停止且温度飙升的点被标记为“罗马沦陷”。
今天没有人知道地球工程是否真的有意义。大多数工作人员都会同意，进一步研究现在是不可避免的——但他们对这种研究的态度各不相同。对于某些人，例如威格利来说，遮阳伞可能是一种合理的策略，可以为转变为碳中性能源供应的长期劳动争取时间。其他人则担心这会消除人们努力工作的动力。“世界似乎终于意识到气候变化的严重性，而这个精灵却在这个时候从瓶子里出来了，这真是非常不幸，”皮埃尔亨伯特最近在加利福尼亚大学圣巴巴拉分校卡弗里理论物理研究所对听众说。“如果人们开始过早地将此视为后备立场，那么这种技术可能会扼杀刚刚开始采取的旨在大幅度减少排放的行动，这存在巨大的风险。”
最终，这场辩论归结为对人性的不同看法——以及科学约束人性的力量。“从科学上讲，仅仅进行地球工程而不减少排放将是极其愚蠢的，”威格利说。“如果我们这样做，我们就会陷入困境，人们会意识到海里已经没有鱼了。我们没有那么愚蠢。我们可以受到良好科学的指导。”
和许多其他人一样，皮埃尔亨伯特持更悲观的看法。他的 PowerPoint 幻灯片上的一个要点只是写着：“我们完全有能力做蠢事。”
注：本文最初以“地球遮阳伞”为标题发表。
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