在2023年2月12日一个清爽的下午，两名男子将一辆温尼巴哥房车停在内华达州里诺市郊外的一片田野旁。他们点燃了一个便携式烤架，烧烤了一拳头大小的黄色硫磺粉末，产生了一股稳定的无色二氧化硫（SO2）气体。空气中弥漫着臭鸡蛋的气味，他们用工业吸尘器将气体泵入一个直径约有一把沙滩伞大小的气球中。然后，他们在气球中加入了足够的氦气使其升空，连接了一个摄像头和GPS传感器，并将其释放到空中。在接下来的几个小时里，他们追踪着气球，看着它上升到平流层，并向西南方向漂移，越过内华达山脉，然后爆裂，释放出其气体内容物。这个装置坠落到加利福尼亚州斯托克顿附近的一片牛 pasture 中。
这个气球只释放了几克二氧化硫，但这一行为大胆地展示了长期以来被认为是禁忌的事情——向平流层注入气体以减缓全球变暖。一旦释放，二氧化硫与水蒸气反应形成液滴，这些液滴悬浮在空气中——一种气溶胶——并充当微小的镜子，将入射的阳光反射回太空。太阳地球工程公司 Make Sunsets 的创始人卢克·艾斯曼和安德鲁·宋已向公司和个人出售“冷却信用”；10 美元的购买将资助释放一克二氧化硫，他们说这将抵消一吨大气二氧化碳一年的变暖效应。他们原计划在墨西哥发射，但在墨西哥政府禁止他们后，转到了美国。
许多人对太阳地球工程，或通常所说的太阳辐射管理（SRM）的概念感到反感。人类应该尝试通过进一步干预来修复他们已经搞乱的大气层的想法似乎充满了危险——一种势必会适得其反的浮士德式傲慢行为。但随着人类不太可能足够快地减少排放以将全球变暖控制在 1.5 摄氏度以下变得越来越明显，一些科学家表示，SRM 可能不如让变暖持续下去那么可怕。即使关于它们的争论变得越来越激烈，冷却地球的提议也变得越来越具体。
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SRM 复制了大型火山爆发产生的自然现象。当皮纳图博火山于 1991 年在菲律宾爆发时，它向平流层喷射了 2000 万吨二氧化硫，形成了一个“气溶胶阳伞”，在接下来的一年左右的时间里，地球降温了约 0.5 摄氏度，然后液滴沉降回地球。研究表明，如果以足够的规模部署 SRM——也许每年相当于四分之一的皮纳图博火山爆发，足以阻挡 1% 或 2% 的阳光——它可以减缓变暖，甚至使地球略微降温。它的效果将在几个月内感受到，每年的成本仅为数十亿美元。相比之下，摆脱化石燃料预计需要几十年时间，而在此期间排放的二氧化碳可能会使变暖更加严重。使用机器从空中去除数十亿吨二氧化碳（这一过程称为直接空气捕获）可以减缓变暖，但会与自身作斗争——这些机器可能会使世界能源消耗增加高达 25%，从而可能产生更多的温室气体排放。由于 SRM 可以快速产生效果，因此它具有政治吸引力。卡内基科学研究所的气候科学家荣誉退休教授肯·卡尔代拉说，这是“政治领导人可以做的唯一一件可以在其任期内对气温产生明显影响的事情”，他同时也是比尔·盖茨创立的组织 Breakthrough Energy 的高级科学家。
卡尔代拉和其他人表示，应该极其谨慎地推行 SRM——如果一定要推行的话。它可能会明显地使我们湛蓝的天空变白。它可能会削弱保护我们和地球生物圈免受紫外线辐射的平流层臭氧层。它可能会改变天气模式，并移动为数十亿人灌溉农作物的季风。而且它无助于解决其他与二氧化碳相关的问题，例如海洋酸化，海洋酸化正在损害珊瑚、贝类和一些浮游生物形成骨骼和外壳的能力。
批评者还表示，SRM 这种“逃生舱口”的想法可能会削弱对减少温室气体排放的支持。就像处方药一样，如果 SRM 使用得当——临时且小剂量——它可能是有益的，可以缓解可能出现的危险高温一两个世纪，并为人类争取更多时间过渡到可再生能源。但它也可能被滥用。在高剂量下，它可能会越来越扭曲气候，改变天气模式，使国家与国家对立，甚至可能导致战争。
由于所有这些原因，超过 400 名科学家签署了一封公开信，敦促各国政府在全球范围内禁止 SRM 实验。但其他科学家仍在继续进行研究，即使他们不情愿。“我认识的所有从事这项研究的科学家——他们都不想从事这项研究，”罗格斯大学的气候学家艾伦·罗布克说。罗布克曾向世界展示核冬天将如何笼罩地球，出于一种责任感研究 SRM。“如果有人将来想尝试这样做，”他说，“他们应该知道后果是什么。”
图片来源：露西·里丁-伊坎达
支持试验的专家指出，不受控制的变暖同样会产生重大影响。在最近的一份报告中，世界气象组织估计，到 2027 年，世界年平均气温有 66% 的可能性会短暂超过工业化前水平 1.5 摄氏度——这是一个危险的阈值，超过这个阈值就会对环境造成极端破坏。2023 年 2 月 27 日，在艾斯曼和宋将烧烤过的硫磺送入天空几天后，包括气候变化先驱詹姆斯·汉森在内的 110 位气候科学家发表了另一封公开信，敦促政府支持 SRM 研究。第二天，联合国呼吁制定国际法规，为实验铺平道路。6 月，拜登政府发布了一份报告，概述了 SRM 研究计划的可能面貌。
芝加哥大学气候系统工程负责人大卫·基思说，即使 SRM 降低了平均气温，它也不会将气候恢复到工业化前的状态，他研究这个想法已经超过二十年了。但这可以减轻我们即将遭受的伤害。
人类可以出于自身目的改变地球大气层的想法由来已久。1962 年，美国军方启动了“愤怒风暴计划”，试图通过向飓风云层中播撒碘化银颗粒来减弱飓风。从 1967 年到 1972 年，美国空军在越南和老挝尝试了天气控制战；在一项高度机密的行动“大力水手行动”中，多架飞机每天执行任务，向季风云层喷洒铅和碘化银粉末。目的是增加降雨量，这将使粗糙道路网络胡志明小道泥泞不堪，从而中断越共的补给线。
几乎在科学家们意识到二氧化碳升高会导致地球变暖后不久，他们中的一些人就提出使地球更具反射性以抵消这种影响。1965 年，科学家向林登·B·约翰逊总统报告说，可以通过在海洋上散布反射性颗粒来解决二氧化碳升高引起的变暖问题。1974 年，俄罗斯气候学家米哈伊尔·布迪科建议，通过飞机或火箭向平流层注入二氧化硫可以反射阳光。他写道，这项技术“应毫不拖延地开发”。也许令人惊讶的是，这些提议不包括减少排放的想法。
在接下来的二十年里，行星尺度工程的想法并没有获得太多关注。当加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的工程师、 “星球大战”导弹防御系统的早期倡导者洛厄尔·伍德在 1998 年阿斯彭全球变化研究所会议上站起来吹捧平流层气溶胶的冷却效果时，反响冷淡。“肯 [卡尔代拉] 和我站在后屋里，几乎对他大喊大叫，”基思回忆道。他“完全夸大了它的效果”。他们的怀疑基于简单的逻辑：二氧化碳通过吸收来自地球的长波辐射，全年、日夜均匀地加热地球，从赤道到两极，而阳光主要在较低纬度加热地球，在夏季和白天效果更强。卡尔代拉说，他们认为削弱阳光会不均匀地冷却地球。“你在赤道地区会获得更多的冷却，”夏季的冷却更多，而在两极的冷却更少。
卡尔代拉回到他也在工作的利弗莫尔，并说服那里的气候科学家戈文达萨米·巴拉使用复杂的计算机模型来测试这个想法。该模型将入射阳光减少了 1.7%——足以抵消二氧化碳水平是工业化前水平两倍所产生的变暖效应。“它的效果比我们预期的要好得多，”卡尔代拉说。2000 年发表的结果表明，SRM 仍然会使热带地区比两极地区冷却得更多，并且在夏季比冬季产生更大的差异，但总体而言，全球范围内的冷却将比巴拉、卡尔代拉和基思想象的要均匀得多。
包括罗布克在内的研究人员联盟后来在十几个不同的气候模型中复制了巴拉的结果。但他们 2013 年的发现揭示了一个危险信号。随着平流层气溶胶浓度的增加，冷却变得越来越不均匀，气候也变得更加扭曲。如果使用平流层气溶胶来抵消二氧化碳水平增加四倍造成的平均变暖，热带地区将比工业化前时期低 0.3 摄氏度，但极地地区仍将高 0.8 摄氏度。永久冻土和海冰可能无法完全恢复，这意味着我们将无法扭转气候变化的一些最具破坏性的影响。
巴拉发现了另一个令人担忧的细节：平流层气溶胶可能会减少降雨和降雪。研究人员知道，变暖会增加水的蒸发，从而导致更多的降水，因此有理由认为反之亦然。但巴拉发现，削弱阳光可能会比降低温度更多地减少降雨量。这是因为阻挡阳光，同时保持高二氧化碳水平，会稍微降低水蒸气形成云的趋势。对 12 个模型的模拟预测，如果使用 SRM 完全抵消二氧化碳增加四倍造成的变暖，与工业化前时期相比，热带地区的某些地区每年的降雨量将减少 5% 到 7%，这可能会损害农作物或热带森林。
这和其他观察结果促使基思和他的同事建议采用低剂量 SRM 方法，其中平流层气溶胶注入将暂时用于减少气候变化的影响，为各国争取时间减少温室气体排放并从大气中吸收（或“捕获”）二氧化碳。
基思在 2018 年与康奈尔大学的气候科学家道格拉斯·麦克马丁和斯克里普斯海洋研究所的凯瑟琳·里克合著的一篇论文中概述了这种情况。他们设想了一个世界，在这个世界中，温室气体排放量减少，碳捕获得到部署，以便二氧化碳在 2070 年达到略高于工业化前浓度两倍的峰值，然后开始缓慢下降。这将导致大约 3 摄氏度的变暖——非常多。为了将变暖限制在 1.5 摄氏度，平流层气溶胶注入将在 2030 年左右开始，并缓慢增加。注入将在 2070 年达到顶峰，然后缓慢减少，并在大约两个世纪后停止，届时二氧化碳水平已充分下降。伦敦大学学院的气候科学家彼得·欧文通过 13 个模型运行了这种情况。2019 年发表在《自然·气候变化》上的结果表明，在二氧化碳浓度达到峰值的时期，平流层气溶胶将减少变暖并减轻地球 99.6% 无冰陆地表面的极端降水（包括干旱和洪涝）。
最终可能会开发出其他 SRM 方法来平衡冷却效果。海洋云增亮将涉及将海盐喷射到 1000 米的空中，以促进云滴的形成，从而增加海洋某些地区低层云的反射率。在卷云变薄中，碘化银颗粒将被喷射到 4,500 至 9,000 米高度的云层中，扩大这些云层中的冰晶，使其从空中落下。剩余的、更薄的卷云将允许更多来自地球的长波辐射逃逸到太空。华盛顿大学研究海洋云增亮的 атмосферный 科学家莎拉·多尔蒂说，这两种方法都比注入二氧化硫具有更局部的效果，因此有可能有选择地部署它们以平衡平流层气溶胶的影响。“最终可能会发现，每种方法都做一点[方法]将使您能够最大限度地提高收益并最大限度地降低风险，”她说。
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平流层气溶胶注入是研究最深入的太阳地球工程方法，也是最接近部署的方法。但要使其发挥作用，需要克服重大挑战。20 公里高空的大气层既不像地球，也不像太空。在那个高度，大约是商用飞机飞行高度的两倍，气压仅为我们在地面上享受的气压的 5%——低到足以使人嘴和肺中的液体自发沸腾。飞机机翼的升力微乎其微。全球只有少数几架研究飞机可以在如此稀薄的空气中运行。最著名的是 NASA 的 ER-2，它是 U-2 间谍飞机的衍生机型，机身很小，机翼细长而超大。它由一名必须像宇航员一样穿全套加压服的人驾驶。它携带的货物不到两公吨。
在过去的 50 年里，ER-2 飞机执行了 4,500 多次研究任务，对平流层中的气溶胶和气体进行了采样。它们改进了我们对臭氧如何被破坏的理解。它们飞越了火山爆发的羽流。它们还帮助创建了 SRM 所基于的科学基础。但这些高空信天翁永远无法携带数吨二氧化硫。
耶鲁大学环境学院前航空业高管、气候研究员韦克·史密斯说，能够胜任这项工作的飞机可以使用现有技术在很大程度上开发出来。自 2017 年以来，史密斯完善了一种六引擎飞机的概念，该飞机大致基于 B-47 同温层喷气式飞机，这是一种 20 世纪 40 年代设计的美国空军高空飞行器，用于将核弹运送到苏联境内深处。史密斯的平流层气溶胶注入升降机每次飞行可将 15.7 吨气溶胶提升到 20 公里的高度。根据所需的 SRM 量，史密斯设想到 2100 年，每天将有 90 到 900 架飞机执行任务。建造第一架飞机可能需要 7 到 10 年；建造一支机队可能需要 20 年。
史密斯估计，一旦飞机建成，该计划每年可能花费 180 亿美元，每摄氏度冷却。与每年需要花费数千亿美元从大气中去除数十亿吨二氧化碳相比，这只是一个小数目。但与碳去除相比，SRM 更有可能造成噩梦般的意外后果。任何国家进行的平流层注入都会影响全球。如果操作不当，它们可能会扰乱天气模式和数十亿人的生活。
很大一部分人类依赖于被称为热带辐合带的雷暴和降雨带。该区域横跨地球周围的赤道，并随着季节变化向北或向南移动多达 2,500 公里，始终被拉向较温暖的半球。它的移动产生了季风，季风每年夏天都会到达印度、东南亚、非洲和其他地区，每年降水量超过 45,000 立方公里，仅在南亚就维持了 15 亿人的农作物。
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2008 年，在利弗莫尔首次在模型中测试 SRM 的科学家巴拉搬到了班加罗尔的印度科学研究所，开始研究人类活动可能如何影响该国的季风。他的模拟表明，如果在赤道注入气溶胶，它们将蔓延到南北半球，对季风模式几乎没有影响。但有些人提出了一项极地战略，即在高北纬地区注入气溶胶，以减缓北极快速变暖，而不会使热带地区过度冷却。巴拉说，这项善意的提议将对印度季风产生“巨大影响”。他 2022 年发布的最新计算表明，如果在北纬 30 度进行足以使地球降温 1.5 摄氏度的注入，季风带可能会向南移动约 150 公里，从而使印度的夏季降雨量减少多达 29%，并威胁到农作物。
巴拉的研究表明，平流层气溶胶注入绝不是局部的；它不可避免地具有深远的影响。2021 年，里克模拟了印度洋上空的气溶胶注入，目的是增加降雨量并扭转北非半干旱萨赫勒地区长期存在的干旱。干预只是将干旱转移到了东非的另一组国家。另一项 2022 年的模型研究表明，平流层气溶胶可能会将疟疾的负担从东非的高地地区转移到南亚和撒哈拉以南非洲的低地地区。一些目前寄生虫繁殖的地区会变得太冷而不适合寄生虫生存；其他目前太热的地方会冷却到足以让寄生虫扎根。南非开普敦大学的生态学家克里斯托弗·特里索斯说，这些风险的巨大转移可能会损害“在我们谈论地球工程时经常被排除在外的国家”，他共同领导了疟疾研究。
里克说，由于所有这些原因，SRM 研究处于“非常危险的境地”。大多数研究都假设它将以国际协调的方式进行，但她说模型师也应该研究随意进行注入的情况。SRM 的成本相对较低意味着许多国家都负担得起。“我认为有人会尝试这样做是不可避免的，”里克说。
想象一下一个噩梦般的场景，在这个场景中，各个国家为了应对热浪、火灾或洪水，开始单方面注入气溶胶。想象一下，俄罗斯发起高纬度注入以冷却其北极地区。这一行动将把季风带向南推，剥夺印度、泰国和越南的关键降雨。它也可能将暴雨向南转移到巴西，引发洪水。如果这些国家通过开始自己的注入来减少降雨量，那么平流层可能会出现危险的升级。一个国家甚至可能摧毁另一个国家的 SRM 飞机，导致变暖突然反弹，甚至可能引发战争。
支持 SRM 的人指出，研究表明它可以经济实惠地减少极端气候。批评者指出，研究表明它可能造成的破坏。但试图预测影响的科学家会承认，这些预测中的大多数都包含巨大的不确定性。不确定性始于所使用的模型。尽管 SRM 在十几个气候模型中都显示出一致的结果，但这并不是因为各种各样的方法正在趋同于相同的答案。基思说，这是因为“我们有太多人在运行相似的气候模型”。如果一个模型背后的假设是错误的，那么所有模型都可能是错误的。
用于预测 SRM 影响的模型包含数十个变量，这些变量代表从气溶胶液滴的化学反应性到其大小的物理参数。变量的微小变化可能会产生广泛的后果。例如，直径为一到两个微米（小于红细胞）的液滴应该最有效地反射阳光，因为它的直径接近大多数入射太阳辐射的波长。较大的液滴不仅效果较差，它们实际上还可能通过吸收来自地球表面的长波辐射而导致变暖，否则这些长波辐射会逃逸到太空。另一个关键变量是液滴引起破坏臭氧的化学反应的速率。当研究人员试图预测平流层注入的影响时，他们会插入他们对这些变量的最佳估计值。问题在于大多数研究都使用类似的估计值。“最大的问题，”基思说，“是，我们错了吗？”
为了解决这种不确定性，基思建议运行大型“集合”——同一模型的数百个不同版本，在这些版本中插入了不同的数字组合。科学家们仅对 SRM 效应进行了少量此类研究。基思希望在芝加哥大学监督更多的集合工作。这项研究产生的气候结果范围随后可以插入到预测 SRM 如何影响作物产量、森林火灾、风暴或疟疾和其他疾病传播的模型中。
然而，无论科学家运行多少大型集合，在 SRM 在现实世界中进行测试（并且在比两个人放飞里诺郊外的气球更大的规模上进行测试）之前，都不可能知道 SRM 将如何工作。2011 年，基思和卡尔代拉发表了一份分析报告，表明有意义的平流层注入试验将需要十年时间。每年必须注入数十万吨二氧化硫——理论上足以逆转工业化前二氧化碳水平翻倍造成的 10% 的变暖。换句话说，最低限度的可行实验“将与部署无法区分”，卡尔代拉说。
较小的实验可以减少模型中的不确定性。例如，科学家可以通过建造注入设备并使用它向平流层释放从几公斤到几公吨二氧化硫的物质，从而更好地了解注入设备。这项工作可以揭示喷射出的液滴在空中是否保持相同的大小、有关化学反应的细节以及它们对臭氧的影响。事实上，自 20 世纪 60 年代以来，科学家们一直在进行类似的研究，向平流层释放示踪剂，例如硫化锌粉末或六氟化硫气体，以研究气流。
但是，当研究主题是 SRM 时，即使是小型实验的障碍也变得极端。2021 年初，基思和哈佛大学的大气化学家弗兰克·科伊奇正在计划首次 SRM 现场试验。平流层受控扰动实验 (SCoPEx) 旨在模拟平流层飞机释放的气溶胶轨迹。一个自推进气球将上升 20 公里，在其螺旋桨尾迹中释放半公斤硫酸盐，然后飞回气溶胶轨迹以监测其演变过程。该实验仅释放商业跨大西洋航班排放量的 0.3%。研究人员计划于 2021 年 6 月在瑞典北部进行首次发射，仅用于测试设备，而不释放任何气体。但从未发生。
2021 年 2 月，萨米议会（一个代表该地区土著驯鹿牧民的团体）向瑞典政府抗议，称他们没有被告知在其领空进行的测试。他们与瑞典绿色和平组织和其他几个环保组织一起，说服政府取消了该测试。麦克马丁说，抗议活动与测试的环境影响无关。他说，发生的事情是，“关于‘哦，我的上帝，我们甚至想走这条路吗？’的整个对话都被贴在了那个实验上。”
许多 SRM 反对者希望彻底禁止实验。然而，一些科学家仍在继续这项研究，因为他们认为这是负责任的做法。“最应该提倡实验的人是那些认为会发生坏事的人，”卡尔代拉说。“现在有人可以做的最有价值的实验是[表明]会产生非常可怕的后果的实验。”而且，如果 SRM 要进行研究，甚至可能要推出，最好尽早且更逐步地开始，以便可以理解缺点。具有讽刺意味的是，如果 SRM 推迟到气候影响变得极端时才进行，可能会获得更多的公众支持，但在那时，它将不得不紧急且迅速地进行。“在政治风险和环境风险之间存在真正的错配，”卡尔代拉说。
凯利·万瑟说，即使是小型实验也需要政府资助和监管的合法性。她是 Silver Lining 的执行董事，Silver Lining 是一个非营利组织，该组织正在鼓励国家科学基金会和其他政府机构为 SRM 研究建立资金，并制定规则，明确规定如何以及何时可以进行实验。里克说，科学家们会喜欢这种治理方式。毕竟，它长期以来一直存在于其他敏感科学领域，例如人体医学研究，并提高了这些研究的质量。目标是建立一个国际机构，类似于政府间气候变化专门委员会，该机构将在考虑富裕国家和贫穷国家的利益的同时，确定研究优先事项。里克说，在没有这种结构的情况下，合法的科学就无法进步，“流氓活动开始出现”。
在里诺气球释放两个月后，4 月 10 日，艾斯曼和宋访问了加利福尼亚州伯克利码头，发射了另外三个平流层气球，这些气球由客户购买的 2,840 美元冷却信用资助。“一架 747 在几分钟内就会排放这么多，”艾斯曼右手高举第一个气球时说，背景是波光粼粼的旧金山湾，一个摄制组正在拍摄。然后他放开了气球。几天后，这两名男子参加了在旧金山举行的地球日活动，在那里他们帮助孩子们发射了自己的小气球，这些气球涂有粉笔灰，可以雾化。“我们的目标，”艾斯曼说，“是培养 1,000 名新的地球工程师。”
编者注（2023 年 10 月 27 日）：描绘热带辐合带和信风的图表在发布后进行了编辑，以纠正被称为费雷尔环流的中纬度大气环流单元的方向。文章的文本此前已于 9 月 26 日进行了修订，以更好地阐明凯瑟琳·里克关于太阳辐射管理研究处于危险境地的评论的描述。