利用太陽能地球工程減緩全球變暖——前景仍不明朗丨Engineering
利用太陽能地球工程減緩全球變暖——前景仍不明朗丨Engineering
engineering2015
《Engineering》是中國工程院院刊主刊，工程類綜合性期刊，旨在為全球提供一個高水平的工程科技重大成果發(fā)布交流平臺，報道全球工程前沿，促進工程科技進步，服務(wù)社會、造福人類。中國科技期刊卓越行動計劃領(lǐng)軍期刊。 中英文出版，全文開放獲取。
以下文章來源于中國工程院院刊 ，作者《Engineering》
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2021年3月，一項罕見的現(xiàn)場試驗在澳大利亞大堡礁展開，試驗的內(nèi)容是 海洋云層增亮（MCB）技術(shù) 。研究人員 通過配有新型噴嘴的渦輪機，將海水水霧從研究管道的尾部噴送至空氣中，觀察產(chǎn)生的白色羽流升至空中 （圖1）。
圖1. 2021年3月，在澳大利亞大堡礁舉辦的一次現(xiàn)場海洋云層增亮技術(shù)試驗中：研究團隊使用配有定制噴嘴技術(shù)的渦輪機（a），將海水水霧通過其研究管道尾部射入空氣（b），從一張無人機拍攝的照片中可以看到這種白色羽流是如何升入空中的（c）。
過去5年間， 該地區(qū)的珊瑚礁出現(xiàn)了多次大面積白化，原因是氣候變化導致海水溫度升高 。海洋云層增亮項目由位于澳大利亞科夫斯港的南十字星大學（Southern Cross University）的高級講師Daniel Harrison負責。作為珊瑚礁恢復(fù)和適應(yīng)項目（Reef Restoration and Adaptation Program）的一部分， 海洋云層增亮項目由政府資助并發(fā)起倡議，目的是“對新型干預(yù)措施進行開發(fā)、測試及風險評估，以幫助恢復(fù)珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)?！?/strong>
Harrison及其團隊 使用無人機和第二個管道上的各種氣溶膠遙感設(shè)備，研究了試驗產(chǎn)生的海水水霧的特征 。結(jié)果顯示， 噴出的水霧量不足以對云層產(chǎn)生明顯的改變 。但應(yīng)該進一步發(fā)展該項技術(shù)并擴大其規(guī)模，這樣可增大珊瑚礁上方的云量，提高其對太陽光線的反射能力，從而在小范圍內(nèi)降低水溫，保護珊瑚礁脆弱的生態(tài)系統(tǒng)。
研究人員雖然還沒有正式公布結(jié)果，但是當看到噴出的大多數(shù)海水水霧蒸發(fā)，留下大量的微鹽粒子升入空中，并融入上方的底層云后，他們對這樣的結(jié)果還是很滿意的。Harrison說：“在珊瑚礁上方制造羽流的一個最大的擔憂，就是由蒸發(fā)引起的冷卻會導致羽流沉積，并順著海水飄散，因為這會決定整個方案是否可行。但我們發(fā)現(xiàn) 實驗中80%的羽流都升入了空中 ，這一結(jié)果讓我們很受鼓舞?！?
該項工作將大眾的目光轉(zhuǎn)移到太陽能輻射干預(yù)（SRM）或太陽能地球工程這一新領(lǐng)域。該類型的試驗很少見，因為通過技術(shù)刻意改變氣候在政治及環(huán)境角度都有爭議，而且也很少能受到資助。但隨著氣候變化的前景越來越令人擔憂，有細微跡象表明， 在逐步實施削減溫室氣體排放政策的同時，對于太陽能輻射干預(yù)幫助緩解氣候變化的潛力也進行了再評估 。
太陽能輻射干預(yù)可分為很多子類別，海洋云層增亮和平流層氣溶膠注射（SAI）是其中最主要的兩部分。 該技術(shù)操作遵循的原則都是將更多的太陽光反射到太空中，對地面達到一個冷卻的效果 。在海洋云層增亮技術(shù)操作中，風將大海中噴出的粒子送入層積云，該粒子發(fā)揮云凝結(jié)核（CCN）的作用——空氣中的水分需要這種粒子凝結(jié)成云。擴大可供水分凝結(jié)的云凝結(jié)核數(shù)量，會增加云層的反射表面積，以及海面上該區(qū)域云層的亮度。
雖然過去幾十年在利用播云技術(shù)提高降雨及降雪量方面進行了很多實踐研究——其本質(zhì)和海洋云層增亮技術(shù)產(chǎn)生的效果相反，但是 海洋云層增亮技術(shù)的潛力只是由模擬實驗的結(jié)果支持，原因是這些實驗并非故意釋放足夠多的粒子去發(fā)揮作用或擾亂云層，以及制造足夠多的云，專門用于太陽能輻射干預(yù) 。底層海洋云層在船泄漏的污染軌跡附近以條痕形式變亮（圖2），這一現(xiàn)象被稱為“船尾跡”（Ship track）。“船尾跡”可以算作偶然發(fā)現(xiàn)的一個海洋云層增亮技術(shù)的例子——并且該技術(shù)確實也是受此啟發(fā)。
圖2. 美國西海岸底層海洋云層泛白的條痕就是“船尾跡”，由船用發(fā)動機排放到大氣中的粒子造成。
而平流層氣溶膠注射則需要將氣溶膠（液態(tài)或固體粒子）注入平流層，使其擴散至全球，在大氣層高處形成反射層。巨型火山的噴發(fā)就很好地展示了平流層氣溶膠注射對地球的冷卻能力。例如，1991年菲律賓Mt Pinatubo火山的噴發(fā)，使得硫化氫和二氧化硫擴散至空氣中。后來形成的反射性硫酸鹽粒子將至少一年的全球氣溫拉低了0.5 ℃。
太陽能地球工程面臨爭議，主要原因是其大規(guī)模實施帶來的各種意外和地區(qū)性副作用 。英國牛津大學大氣、海洋和行星物理學教授Philip Stier說：“作為一種小規(guī)模科學試驗，海洋云層增亮技術(shù)非常有趣——不僅僅因為其處于地球工程的背景之下，還因為可以通過這種方式加深對氣溶膠以及云層的理解。然而，大規(guī)模應(yīng)用就是另一碼事兒了。比如說你實施了太陽能輻射干預(yù)技術(shù)，由此造成該地區(qū)的大氣循環(huán)改變，進而可能導致鄰國遭受突然的干旱。這種情況怎么處理？誰又對造成的損失負責？”
盡管海洋云層增亮技術(shù)的小規(guī)模區(qū)域測試與未來將要進行的大規(guī)模應(yīng)用區(qū)別很大，但研究本身還是會引起很多爭議。美國西雅圖華盛頓大學的高級研究員Sarah Doherty[她還是海洋云層增亮項目（Marine Cloud Brightening Project，MCBP）的負責人，該項目聚集了美國全部的大氣科學家及工程師，其目的是深入了解云層受氣溶膠粒子的影響]說道： “ 一部分人從意識形態(tài)的角度考慮，反對任何對氣候系統(tǒng)進行的更改，然而從更實際的角度說，目前氣候正在發(fā)生改變，其溫度將在幾十年以后顯著升高。面對這種危機我們應(yīng)該采取怎樣的一系列措施？”
在大堡礁現(xiàn)場試驗中，Harrison團隊使用由海洋云層增亮技術(shù)設(shè)計的噴嘴，將特定尺寸的海水水霧粒子高速噴至空氣中（圖3）。其目的是使水分迅速蒸發(fā)，空氣中殘留的微鹽粒子可以發(fā)揮云凝結(jié)核的作用。該噴嘴技術(shù)由一個退休工程師團隊負責完成，該團隊由美國加利福尼亞州帕洛阿爾托研究中心的多產(chǎn)發(fā)明家Armand Neukermans帶領(lǐng)，他同時還是早期噴墨技術(shù)的先驅(qū)。Doherty說：“我們親切地叫他‘Old Salts’?？紤]到子孫以后的生存環(huán)境，這些工程師很擔憂氣候問題?！?
圖3. 海洋云層增亮技術(shù)現(xiàn)場試驗中的定制噴嘴會產(chǎn)生大量極小的海鹽粒子（干燥直徑約50 nm），通過在小腔體中制造高壓的兩相流動混合物，噴出空氣及液滴，并避免因迅速碰撞導致粒子體積變大。
噴出粒子的大小對海洋云層增亮技術(shù)來說很重要。 內(nèi)部有大量更小液滴（由更小的云凝結(jié)核造成）的云層會比內(nèi)部含有較大液滴的云層反射更多的太陽光——這種現(xiàn)象被稱為圖梅效應(yīng)（Twomey effect）。海洋云層增亮項目團隊認為噴射系統(tǒng)一定會產(chǎn)生海水水霧液滴，這些水霧液滴能夠轉(zhuǎn)化為直徑為30~100 nm的海鹽粒子。尺寸稍小的粒子的效果不如云凝結(jié)核好，而大一點的又會降低凝結(jié)效率。Doherty說：“任何在尺寸上明顯更大的粒子實際上都會引發(fā)云層中的降水，云層在失去水分的時候會變暗?！?
最近一次的海洋云層增亮項目噴嘴技術(shù)對云層實際影響的現(xiàn)場試驗已經(jīng)是很多年前的事了，該團隊將注意力主要集中于研究高分辨率氣溶膠模型和云層互動模型，以便更好地理解這種潛在效應(yīng)（圖4）。 與海洋云層增亮技術(shù)一樣，大多數(shù)針對平流層氣溶膠注射技術(shù)的工作還只限于模擬 。因其成本高，又得不到資助，而且實驗將粒子釋放到大氣中也會遭到公眾堅決的反對。例如，2021年3月由于公眾的強烈抗議，一項由哈佛大學（美國馬薩諸塞州劍橋）研究團隊帶領(lǐng)進行的現(xiàn)場試驗只能終止。研究人員本來計劃在瑞典雅斯蘭吉太空中心（Esrange Space Center）上方的南極圈內(nèi)，利用高空氣球，進行平流層受控擾動實驗（Stratospheric Controlled Perturbation Experiment，SCoPEx）。第一次飛行不會在空中噴射任何東西，目的是通過使用設(shè)備獲取一些經(jīng)驗。然而，由于利益相關(guān)者（包括環(huán)保人士、科學家以及瑞典薩米族原住民社區(qū)）的反對，研究人員最終取消了這次試驗。
圖4. 該模擬云場是通過高分辨率的巨大波流仿真模型制作而成，海洋云層增亮項目團隊用它來研究從底層云噴射海鹽氣溶膠對低空海洋云層的影響。云層下面的白色和灰色代表海平面水溫，藍色表示溫度低，黃色表示溫度高。垂直的黃色區(qū)域代表降水。
在進一步開展工作之前， 平流層受控擾動實驗咨詢委員會建議“應(yīng)該在瑞士推動社會參與” 。美國加利福尼亞大學圣克魯斯分校的環(huán)境學副教授Sikina Jinnah說：“有些人會一直持反對意見，而其他人可能會表示贊同并漸漸加入進來。 花時間和精力讓公眾參與研究并正視其社會影響是很重要的 ?！盨ikina Jinnah于2021年5月加入了該平流層受控擾動實驗咨詢委員會。
Doherty說， 在該地區(qū)工作的科學家面臨的其中一個問題就是，該項試驗的小范圍基礎(chǔ)安全研究與太陽能輻射干預(yù)的實際實施情況大體相同 。“在決定應(yīng)用這些技術(shù)之前，我們一定要進行嚴格的討論。但是這就與基礎(chǔ)研究完全脫離了，因為基礎(chǔ)研究正是對試驗的可行性進行探究。在多次對話中，這種差異并沒有為人們所認識?！?
Stier同意這種說法，認為對研究太陽能輻射干預(yù)以及其他地球工程策略持反對意見是一種“道德危機”。他說； “ 如果人們認為政客會謹慎解釋此類研究，并且認為這不會對緩解氣候變化的減排活動造成影響，那么可能會有更多的人支持進行實驗。人們的擔憂來源于將研究誤解為‘不需要對減排負責’?！?/strong>
2019年3月，幾個為此擔憂的國家在聯(lián)合國環(huán)境大會上提出一項方案，旨在收集信息，并為太陽能輻射干預(yù)與直接碳捕獲（DCC）技術(shù)建立一種初級治理模型，但還沒就此達成協(xié)議。Jinnah說：“要治理很難，從根本上來說，就不存在治理，目前幾乎沒有。”
然而， 關(guān)于太陽能輻射干預(yù)的政治和文化慣性可能正在轉(zhuǎn)變 。例如，2021年年初，在瑞士的平流層受控擾動實驗被擱置的同時，美國國家科學院、工程院與醫(yī)學院發(fā)布了一份關(guān)于太陽能地球工程的報告，征集1億~2億美元用來資助探究此類干預(yù)措施的可行性。關(guān)于預(yù)算，報告闡述如下：“該資金要能支持主要現(xiàn)場研究活動的進行，”而這需要滿足非常嚴苛的條件，其中包括“提供尚未獲得的關(guān)鍵觀測數(shù)據(jù)，且該數(shù)據(jù)不可能通過實驗室研究、建模和機會試驗獲得（如觀測火山爆發(fā)、火箭羽流或‘船尾跡’）?！?
2021年8月發(fā)布的最新聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會報告，呼吁進行大規(guī)模溫室氣體減排，將變暖幅度控制在接近1.5 ℃或2 ℃（超過預(yù)期）。 雖然該報告承認太陽能輻射干預(yù)有能力幫助實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的目標，但對其當前的研究能力信心不足，無法準確地為戰(zhàn)略政策提供幫助。
信心不足當屬意料之中。 由于太陽能輻射干預(yù)技術(shù)在實際操作中需要向大氣中排放粒子，因此確保資助與政策支持仍面臨困難。 Doherty說：“這方面的研究到目前為止仍面臨阻礙，原因是美國聯(lián)邦資助機構(gòu)不愿意對其進行資助?！?
對于Harrison在大堡礁進行的試驗，除非迫不得已，否則政府不會動用資金。Harrison說： “ 目前確實有一項危機，那就是珊瑚礁問題。如果不對此做些什么，它們就會消失。甚至從最積極的角度對氣候行動進行預(yù)測，以目前的形勢看，挽救珊瑚礁也為時已晚?！?/strong>
如何才能使太陽能輻射干預(yù)科學在更廣泛的程度上被利用起來？Jinnah說：“在解決問題的框架中思考太陽能地球工程，與同時認識到對其潛在危險的擔憂即便較小也同樣重要，二者本身就存在脫節(jié)。這對立的兩方面使太陽能輻射干預(yù)飽受政治爭議。 若想使太陽能輻射干預(yù)科學未來能在全世界得到廣泛實踐，首先要解決的就是這一政治問題。 ”
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原文鏈接：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2021.12.005
以上內(nèi)容來自：Sean O’Neill. Solar Geoengineering to Reduce Global Warming—the Outlook Remains Cloudy [J]. Engineering, 2022, 9(2): 6-9.
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