大卫·凯斯。图片来源：forbes
（文/ David Rotman）大卫·凯斯（David Keith）是哈佛大学的应用物理学教授，同时也是一位公共政策学教授，他研究气候科学、能源技术和公共政策已有20年之久。凯斯认为，有意识地改造地球大气以抵消不断上升的气温，可能远比我们想象得更加可行，而他的方法是在天上泼洒硫酸。
在天上泼硫酸？
大卫·凯斯的计划是这样的：定制若干架商务飞机，装上军用发动机以及能够制造和播撒细小硫酸液滴的设备，然后让它们飞到两万米的高度——远高于普通商用飞机的巡航高度，但仍然在其高度范围内，而且在热带地区的这个海拔高度，飞机还位于平流层下部，接着让飞机喷洒硫酸并精确控制其释放速度，硫与水蒸汽结合形成硫酸盐气溶胶，这种微粒的直径小于一微米，它们将被向上的自然气流带走，散布到全球，包括两极，这些分布到整个平流层的气溶胶能够将照射到地球的阳光的1％左右反射回太空，这样能够提高科学家所说的行星反照率（或反射能力），从而能够部分抵消温室气体水平上升所造成的全球变暖。
这就是一种所谓的地球工程方案，其作者大卫·凯斯并不急于将其付诸实施，当然前提是有机会的话。现在还需要更多的研究来确定向平流层喷洒硫是否会带来危险的后果，例如扰乱降水模式，或加剧消耗保护我们免受紫外线辐射伤害的臭氧层。另一方面，更加棘手的是围绕着“地球工程”的伦理和监管问题——也即谁应该被允许在什么时间做什么的问题。不过，作为应用物理学教授和能源技术领域的顶尖专家，凯斯已经做了足够的研究分析，使他确信这种方法花费少、操作容易，而且能够阻止气候变化所造成的一些最严重的危害。
根据凯斯的计算，如果该计划从2020年开始实施，一年里将需要2.5万吨硫酸来减少一半的全球变暖效应，而且一旦开始就将持续下去。到2040年，每年将需要11架左右的喷气机喷洒大约25万吨硫酸来补偿二氧化碳排放增加所造成的加速变暖，每年耗资将达7亿美元。他估计，到2070年，该计划将需要每年用100架飞机喷洒超过100万吨硫酸。
凯斯的计划中最令人吃惊的地方之一是所需的硫的数量之少。根据他的估计，平流层中的几克硫就能够抵消一吨二氧化碳所造成的全球变暖效果。即使是到2070年所需喷洒的硫的量，与每年燃烧化石燃料所排放的约5000万吨硫相比仍然不值一提，而且大多数的污染物停留在低层大气中，在短短几天内硫分子就会被冲刷殆尽。与此相反，硫酸盐微粒能够在平流层中保持数年，并始终能够反射太阳光，利用率奇高。
使用硫酸盐气溶胶抵消气候变暖并不是一个新创意。图片来源：flickr
20世纪70年代中期，俄罗斯气候科学家米哈伊尔·布德科（Mikhail Budkyo）就提出了这种想法的雏形，几十年来它的作用机理得到了更完善的讨论。近年来，用含硫微粒抵消气候变暖的想法——通常被称为太阳辐射管理（solar radiation management），简称SRM——是学术期刊上数以百计的论文的主题，发表论文的科学家们正试图使用计算机模型来预测其后果。
而自从20世纪90年代初就开始发表地球工程相关论文的凯斯，已逐渐成为该领域的领军人物。因为他公开地大声疾呼应就该技术进行更多的研究，而且信心满满地谈论着这种技术将如何奏效。除了无可挑剔的学术资历之外（去年哈佛刚把他从卡尔加里大学挖来，同时聘任他担任工程学院和肯尼迪政府学院的双职位），凯斯还是全世界太阳地球工程领域最具影响力的人物之一。他是少数几个就SRM的实现做了详细工程研究和逻辑计算的人之一。如果他和他的合作者，同在哈佛大学的大气化学家詹姆斯·安德森（JamesAnderson），能够获得公共资助的话，他们计划进行该领域的首次现场实验，评估该技术的风险。
无论温室气体排放量能否大幅削减——几乎没有什么迹象表明这能很快实现——“太阳地球工程这项技术大幅降低气候风险的可能性是真实存在的，我们不应该忽视这一点，”凯斯说。“我不是说肯定能行，也不是说我们就必须这样做。但是不去严肃地对其展开研究是不负责的，”他补充道， “我们越早发现它能否起作用就越好。”
凯斯和其他科学家探索太阳地球工程的主要原因是简单的，也早已被连篇累牍地报道过，但却总是被世人忽视，那就是：大气二氧化碳积聚所造成的气候变暖是无论用什么方法也不能逆转的，因为气候变化是与累积总排放量直接相关的。即使我们完全停止二氧化碳排放，大气中的二氧化碳高浓度仍将持续数十年。最近的研究表明，气候变暖的效果将在至少一千年内基本保持不消退。也就是说，如果到了2030年或2040年，我们感到气候变化已经到了难以忍受的程度，这时单靠削减排放量也不能解决问题。
“这是最关键的问题，”凯斯说。虽然他极力支持尽可能迅速地减少二氧化碳排放，但是他也表示如果气候的“天平”倒向不利于我们的方向，仅仅减排将是不够的：“我们认为在我们的有生之年，唯一真正可能帮助扭转气候变暖的只能是地球工程。”
难以进行的现场实验
以一位实验物理学家的眼光，大卫·凯斯得以洞察世界并曾经取得了不小的成就。后来凯斯从深奥的原子物理学世界转向了能源问题，1992年，他发表了一篇名为《正视地球工程》的论文，在当时几乎没有人关心这个课题，这是最初关注这一主题的科学论文之一。
实际上，地球工程这个领域在接下来十年里的大部分时间中，依然或多或少得处于休眠状态。只有极少数严谨的科学家偶尔写了几篇论文，这个领域也只吸引到了狂热分子的关注，但就该主题展开的学术讨论——更不用说实际的研究——仍然是个禁区。许多人认为如果把地球工程作为一个现实的选择来讨论的话，将干扰人们对温室气体减排的注意力。然而到了2006年，保罗·克鲁岑（Paul Crutzen），一位世界领先的气候科学家、1995年诺贝尔化学奖获得者，根据他对大气臭氧层消耗的研究成果，发表了题为《平流层硫注射以增强反照率：解决一个政策困境的提议？》的论文。
在这篇论文中，克鲁岑承认，解决气候变暖的“首选方式”是温室气体减排，但他的结论是足够的减排仅仅是“一个虔诚的愿望”。他不仅支持地球工程的创意，而且还指出使用硫酸盐气溶胶的方法是特别值得研究的，尽管众所周知这种微粒会促进损害臭氧层的化学反应。他指出，1991年菲律宾皮纳图博火山（Pinatubo）的喷发表明，硫酸盐微粒能够有效地为地球降温：巨大的火山将约一千万吨的硫喷入平流层。随后的分析显示，全球温度平均降低了0.5摄氏度，并且保持了几年。
在当时，许多专家由于温室气体减排方面的进展缓慢而备感沮丧，这篇论文则引起了对于刻意改变气候这个主题更公开的讨论。随后的几年中，地球工程获得了更多的关注，其中包括英国皇家学会和位于华盛顿的两党政策中心的高调讨论，两者都建议进一步探索SRM（两份报告都由凯斯帮助撰写）。随之而来的是不胜枚举的建模和计算机仿真，但现在凯斯更急于开展现场实验。
地球的恒温器：即使二氧化碳排放停止在某个大气水平（以百万分之一体积来衡量，简称ppmv），已然升高的温度也能基本保持许多个世纪。竖轴：地表温度上升（摄氏度）；横轴：年份。图片来源：technologyreview
这一想法颇受争议。许多气候科学家仍然认为现在要进行现场实验还为时过早，而地球工程的批评者则相信这第一步跨出去，接下来必然将是无可挽回的全面部署。去年，一些国际环保团体发起的公众呼吁就阻止了一组英国研究人员提出的一个简单实验。该小组希望用氦气球携带细水管，将水抽到一公里的高度，实验目的是要测试将来是否有可能用类似的系统来将硫粒子播撒到海拔两万米高的平流层。
凯斯和安德森正在考虑的实验将更加雄心勃勃。他们的目标是：第一，要考察如何散布硫酸才能获得最佳的颗粒物大小和存留时间；第二，检验结合了SRM的效果之后存在于这个高度的硫将如何影响臭氧层。
安德森曾帮助解释20世纪80年代出现在南极的臭氧空洞背后的化学机制，他说硫酸盐微粒破坏臭氧层的机制对于空气中的水蒸气含量非常敏感，而他的研究小组去年发表在《科学》杂志上的一项研究表明 ，美国所遭受的由气候变暖引发的的日益激烈的夏季风暴，正在向平流层注入更多的水蒸汽。他表示这将可能加速破坏臭氧层的反应：“如果大自然向平流层添加水蒸汽，而我们添加硫酸盐，这对于臭氧层的破坏将是致命的。”所以，尽管热衷于测试SRM，安德森仍表示他对于向平流层添加硫酸盐感到“极度担心”，因为臭氧层可能受到的潜在影响。
凯斯则显得较为乐观。“这里有着巨大的不确定性，”他说。“你可以得到对臭氧层非常不利的结果，但也有不影响甚至对臭氧层产生积极影响的方法。”无论如何，他都认为现在还不开始进行太阳地球工程实验来证实其可行性简直是“太疯狂了”。目前几乎所有关于SRM的工作都是基于计算机建模完成的，而凯斯说这个领域“真的需要的成长起来”，并开始“在现实世界”中开展实验，以期了解我们能否用它来安全和有效地干预气候。
完全疯狂的想法
SRM的批评者，甚至是它的倡导者，都注意到该技术还存在许多局限性，而且没有人能完全确定后果会怎样。硫酸盐气溶胶反射高层大气中的太阳光，从而直接给地球降温；温室气体的作用却完全不同：它们捕获逃离地球表面的长波红外辐射，因此导致升温。硫酸盐或许能抵消气候变暖，但是目前还不清楚它们能否抵消温室气体的其他影响，尤其是对降水模式的影响。而且SRM对于大气中二氧化碳含量升高造成的海洋酸化束手无策。
芝加哥大学地球物理学家雷蒙德•皮埃安贝尔（Raymond Pierrehumbert）说：“‘太阳辐射管理’这种名字会让你以为我们真的了解自己在做什么。这是一种让你对这个疯狂的想法感到放心的名字，但其实我们是在毫不了解自己在干什么的情况下攻击自己的星球。”去年12月召开的美国地球物理学会年会上，他说在平流层中播撒硫酸盐气溶胶的想法是“完全疯狂的”。
皮埃安贝尔也否定现场实验的价值：“整个地球工程的想法太疯狂了，将会导致恶劣的后果，真的是毫无意义。我们很了解硫酸盐反照率工程，知道这会让世界处于一个非常不稳定的状态。现场实验确实是一个危险的实施步骤，而究竟能够从中学到些什么，我相当怀疑”。
皮埃安贝尔表示反照率工程的根本问题是，一旦我们开始实施，就无法回头。由于它只是抵消了变暖，一旦停止，温室气体所造成的温度变化就又会突然显现。“如果停止运行——或者如果被迫停止——那么就全都完了，”他说。即使用这种方法来作为一个临时的修补也没有任何意义，他争辩道：“一旦觉得为了应对气候变化，必须使用这种手段（SRM），那么就必须永远用下去。”他认为这一切都使得这个想法“完全没有可能。”
此外，皮埃安贝尔还说，我们的气候模型“远远没有先进到让我们能够真正开始考虑实施地球工程的地步。”特别是我们的计算机模型还不能准确地预测某个特定区域的降水模式，而且现有的模型不可能用来预测地球工程的影响，比方说，地球工程将会如何影响印度的季风或者如何影响非洲北部这种干旱地区的降雨量。 “我们准确预测在地球工程实施之下，区域性气候模式将会如何转变的能力是极其有限的，”他表示。
同时，艾伦·罗伯克（Alan Robock）对于SRM也有一长串的疑问，首先就是：这真的能实现吗？罗伯克是一位研究火山对气候的影响方面的专家，在罗格斯大学担任环境科学教授，他警告道，虽然皮纳图博火山的喷发证实了硫酸盐气溶胶的冷却效果，但它也在短短几天内向平流层注入了大量的二氧化硫。太阳地球工程将使用少得多的硫，但也会在较长时间内分散地持续注入，这可能是一个关键的区别。实现SRM的最佳方式是使用直径只有约半微米的硫微粒，它们能够比大颗粒更有效地阻挡阳光。罗伯克担心，如果硫不断注入，浓度将渐渐提高，小颗粒会聚集成大颗粒，因此需要使用比目前预计的多得多的硫。
1991年喷发的皮纳图博火山不仅展示了硫酸盐气溶胶的冷却效果，也往平流层中注入了大量二氧化硫。图片来源：mysoapboxdms
这些气溶胶化学的细节知识可以帮助确定SRM的可行性。 “大卫认为这将是简单便宜的，我不同意，“罗伯克说。他估计每年必须注入数百万吨的硫到大气中，以抵消翻番的二氧化碳水平，但如果微粒发生了聚集，“用量就可能需要增加许多倍。”
迄今为止的研究表明，在平流层中造云——罗伯克喜欢这样描述SRM——“能使气温下降，”他说。 “但是，地球将变得面目全非，可能还会发生更糟的事情。”罗伯克也指出，例如在皮纳图博火山喷发后，世界上一些地区的降雨量急剧地下降了。罗伯克支持就太阳地球工程继续进行建模工作，但是“到现在为止，我还没有看到实现的可能，”他说，“我还没有看到利大于弊的证据。”
华盛顿州里奇兰的太平洋西北实验室首席气候科学家菲尔·拉希（Phil Rasch）于2008年与克鲁岑共同发表了一篇论文，讨论了使用硫酸盐气溶胶实施地球工程的问题。他说，研究表明这些微粒会造成一定的臭氧消耗——“这是绝对需要予以重视的”——但由于硫酸微粒能够阻挡紫外线辐射，臭氧的损失在一定程度上能得到补偿。至于降雨方面的影响，他说，各种模型倾向于一致认为，“比起不开展地球工程，进行SRM将使未来的全球降水更接近于今天的情况。”总体而言，拉希说，SRM能够延缓一些气候变化的影响，尽管“在地球的某些部分效果比其他地方更显著，而且还有许多问题尚待探索。”
一连串的问号和严格的限制
科学上的不确定性和全球各地获益不均的前景，使得我们很难预想要如何适当地实施和控制SRM。如何设立最终必将不可或缺的跨国监管体系？应该由谁来决定如何以及何时实施该技术？由谁来监测并控制呢？谁来设定地球的恒温器，又应该设定在多少度？应该由谁来做决定的问题，比太阳地球工程本身的科学问题更显艰巨。
虽说国际监管的需要将在很多年以后才会浮现，凯斯和几个密切合作者，包括加州大学洛杉矶分校的法学教授爱德华·帕森（Edward Parson），已经在思考这样的制度可能会如何演进。帕森表示，想要更透彻地了解太阳地球工程能产生什么效果，又有什么风险，技术的研究才是关键。如果没有对这方面的深刻理解，他说，“你都不知道要去监管什么。”
围绕着诸如凯斯和安德森正在设计的现场实验的争议，逐渐演化为社会和政治问题。凯斯坚称，除非他和他的同事们受到公共资金资助和知名科研机构的认可，他们的工作不会继续开展。实际上，他和他的合作者们不仅将这项实验看作技术的验证，也看作测试监管体制能否奏效的前期测试。帕森表示，希望在于投资和审批的流程可以提供一个建立“规范”的机会，这将有助于在未来建立诸如透明度、公共评议以及公开披露结果的标准。
没有人认为现场实验所用到的少量硫将危害人体，帕森说：“让人忧虑的是将来随着实验规模越来越大，所产生的政治和社会后果——这时你已经站在通往全面部署的悬崖边缘。”帕森认为应该认真对待这些担忧。他说：“应该鼓励小规模的研究，但是需要某种有限的监管，以减小滑向全面部署的风险。”他相信知名科学资助机构有可能扮演这样的角色。他建议早期的实验必须受到严格的限制，研究人员需要清楚地说明当前绝不会扩大规模。
让天空的颜色变得更白
凯斯有时会用非常简短的词句，生动地咒骂SRM的批评者。然而，片刻之后他又运用多年来在有关于地球工程的思考和写作中积累起来的知识，冷静又合乎逻辑地回应批评。他勾画出一幅图表，说明实际上硫的注入可以在开始实施后一个世纪之内合理地结束，那时它所抵消的气候变化确实会恢复，但彼时气候变化对生态系统和人类的影响将已经能够缓和并得到管理。一旦启动SRM，我们就得无限期继续下去的想法“就是不正确的”，他自信地说道。
即使许多SRM研究最坚定的支持者也认为，该技术仍然是要等到世界所面临的气候变化严重到已经可以不计风险的地步时的破釜沉舟之举。不过凯斯没有那么绝望：“如果我们确实发现了一些可能在下一个世纪大大降低气候变化的风险的技术，能够挽救许多生命，这当然值得高兴，这是值得庆祝的。” 实际上他认为把地球工程形容成气候紧急状态下的终极手段“有点夸张了”：这种说法并没有定义什么叫做“气候紧急状态”，而这一点也“并没有一个简单的定义。
凯斯建议的方法是更加激进的：“在我看来，我们应该立即开始真正的研究，如果最终发现SRM可以有效地减少气候风险，自身又没有太多的风险——当然答案可能是肯定的也可能是否定的——那么我们真的应该立即着手实施，但是要非常缓慢地扩大规模。”他相信该技术最早在2020年（或者更切实际地说，到2030年）就可以开始进行部署，并且在头十年内就能使平流层内的硫含量“基本上”达到正常范围内。这一过程可以在监测和评估下进行，而且因为平流层内注入的硫相对较少，“发生大问题的可能性接近于零。”
人们常常认为SRM将“带来一场巨变”，凯斯说，“但你没有理由不迎难而上。”
听着凯斯富有条理的分析和仔细说明SRM将如何运行，令人开始相信有意识地调节气候不会是一个极端的行动。然而事实并非如此，这确实将使地球面目全非——连天空的颜色都会变得更白，而且这几乎肯定是一种被绝望所驱动的行为。
另一方面，积累的温室气体已经开始以一种前所未有的不受控制的方式在改变大气和气候。用有意识的“工程”方式来抵消这一改变是一种多么大的飞跃？凯斯说的是对的：气候研究人员应该开始探讨太阳地球工程，并且确定它是否能够奏效以及安全性如何，政治科学家们需要开始思考我们该如何实现这样一个前所未有的全球性项目。而剩下的那个最艰难的问题，则要由整个人类社会和各国政府来面对——决定是否要投入这个工程。
本文转自麻省理工《技术评论》中文版《麻省理工科技创业》。
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