太空遮阳伞工作原理
撰文 罗伯特孔齐希（Robert Kunzig）
翻译 刘鑫华
最近，加拿大阿尔伯塔省卡尔加里大学的物理和能源专家戴维W基思（DavidW.Keith）在作地球工程学（geoengineering）演讲时常常指出，人工气候改造的想法由来已久——人们从担忧全球变暖之时起，就开始谈论通过人为改变气候来抗衡全球变暖。早在1965年，美国前副总统阿尔戈尔（AlGore）还是大学新生，一个由著名环境科学家组成的小组就警告当时美国总统约翰逊，化石燃料释放的二氧化碳可能引起“显著的气候变化”，而这种变化“可能是有害的”。
然而，当时科学家并没有提到减少排放的可能性。相反，他们考虑向范围约为1,300万平方千米的海洋上“撒布很小的反射粒子”，使得大约1/100的阳光被反射回太空——基思说：“这是一个疯狂且毫无效果的地球工程学方案。”
罗伯特孔齐希是专门研究海洋科学和全球气候的自由科学作家。他的著作《绘制深海地图：海洋科学的非凡故事》（MappingtheDeep: The Extraordinary Story ofOceanScience）曾获得2001年艾凡提斯科学图书奖。最近他又出版了与华莱士S布洛克（WallaceS.Broecker)合著的《处理气候问题：过去气候变化所揭示的当前威胁以及应对策略》（Fixing Climate: WhatPastClimate Changes Reveal about the Current Threat—and How toCounterIt）。他常奔波于美国阿拉巴马州的伯明翰和法国第戎之间。
此后的几十年，利用地球工程改造气候的想法一直存在，但这些想法不断边缘化——科学家和环保主义者普遍认为，地球工程学想法似乎是以愚蠢甚至不道德的尝试来避免强调全球变暖问题的根源。最近的三个进展又让地球工程学想法回归主流。
首先， 尽管经过了多年讨论和国际谈判，直到2007年，二氧化碳排放量的上升速度还是比政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel onClimateChange，IPCC）预计的最坏情形还要快得多。美国加利福尼亚州斯坦福市卡内基科学研究所的气候模拟专家肯卡尔代拉（KenCaldeira）指出：“二氧化碳的排放量越来越大，这种趋势不断上升——对煤的依赖程度在任何时候都不曾减少”。
其次，两极冰川的融化速度比历史上任何时候都快，揭示出气候变化可能已经接近人们无法想象的危险边缘——也就是通常所说的临界点。
最后，荷兰著名大气化学家保罗J克鲁岑（Paul J. Crutzen）2006年在《气候变化》（ClimaticChange）杂志上发表了一篇文章。文中，他以沉重的心情敦促人们要认真考虑地球工程学。1995年，克鲁岑因关于大气臭氧层破坏的研究工作而获得诺贝尔化学奖。如果他在认真考虑地球工程学的话，那么似乎每个人都应该这么去做。
2007 年11月，基思和美国哈佛大学地球物理学家丹尼尔P施拉格（DanielP.Schrag）轻易说服了顶尖的气候学家，去美国马萨诸塞州剑桥市参加一批热心地球工程师组织的研讨小组。他们一致同意有必要对地球工程学进行进一步研究——有些人是因为地球工程学真正令他们感兴趣，另一些人则是觉得两害相权只能取其轻，还有一些人希望毕其功于一役。但他们达成了一致——地球工程学东山再起了。
地球工程学方案分为两种，你可以想象它们相当于调节地球温度的两个旋钮。一个旋钮控制光线的多少——也就是控制太阳能的多少，更准确地说是控制到达地球表面太阳能的多少；另外一个旋钮控制向太空流失的热量，主要取决于大气中二氧化碳的含量。将二氧化碳从大气中除去的方案，例如向海洋中“施肥”，可以直击问题的根源，但是这种做法要等几十年才会起到较大成效。相比较而言，一个“遮阳伞”可以立即减缓全球变暖——尽管必须不断对它们进行维护才能维持遮阳的作用。因此，遮阳伞的想法可以处理那些被科学家视作极端紧急情况的气候问题。施拉格说：“如果格陵兰冰原明天就要开始崩塌，而你是美国总统，你怎么办？你将别无选择。”
到目前为止，对于任何一种方法，或者对于这些方法潜在的、不可预知但确实存在的负面影响的研究还很少。卡尔代拉说：“这方面说的比做的多，大多数研究还停留在业余水平。”一些想法没有多少研究价值——比方说在海洋上大面积撒布反射粒子，这些反射粒子会不可避免地污染海洋，并且会很快被冲刷到海滩上。但另外一些想法却值得考虑。
地球工程学背后的基本原理则更难被人忽视。现在，没有多少研究人员提出，阻挡阳光是阻止大气中二氧化碳升高的替代方案，或者仅靠地球工程学就能够解决二氧化碳问题。相反，科学家认为，地球工程学能够为我们赢得一些时间进行能源革命，让无碳能源替代现有能源，或建立一个碳中性（carbon-neutral）的能源消耗方式。美国国家大气研究中心（NationalCenter forAtmospheric Research，简称NCAR）的汤姆ML威格利（TomM.L.Wigley）说：“我认为地球工程学应该被认真对待的原因在于，我不认为把排放－减排方法摆到桌面上来谈就能够拯救地球。还没有人认真考虑过如此大规模的技术挑战的难度。”
平流层里的微粒
有科学家认为，地球工程学方法低廉可靠，他们提出向平流层注入二氧化硫，形成硫酸液滴云来散射阳光。但多少二氧化硫才能平衡当前二氧化碳的作用，对于这一点还存在争议。
克鲁岑和威格利都坚信，有一个方案是最便宜也是最可靠的方法。这个方案最早在1974年，由苏联物理学家麦克海尔I布迪科（MikhailI.Budyko）在列宁格勒的地球物理观测台提出：每年将几百万吨二氧化硫投入平流层。在平流层中，二氧化硫会与氧、水和其他分子反应，形成由水和硫酸根离子组成的微小液滴，附着在灰尘或盐等其他小分子上。这种硫酸液滴形成的云可以散射阳光，落日将变得更红，整个天空会变得更加苍白暗淡，就像污染严重的城市天空那样，而地表温度平均来讲会有所下降。1991年，菲律宾皮纳图博火山爆发，2,000万吨二氧化硫被喷入了平流层。这次喷入的二氧化硫产生了前面所述的所有效应：它使全球气温在一年里大约下降了0.5℃。“因此，基本上我们知道这样是有效的，”卡尔代拉说。实际上，在克鲁岑写出这一构想之前，卡尔代拉已经进行过十年的模拟研究了。
当克鲁岑重拾这一想法时，全世界对地球工程学已经有了更加充分的准备。自从布迪科的文章发表后，全球温度已经升高了0.5℃，大量的冰已经融化。20世纪90年代，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore NationalLaboratory，LLNL)的爱德华特勒（EdwardTeller）和他的同事们曾经提出，金属粒子在高层可以停留更长时间，并且可以反射更多的阳光，但克鲁岑坚持支持向平流层注入二氧化硫这个更加成熟的想法。这使克鲁岑制定的计划更加引人注目。
克鲁岑指出，通过化石燃料的燃烧，人们每年向低层大气排放5,500万吨二氧化硫和80亿吨二氧化碳。根据世界卫生组织的统计，这样的二氧化硫浓度每年造成了50万人死亡。不过，二氧化硫同样也使地球温度有所下降——尽管没有人知道确切的下降数值——因此，政府强制执行反污染法（例如美国的清洁空气法案），反而使得全球变暖的情形更加糟糕。克鲁岑说，把一部分二氧化硫抬升至平流层，使二氧化硫不仅不会伤害我们，还可以为我们阻挡阳光，这样不是很有意义吗？
布迪科的初步设想是，让使用高硫燃料的飞机在平流层中飞行；克鲁岑提议用气球将二氧化硫运送至平流层。目前大气中二氧化碳的含量已是工业化前的两倍，对于要用多少二氧化硫来平衡当前二氧化碳的作用，这一点还存在争议。威格利认为每年需要500万吨硫（通常仅用硫的重量来表示）；克鲁岑和美国国家大气研究中心的菲利普J罗素（PhilipJ.Rasch）经过计算认为，如果粒子的平均尺寸小于火山喷发的颗粒（约0.2微米），则需要150 万吨硫才能起作用。
实际上，我们已经排放了许多二氧化硫到低层大气，比以上所有估计量都多得多，但与二氧化碳问题的量级相比，这些二氧化硫就显得太少了。卡尔代拉强调，每年所需的二氧化硫量大致相当于每个美国人都从灭火水龙带里面挤出一管二氧化硫。克鲁岑估计他的方案每年将耗资250亿～500 亿美元，分摊到发达国家每个公民头上就是25～50美元。这个数额小于美国人在彩票上的平均花费，并且回报比彩票要确定得多：那就是一个更加凉爽的地球——至少全球平均温度会有所下降。
对流层中的海雾 气溶胶间接效应也是地球工程学方法之一，用航船将海水的微小液滴喷洒进海洋上空的大气，能够形成或增亮已有的层积云，减少入射阳光。这种方法较安全，但是否能使全球均匀降温，新形成的层积云会有多明亮，这些问题还不清楚。
在低层大气，二氧化硫的作用不仅仅是散射阳光和引起呼吸系统疾病：在无云处它会形成云，在有云处则使原有云层变亮，也就是所谓的气溶胶间接效应（aerosolindirecteffect）。气候学家认为这种效应已经使地球的温度有所下降，效果至少和气溶胶粒子直接散射阳光一样。发动机排气所形成的直线状云带——船尾迹（shiptrack）就是一个鲜明的例子：它们可以持续数天，随着船只的航行延伸达数百千米。卫星照片记录了它们反射回太空的阳光。
约翰莱瑟姆（JohnLatham）为地球降温的想法，本质上就是让海洋上现有的云变得更白，方法则是用大量船尾迹将这些云连成一片——当然具体措施要更加清洁环保。莱瑟姆是一位退休的英国云物理学家，他考虑用无人驾驶的舰队将微小的海水液滴喷向天空，以此来实现冷却地球的想法。
气溶胶间接效应的基本机制足够简单。云反射的阳光量取决于形成云的水滴的表面积。莱瑟姆解释说：“对于等量的水（从气态冷凝成的液滴）来说，大量的小液滴会比少量大液滴拥有更大的表面积。”原则上，向大气中增加粒子会导致更多更小液滴的形成，从而使得云变得更白，反射的阳光更多。
最近陆地上空的大气中充满了人造粒子，云比没有人造粒子的时候更白，反射能力更强。而海洋上空的大气中主要充斥着自然粒子，包括由充满泡沫的波浪吹溅起来的海水液滴。当液滴到达300米左右的高度时，大部分水都已经蒸发掉了，只留下盐粒子。但在这个高度，水汽开始围绕粒子重新凝结，新的液滴在海洋上空组成低空层积云（stratocumulus）。这样的层积云差不多覆盖了全世界1/4的海洋。莱瑟姆的想法是，让空气中的含盐飞沫增加到足够多，使云中水滴的数目变为原来的4倍，从而增亮海洋上空的层积云。
斯蒂芬 索尔特（StephenSalter）是英国爱丁堡大学的荣誉退休工程学教授。他提出了一个很有创意的方案——至少理论上看起来创意十足。莱瑟姆说：“基本上那就是一个喷壶，”但喷嘴是一块硅晶片，上面有数十亿个直径小于一微米的小洞；这个喷壶将被安装在一个卫星制导的无人驾驶航船上。更确切地讲，这条船将是一条“弗莱特纳”（Flettner）旋翼船，这种船上装有高高的、不断旋转的圆柱，看起来像烟囱，但效果却类似于帆——圆柱的一面顺风移动而另一面逆风移动，因此会产生抬升力。
按照索尔特的设计，流经舰船的水会带动涡轮旋转发电，使圆筒持续旋转，并将海水从圆筒中喷出，形成大量0.8微米的小液滴。索尔特和莱瑟姆估计，每条船每秒喷出36升海水，按照每条船耗资200 万美元计算，1,500条船共计需要30亿美元就可以抵消二氧化碳增倍引起的全球变暖问题。根据英国埃克塞特市哈德雷气候预测研究中心（Met OfficeHadleyCenter for Climate Prediction andResearch）的模拟结果，只须在4%的海洋上部署舰船就可以完成一半的工作。
不过，还没有人对整个地球的降温程度有多均匀进行过模拟。巴提斯蒂说：“最终，当你绘制世界气温分布图时，这张图上可能全都是圆点状的花纹，也就是说有些地方极冷，有些地方又极热。”另一个值得担忧的问题是，喷雾船会给下风向地区造成干旱。由许多小液滴组成的云可以持续更长时间，这对于遮阳来讲是很好的，但这样的云也会导致降水减少。
最后，新形成的云会有多明亮还不得而知。现有气候模型都高估了这一效应：根据这些计算结果，当前大气中的气溶胶应该马上可以抵消全球变暖的影响，但很明显事实并非如此。罗素已经着手给莱瑟姆的想法建立新的模型。他说：“对于气候我们了解得还不多，而气溶胶的间接效应是我们了解最少的一部分。”
尽管如此，就地球工程学方案而言，从风力船上向空中喷洒海水听起来相当安全。莱瑟姆说，如果出现任何异常，你都可以在几天之内，或者最多几周之内，停止向空中喷洒海水——反之，平流层中的硫酸却可以停留数年。威格利说：“向空中喷洒海水确实值得考虑。”但是只有实际检验才可能知道这个想法还存在哪些问题。到目前为止，只有探索发现频道对莱瑟姆的想法表示了支持。出于对一部地球工程系列纪录片的视觉效果需要，电视制片人资助建造了一条小型的弗莱特纳旋翼船。
太空中的遮阳伞 在太空安放万亿个有小孔的氮化硅圆盘，可以组成十万千米长、面向太阳的遮阳伞群，阻挡部分阳光。但这种方法会花费大量时间和金钱。
探索发现频道为J罗杰P安杰尔（J. RogerP.Angel）出资建造了一个直径1.3厘米的氮化硅陶瓷圆盘。这个打了很多小孔的透明圆盘厚约0.25微米，只有保鲜膜厚度的1/40，却比保鲜膜硬得多。安杰尔是亚利桑那大学史都华天文台镜片实验室主任，也是知名的望远镜镜片和光学设备开发者。因此，用制作高性能汽车轴承的原料来制作这种圆盘状光学设备这一想法，很符合他的身份。几年前，安杰尔的妻子问他是否可以为全球变暖做些事情。安杰尔作出了回答，他重新审视了一个旧的地球工程学提议，但用独创性的想法对它进行了改造。
那个古老的提议要求在地球的第一拉格朗日点，也就是L1 处，安置一把遮阳伞。L1距离地球约150万千米，处在朝向太阳的方向（在第一拉格朗日点上，物体受到的太阳引力与来自地球的引力大小相等）。位于L1处的一把遮阳伞，可以在整个地球上投下一片均匀的阴影，而且不会污染大气。
根据安杰尔的设计，这把太空遮阳伞不是一艘太空船，而是万亿个氮化硅圆盘——每块圆盘直径0.6米，配备了计算机和导航系统，总重量不超过1克安杰尔指出，黑脉金斑蝶（Monarchbutterfly）的体重小于1克，但它们能飞行数千千米回到墨西哥的繁殖地。这些“飞盘”可以每100万个一组，通过主要位于地下的1.6千米长的电磁线感应圈炮发射升空，每分钟发射一次的话，大约要花30多年。安杰尔建议，从地球发射的遮阳伞总重量应控制在2,000万吨以下。尽管这差不多相当于国际空间站当前质量的7万倍，但所有发射到太空的物质都是必不可少的，没有任何多余。
高效的离子推进器将携带每一组飞盘从地球轨道飞向L1。在那里，这些飞盘将像发牌一样，被分散成长十万千米、面向太阳的遮阳伞群。负责“看管”这群飞盘的守护卫星（ShepherdSatellite）将建立起一个局域的全球定位系统，每个飞盘都携带了一面镜子作为太阳帆，防止自己飘离遮阳伞群。太阳光子可以径直通过每个飞盘上的氮化硅，也可以从飞盘的小孔中穿过，后一种光子的相位要比前一种光子稍稍提前一些。因此这两种光子会发生相消干涉（interferedestructively），进而阻挡一部分本应到达地球的光线，并将其中大约2%的光线散射到地球两侧。
很难说安杰尔对于他的想法有多认真。他兴致勃勃地说：“这不是一个快速廉价的方案。”实际上，根据威格利的粗略估算，一把太空遮阳伞要花费5万亿美元，这“完全是不可能实现的”。卡尔代拉说：“相比要付出这么大的代价而言，建造风力涡轮和太阳能设备可能更容易些。”安杰尔本人似乎也同意这个观点。最近他花费大量时间试图想出集中太阳光的办法，来提高光电转换效率。毕竟，正如他所指出的那样，任何一种遮阳伞都会浪费太阳能。（节选自《环球科学》2008年12期） (来源：环球科学)
(责任编辑：孟德华)
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