如果从小事做起，太阳能地球工程很快就会启动

如果从小事做起，太阳能地球工程很快就会启动

短短几年内就可以开始小规模部署。气候影响很小，但地缘政治影响可能很大。

大卫·W·基思 和维克·史密斯

2024 年 2 月 5 日

《麻省理工学院技术评论》

半个世纪以来，气候研究人员一直在考虑向平流层注入小颗粒的可能性，以抵消气候变化的某些方面。这个想法是，通过将一小部分阳光反射回太空，这些粒子可以部分抵消由二氧化碳积累引起的能量不平衡，从而减少变暖、极端风暴和许多其他气候风险。

关于这一被称为平流层气溶胶注入(SAI)的太阳能地球工程的一种形式的争论，通常集中在寻求了解所涉及的物理过程的小规模户外研究上，或者集中在气候变化规模的部署上。两者之间的差距是巨大的:一项实验可能只需要几公斤的气溶胶材料，而可以大幅减缓甚至逆转变暖的部署则需要每年数百万公吨——规模上的十亿倍差异。要想让地球明显降温，还需要专门建造一批高空飞机，这可能需要一到二十年的时间来组装。如此长的准备时间促使政策制定者忽视了监管SAI部署的艰难决定。

 这种自满是不明智的。研究和部署之间的障碍可能并不像人们通常想象的那么明显。我们的分析表明，一个国家或一组国家可以在短短五年内开始小规模的太阳能地球工程部署，这将明显改变平流层的组成。管理良好的小规模部署将通过减少 SAI 的重要不确定性而有益于研究，但它不能仅仅作为研究来证明是合理的——可以使用更少量的气溶胶颗粒进行类似的研究。这将对气候产生不可忽视的影响，提供的降温效果与最近清理航运燃料之前国际航运产生的硫污染一样。。与此同时，变冷的幅度足够小，以至于在正常的变化情况下很难检测到其对国家或区域范围内气候的影响。 

虽然这种小规模部署的气候影响很小（而且很可能是有益的），但政治影响可能是深远的。这可能引发反弹，颠覆气候地缘政治，威胁国际稳定。这可能是大规模部署的开始。化石燃料利益集团可能会利用这一点来减缓减排的基本任务。

我们反对近期部署太阳能地球工程。根据气候超载委员会（研究该主题的最高级政治领导人小组）的意见，我们支持暂停部署，直到科学国际化并得到严格评估，以及直到某种治理架构得到广泛认同。但是，如果我们正确地认为这种小规模部署是可行的，那么政策制定者可能需要比现在普遍认为的更早地面对太阳能地球工程——它的前景和颠覆性潜力，以及它对全球治理的深远挑战。

早期部署的障碍

人类已经从航运和重工业等来源向对流层（大气湍流的最低层）排放了大量的气溶胶，但这些气溶胶会在大约一周内降落到地球或通过降雨和其他过程被清除。火山爆发可能会产生更持久的影响。当火山爆发强大到足以穿透对流层进入平流层时，沉积在那里的气溶胶可以持续大约一年。SAI将像最大的火山爆发一样，将气溶胶或其前体注入平流层。鉴于气溶胶在大气中的持续时间要长得多，放置在那里的气溶胶产生的冷却效果可能比在地表排放的气溶胶大100倍。

 将气溶胶带到平流层是另一回事。客机在穿越极地的飞行中通常会到达平流层下部。但是为了获得有效的全球覆盖，气溶胶最好部署在低纬度地区，在那里平流层的自然翻转环流会将它们带到极地，从而将它们分布在世界各地。在热带地区，对流层顶部的平均高度约为17公里，模型表明，注入需要比上升平流层环流中捕获的注入高几公里。有效部署的高度通常被认为至少为20公里，几乎是商用喷气式飞机或大型军用飞机巡航高度的两倍。

 尽管小型侦察机可以在这种非常稀薄的空气中巡航，但它们只能携带一到两公吨的有效载荷。除了小规模测试外，这还不够:抵消全球变暖的很大一部分——比如说1摄氏度的降温——需要每年向平流层输送数百万公吨物质的平台。火箭和气球都不适合把这么大的物体拖到这么高的地方。因此，全面部署将需要一个新的飞机机队——几百架飞机才能实现1℃的降温目标。以典型的大型商用或军用飞机开发项目的方式采购第一架飞机可能需要大约十年时间，而制造所需的机队可能需要几年时间。

但是从全面部署开始既不谨慎也不太可能。即使我们正在降低全球恒温器的温度，我们改变气候的速度越快，不可预见的影响的风险就越高。希望部署太阳能工程的国家或国家集团可能会欣赏缓慢启动的政治和技术好处，即逐渐逆转变暖有利于优化和“边做边学”，同时最大限度地减少意外后果的可能性和影响。

我们设想的情况是，一个国家或国家集团不是试图在赤道附近以最有效的方式注入气溶胶，而是试图在较高纬度的平流层下部放置少量物质。他们可以用现有的飞机做到这一点，因为当你远离赤道时，对流层顶部会急剧向下倾斜。在南北纬35度，大约12公里处。加上3公里的余量，在南北纬35°的有效部署高度为15公里。这对于客机来说仍然太高，但仅低于湾流、庞巴迪和达索制造的顶级公务机15.5公里的服务上限。领土位于或接近北纬35°或南纬35°的国家不仅包括美国、澳大利亚、日本、韩国、西班牙和中国等富裕国家，还包括摩洛哥、阿尔及利亚、伊拉克、伊朗、巴基斯坦、印度、智利和阿根廷等较贫穷国家。

 小规模部署

 如何完成小规模部署？大多数关于气溶胶喷射的平流层科学研究都假设有效物质是二氧化硫（SO2）气体，按质量计算其中50%是硫。另一个可行的选择是硫化氢（H2S），它将质量要求削减了近一半，尽管它比二氧化硫对地面和飞行人员更有害，因此可能不会被考虑。二硫化碳（CS2）气体减少了40%的质量要求，通常比二氧化硫的危险性小。也有可能使用元素硫，这是最安全和最容易处理的，但这需要在排放前在船上燃烧元素硫的方法或使用加力燃烧室。还没有人进行过必要的工程研究来确定这些硫化合物中的哪一种是最佳选择。

 使用湾流公司证实的假设，我们估计其任何一架G500/600飞机每年都可以将大约10千吨材料运送到15.5公里的距离。如果使用高质量效率的CS2，一个不超过15架飞机的机队每年可以运载10万吨硫。老旧但可操作的二手G650s价格约为2500万美元。加上改装、维护、备件、工资、燃料、材料和保险的成本，我们预计为期十年的小规模部署的平均总成本约为每年5亿美元。大规模部署的成本至少要高出10倍。

每年10万吨硫是多少?这仅仅是目前全球每年排放到大气中的硫污染的0.3%。它对微粒空气污染的健康影响的贡献，将远远小于在地表排放相同数量的空气污染对健康的影响的十分之一。至于它对气候的影响，它将是1992年菲律宾皮纳图博火山喷发注入平流层的硫的1%左右。这一经过充分研究的事件支持了不会发生高后果未知效应的断言。

 与此同时，每年10千吨的硫并不是微不足道的:如果没有不寻常的火山活动，它将是从对流层到平流层的自然背景硫通量的两倍多。冷却效果足以将全球气温上升延缓大约三分之一年，只要维持小规模部署，这种抵消作用就会持续下去。而且，由于太阳能地球工程在应对极端降水增加方面比应对气温上升更有效，部署太阳能地球工程将把热带气旋的强度增加推迟半年以上。对于那些最容易受到气候影响的人来说，这些好处是不容忽视的(尽管由于气候系统的自然变异性，这些好处都不一定是明显的)。

我们应该提到，我们每年10万吨的设想是武断的。我们对亚尺度部署的定义是，部署的规模大到足以大幅增加平流层中的气溶胶数量，同时又远低于将变暖推迟十年所需的水平。根据这个定义，这样的部署可能比我们的示例场景大几倍，也可能小几倍。

当然，再多的太阳能地球工程也不能消除减少大气中温室气体浓度的需要。在最好的情况下，太阳能地球工程是减排的补充。但即使是我们在这里考虑的小规模部署方案，也将是一个重要的补充:在十年的时间里，它的冷却效果大约是消除欧盟所有排放的一半。

小规模部署的政治

我们在这里概述的小规模部署可以服务于几个看似合理的科学和技术目标。它将展示用于大规模部署的存储、放样和分散技术。如果与观测项目相结合，它还可以评估监测能力。它将直接阐明硫酸盐如何被带到平流层以及硫酸盐气溶胶如何与臭氧层相互作用。在这样的小规模部署几年后，我们将对大规模部署的科学和技术障碍有更好的理解。 同时，小规模部署会给部署者带来风险。它可能引发政治不稳定，并招致其他国家和国际机构的报复，这些国家和机构不会对那些在没有全球协调和监督的情况下摆弄地球恒温器的实体做出良好回应。反对意见可能来自对环境改造的根深蒂固的厌恶，或者来自对大规模部署将对某些地区有害的更务实的担忧。

部署人员可能会受到各种考虑因素的激励。最明显的是，一个国家或国家联盟可能会得出结论，认为太阳能地球工程可以显著降低他们的气候风险，而且这种小规模的部署将在推动世界大规模部署和最小化政治反弹风险之间取得有效的平衡。

 部署者可以决定，一个小规模的项目可能使更大的干预成为可能。虽然科学家们可能会从微小的实验和模型中得出关于太阳能地球工程的推论，但政治家和公众可能会对可能改变气候系统并影响居住在其中的所有生物的大气干预非常谨慎。没有遇到重大意外的小规模部署可以在很大程度上减少对全面部署的极端担忧。

 部署人员还可以从小规模部署本身获得一些有限的好处。虽然影响太小，无法在地面上轻易地证明，但将极端天气事件归因于气候变化的方法可以证实这种事件的严重程度略有降低的说法。

 他们可能还会争辩说，部署只是为了恢复最近失去的大气保护。船舶硫排放的减少创造了更清洁的空气，从而挽救了生命，但它也使这种污染产生的反射面纱变薄，从而加速了全球变暖。我们勾勒出的亚尺度方案将恢复几乎一半的遮阳保护，而不会产生抵消的空气污染。

 部署国可能还会说服自己，他们的行动符合国际法，因为他们可以完全在本国领空内进行部署，而且其影响虽然是全球性的，但不会产生习惯国际法规定的“重大跨界损害”。

 这种小规模部署的治理影响将取决于政治环境。如果一个大国在没有进行有意义的多边参与尝试的情况下就这样做了，人们会预计会遭到强烈的抵制。另一方面，如果由一个包含高度气候脆弱国家的联盟进行部署，并邀请其他国家加入联盟并制定共同的治理架构，许多国家可能会公开批评，但私下里会对地球工程减少气候风险感到高兴。   

SAI 有时被描述为存在于遥远的科幻未来的想象的社会技术场景。但在五年内开始我们在此描述的那种小规模部署在技术上是可行的。随着气候风险变得更加突出，希望对部署的科学性和政治性进行有意义的测试的国家或国家联盟可以考虑此类小规模或示范性部署。 

我们并不提倡采取此类行动，事实上，我们重申支持暂停部署，直到对科学进行严格评估并且某些治理架构得到广泛认可。然而，人们认为 SAI 必须从大幅减缓甚至逆转变暖的努力开始，这阻碍了对 SAI 相互关联的技术和政治的正确理解。我们在此概述的示例表明，部署的基础设施障碍比通常假设的更容易克服。政策制定者在考虑如何为了公共利益发展太阳能地球工程以及应采取哪些防护措施时必须尽快考虑到这一点。

大卫·W·基思 是芝加哥大学地球物理科学教授，也是气候系统工程项目的创始教员主任。 

韦克·史密斯是耶鲁大学环境学院讲师和哈佛大学肯尼迪学院研究员。  

原文标题是：Solar geoengineering could start soon if it starts small

It's possible to start a subscale deployment in just a few years. The climate effects would be tiny, but the geopolitical impact could be significant.