|
加拿大亞伯達省卡加立大學的物理與能源專家凱斯（David W.
Keith）每次在上課中提到「地球工程」（geoengineering）時，總會說這個概念由來已久。自從全球暖化成為令人憂心的議題後，人們便開始討論有計畫的改變氣候來對抗全球暖化的可能性。
早在1965年，美國前副總統高爾還是大學新鮮人時，一個由傑出環境科學家組成的委員會，便警告當時的總統詹森：燃燒化石燃料產生的二氧化碳（CO2）可能會造成「氣候的顯著改變」並「導致危險的後果」。
然而，這群科學家並未提到降低CO2排放的可能性，相反的，他們考慮將「能夠反射陽光的微粒」散佈到面積約1300萬平方公里的海面上，以便將1%的陽光反射回太空。凱斯說：「這個瘋狂的點子根本不可行」。
數十年後，地球工程的點子雖然沒有消失，卻被放逐到科學的邊疆。科學家與環保學者認為，這些想法不僅愚蠢而且違反道德，會使人們逃避解決全球暖化的根本成因。然而近來三項事態的發展，又將地球工程帶回主流科學家的討論中。
首先，即使各國大力呼籲並簽訂各項國際協定，CO2排放量的上升趨勢，依然比跨政府氣候變遷研究小組在2007年預測的最糟情況還要快。美國史丹佛大學卡內基科學院的氣候模型學家卡德拉（Ken
Caldeira）說：「人類對燃煤的依賴有增無減，導致CO2排放量持續上升。」
其次，極地的冰層正以前所未見的速度融化中，意味著氣候變遷比起任何人想像的更瀕臨崩潰的危險邊緣。
最後，著名的荷蘭大氣化學家克魯琛（Paul J. Crutzen）在2006年《氣候變遷》期刊中發表了一篇論文，憂心忡忡地疾呼各界應該認真探討地球工程的可能性。凱斯說：「這篇論文透露出重大訊息。」克魯琛對於大氣臭氧層遭受破壞的研究，讓他獲得1995年的諾貝爾化學獎。如果連他都開始認真考慮地球工程，看來每個人都該這麼做。
到了2007年11月，凱斯與美國哈佛大學的地球物理學家施拉格（Daniel P. Schrag），很快就邀請到許多頂尖的氣候學家與熱心的地球工程學家，參加一場在美國麻州劍橋舉辦的研討會。會後所有人都同意必須進行更多的研究，有些人覺得地球工程的想法令人振奮，有些人認為兩害相權取其輕，有些人則希望一勞永逸地解決全球暖化問題，然而科學家的共識是：「地球工程回來了。」
地球工程的方案分為兩類，不妨想像成兩個可以控制地球氣溫的旋鈕。其中一個旋鈕控制讓多少陽光（或者更精確的說是多少太陽能）抵達地球表面，另一個旋鈕則控制讓多少熱量逸散回太空，而後者取決於大氣中有多少CO2。將CO2從大氣中移除的方案，例如在海水中施放含鐵的肥料，能從根本解決問題，但必須花上數十年才會見到成效。相反的，遮蔽陽光的方案，理論上能夠立即停止全球暖化，不過效果只有在遮蔽作用持續時才看得到。因此科學家將遮蔽陽光的想法視為解決氣候問題的緊急對策。施拉格問道：「如果明天格陵蘭的冰層開始崩塌，而你是美國總統，你該怎麼辦？你沒有選擇的餘地。」
然而截至目前為止，針對任何做法或可能因而引起無法預測的巨大副作用，相關研究依然太少，卡德拉說：「大部份的研究都停留在業餘階段，以空談的成份居多。」某些方案根本不可行，例如在廣大的海面上施放能反射陽光的微粒，勢必污染海水，而且這些微粒極可能很快被沖刷上岸，但有些方案或許值得考慮。
要駁回地球工程背後的基本主張也越加困難。幾乎沒有研究人員認為遮蔽陽光是降低大氣層CO2含量的解決方案，或是地球工程可以獨力解決全球暖化問題，不過他們主張地球工程可以爭取時間，讓人類完成改用碳中和（carbon-neutral）能源的革命。美國國家大氣研究中心（NCAR）的威格里（Tom
M. L. Wigley）說：「我認為應該考慮地球工程的原因是，檯面上降低CO2排放量的方法都無法拯救地球，沒有人認真考慮技術上的困難。」
增加平流層中的硫酸微滴
克魯琛與威格里共同主張的地球工程方案是最便宜、而且確定可行的一種。早在1974年，俄國列寧格勒地球物理主觀測站的物理學家布迪科（Mikhail I.
Budyko）便提出了這項方案，做法是將數百萬噸的二氧化硫（SO2）注入平流層中，二氧化硫與氧氣、水和其他分子反應，形成由水、硫酸（H2SO4）、塵埃、鹽粒或其他微粒組成的硫酸微滴，進而使硫酸與水凝結在微滴上。所有人都同意，硫酸微滴形成的雲可以散射陽光，讓夕陽看起來更紅、天空顯得黯淡，而地球表面的平均溫度會下降。1991年菲律賓皮納吐坡火山爆發，將2000萬噸的二氧化硫噴入平流層中，使往後一年內的全球平均溫度下降了0.5℃。卡德拉說：「因此基本上我們確定，這個方法確實有效。」事實上，早在克魯琛發表論文的10年前，卡德拉便已經開始以模型測試這項方案了。
當克魯琛出面呼籲時，世界對於地球工程的接受度更高了，因為在布迪科發表論文之後，全球氣溫至今已升高0.5℃，導致許多冰層融化。1990年代，勞倫斯利佛摩國家實驗室的泰勒（Edward
Teller）與同事建議，金屬微粒也許可以在空中停留更久，並能反射更多陽光，但是克魯琛堅持使用早已驗證有效的二氧化硫，這讓他的提議顯得更有說服力。
克魯琛指出，由於燃燒化石燃料，每年有5500萬噸的二氧化硫（加上80億噸的CO2）被釋放到低層大氣中。根據世界衛生組織的估計，高濃度的二氧化硫每年殺死50萬人，然而二氧化硫也會冷卻地球，但沒有人知道幅度有多大。因此當政府實施污染防治法時，例如美國的空氣清淨法案，也同時會讓全球暖化更嚴重。克魯琛建議，將部份的二氧化硫注入平流層看來十分合理，畢竟二氧化硫在高空中會幫地球擋住陽光，而不至於殺死我們。
布迪科的原始構想是利用飛機在平流層中燃燒富含硫的燃料，克魯琛則提議利用氣球將二氧化硫送上高空。如果大氣中的CO2濃度比工業革命之前上升了一倍，那麼需要多少二氧化硫，才能抵消CO2所造成的全球暖化效應呢？每個人的估計都不同。單純以硫的重量來說，威格里估計每年需要500萬噸，而克魯琛與NCAR的拉許（Philip
J. Rasch）則估計150萬噸便足夠，前提是人造微粒的平均直徑，必須比火山噴發的微粒還小（後者直徑小於0.2微米）。
改變局部地區的氣候
這些估計與人類每年釋放到低層大氣的二氧化硫總量比較起來不算太多，跟CO2造成的問題相比更是微不足道。卡德拉解釋，每年需要的二氧化硫大約和消防水管中噴出的量差不多。克魯琛估計這項方案一年的費用介於250~500億美元之間，等於已開發國家的每位公民花費25~50美元。這個價格比美國民眾花在購買樂透彩券的平均費用還要少，但是報酬卻更加明確：一個較為涼爽的地球（至少就全球平均溫度來說）。
然而區域性的氣溫模式才是最重要的，根據美國華盛頓大學的氣候模型學家巴迪斯蒂（David S. Battisti）的說法，二氧化硫遮蔽陽光的效果與CO2產生的溫室效應並不對等。不論是白天或晚上、盛夏或寒冬，CO2都會持續讓全球暖化，當海上與陸地的冰層融化，白色的冰涼表面被深色的溫暖表面取代後，CO2的暖化效果在極地會更明顯。相反的，平流層中的二氧化硫只會在陽光照射處產生遮蔽作用，對極地的冬天效果不彰，因此可以預期二氧化硫對熱帶的冷卻作用會大於極地，但若要使氣候回復到工業革命前的狀態，二氧化硫的冷卻效果與我們所需要的恰好相反。
令人驚訝的是，有些模型的模擬結果顯示，二氧化硫遮蔽陽光的影響並非如此簡單。卡德拉說：「我們發現二氧化硫在扭轉全球氣候的暖化趨勢上，其實相當有效。」只要夏天時極地降溫的幅度足夠維持海冰不會融化，那麼遮蔽陽光所帶來的效果，便足以和CO2加速極地暖化的效果相抗衡。
利用二氧化硫遮蔽陽光也可能帶來其他嚴重的缺點。二氧化硫就像CO2，不僅影響地球的氣溫，也會改變風與降水量，而這些影響是目前無法預見的。隨著抵達地面的陽光減少，蒸發的水氣也會變少（尤其在熱帶），可能會讓雨水與淡水比現在更為匱乏，皮納吐坡火山爆發後的效果便是如此，根據NCAR的川柏斯（Kevin
E. Trenberth）與戴愛國（Aiguo
Dai）的分析，在火山爆發後的一年內，陸地上的降水量與河流流量皆大幅下降。在此同時，蒸發量的降低也意味著更濕潤的土壤，不過卡德拉的模型顯示，同時排放二氧化硫與CO2到大氣中對於降水量的影響，比起單單排放CO2時來得小。簡單的說，地球工程依然會改善整體情況。
不管降水量是否會減少，當我們將數百萬噸的硫酸送上平流層後，雨水的酸性一定會變強。就全球來看，酸雨的增加量可能不多，畢竟人類已經排放大量二氧化硫到低層大氣中了。但是路特格大學的羅伯格（Alan
Robock）在《原子科學家會刊》中指出，有些酸雨可能會降在尚未遭到污染的原始地區。
影響臭氧層破洞的大小
另一個更值得擔心的議題是平流層中的臭氧層。長期使用於冷媒與噴霧推進劑的氟氯碳化合物在分解後產生的氯原子，在抵達高層大氣後與臭氧作用，已導致每年春天南極的臭氧層破洞，使紫外線直接照射地球，然而破壞臭氧層的化學反應，只有在溫度低於某個限度時，才會在平流層的微粒表面發生（這些微粒包含了硫酸微液滴）。自從1987年蒙特婁議定書禁用氟氯碳化合物後，臭氧層破洞已經漸漸變小、變薄，但如果更多的硫酸被送上平流層，將會扮演分解臭氧的催化劑，因而延緩臭氧層的復原。
毫無疑問的，皮納吐坡火山的「實驗」導致部份的臭氧層破壞，但不算太嚴重。然而NCAR的提梅斯（Simone Tilmes）認為那次的結果有誤導之嫌，因為在火山爆發後的那個冬天，氣候恰好十分溫和。提梅斯說，在更為嚴寒的冬天，極地臭氧層遭受破壞的程度會嚴重許多，更糟的是，造成全球暖化的溫室氣體會把熱留在地表，使平流層的溫度進一步降低，導致臭氧層受到更大破壞。
根據提梅斯的估計，如果我們在幾年內開始將二氧化硫注入平流層，南極上空的臭氧層破洞得多花30~70年才能回復原貌。在寒冷的年份，北半球的高緯度地區也會出現臭氧層破洞，讓下方的城市暴露在致癌的紫外線輻射之中。然而拉許指出，提梅斯的計算結果代表最糟糕的情況，她的計算合併為了抵消數十年後濃度上升一倍的CO2所需要的二氧化硫總量，以及目前平流層中氯的濃度，而沒有考慮到氯的濃度正在穩定降低。
因此科學家仍不確定二氧化硫對臭氧層的確實影響，也不知道有無其他影響層面。我們有能力在明年開始實施這項方案，但除了讓全球冷卻之外，我們完全無法掌握自己正在做什麼，就像人類開始將氟氯碳化合物應用在冰箱與腋下除臭劑時，也完全不知道臭氧層將因此遭破壞。克魯琛在文章中承認無心之過可能造成的嚴重後果：「南極臭氧層突然毫無預警地破洞，這件事清楚告訴我們，絕不能低估地球工程可能導致無法預期的變數。」
增加對流層中的微液滴
在低層大氣中，二氧化硫不僅能散射陽光或引起呼吸道疾病，也會在原本晴朗的地方產生雲，或是讓已經存在的雲變得更明亮，這種效果稱為「間接性氣溶膠效應」（aerosol
indirect
effect），氣象學家認為這種效應的冷卻效果，至少與氣溶膠微粒直接散射陽光的效果相當。當船隻航行時，引擎廢氣留下的線性軌跡雲，明白解釋了這個現象：這些雲層延伸數百公里並且持續好幾天，連衛星照片都能捕捉到被雲層反射回太空的陽光。
萊瑟姆（John
Latham）是英國一位退休的雲物理學家，他所提出冷卻地球的辦法，基本上便是藉由許多船隻產生的軌跡雲，讓海上的雲層變得更潔白。然而引擎廢氣會造成污染，萊瑟姆計畫利用一整隊無人駕駛的船隻，將海水霧化為微液滴後噴向空中，如此便可產生乾淨的軌跡雲。
間接性氣溶膠效應的基本機制相當簡單，雲層能反射多少陽光，取決於組成雲的水滴的總表面積。萊瑟姆解釋：「如果讓等量的水蒸氣凝結成許多微小的液滴而非幾個較大的液滴，會有較大的總表面積。」理論上，在大氣中注入懸浮微粒，會產生較多且較小的液滴，因此雲層看起來更白、反射陽光的效果也更好。
讓海面上的雲層反射陽光
目前陸地上方的空氣充滿了人造微粒，因此雲層看起來比原本的更白、也更能反射陽光。但是在海面上，空氣中的微粒主要是自然形成的，包括海浪捲起時泡沫產生的海水液滴，當這些液滴被吹到300公尺的高空時，大部份的水份都已經蒸發了，留下鹽晶微粒，此時水蒸氣也開始凝結在微粒上，新的液滴組成低層海洋層積雲，覆蓋在全世界1/4的海面上。萊瑟姆的想法是藉由注入足夠的懸浮鹽霧，讓雲層中液滴的數量增加四倍，因此海洋層積雲看起來會更明亮。
英國愛丁堡大學的榮譽退休工程教授沙爾特（Stephen
Salter）則構想出一個十分巧妙的方案。萊瑟姆說：「它基本上是一個噴水壺，但噴嘴是蝕刻了數十億個孔洞的矽晶圓，每個孔徑不超過一微米，噴嘴安裝在衛星導航的無人船隻上。更精確的說，這種『佛勒特納船』（Flettner
ship）有著高聳的旋轉圓柱，看起來就像煙囪，但是功能相當於船帆，一側順風、另一側背風，因而產生升力。」
在沙爾特的概念中，藉由通過船體下方的水流推動渦輪機，可以產生足夠的電力讓圓柱持續轉動，並噴出直徑0.8微米的海水微液滴。每艘船的造價約200萬美元，每秒可噴出30公升的海水，沙爾特與萊瑟姆估計約需要1500艘船（總共花費30億美元），便能抵消CO2濃度上升一倍所造成的全球暖化效應。根據英國氣象局哈德利氣候預測及研究中心的模型顯示，只要在4%的海洋部署這種船，便可以達到一半的效果。
可是依然沒人模擬這種方法的冷卻效果能否均勻冷卻地球，巴迪斯蒂說：「冷卻效果可能是區域性的，因此世界上會產生極端嚴寒與極端炎熱的地區。」另一個考量是船隻下風處可能發生乾旱，由較小液滴組成的雲層能夠維持較久，遮蔽陽光的效果更好，但產生的雨水也較少。
最後，這項方案會讓新形成的雲明亮多少，仍是未知數。現有的氣候模型高估了這種效應，因為根據模型的推算，目前大氣中的氣溶膠微粒數目，已經足夠抵消全球暖化了，但事實顯然並非如此。拉許因此開始模擬萊瑟姆的提案，他說：「這是我們對氣象學最不了解的領域之一。」
就地球工程方案來說，運用風力動力船將海水霧化噴入空中，聽起來相當吸引人。萊瑟姆說，如果出了什麼差錯，你可以在幾天或最多數週內關閉噴霧；反觀平流層中的硫酸，則會懸浮在空中數年之久。威格里說：「這項方案絕對值得好好考慮。」只要簡單的實地測試，便能解開許多疑慮。目前為止，萊瑟姆得到的唯一援助來自發現頻道，電視製作人贊助他建造一艘小型的佛勒特納船，好讓這齣關於地球工程的紀錄片更有看頭。
在太空中撐起遮陽傘
發現頻道也資助安吉爾（J. Roger P.
Angel）建造一種1.2公分寬的氮化矽陶瓷碟盤，這種碟盤是透明的，厚度只有1/4微米，大約是保鮮膜的1/40，但是強韌得多，上面穿鑿了許多極微小的孔洞。安吉爾是美國亞利桑那州立大學史都華天文台鑄鏡實驗室的主任，以研發許多望遠鏡與光學儀器聞名，這也難怪他會想出利用與高性能汽車所用軸承同樣的材料來製作碟狀光學裝置。幾年前，安吉爾的妻子問他，能不能為全球暖化做點什麼，他以一個古老的地球工程提案做為回應。如果用比較婉轉的字眼來形容這項提案，可說是「跳脫框架的思考」。
提案的內容是在「內拉格朗日點」（inner Lagrangian
point，L1）安置遮陽傘。拉格朗日點位於日地連線上距離地球160萬公里之處，太陽與地球在此處施加的重力恰好相等但方向相反。設置在L1的遮陽傘可以為地球均勻地遮蔽陽光，而且完全不會污染大氣層。
在安吉爾的方案中，太空中的遮陽傘不是一艘巨大的太空船，而是由數兆艘小型太空船組成。每艘太空船為寬約60公分的氮化矽碟盤，配備有電腦與導航系統，重量不超過一公克。安吉爾指出，大樺斑蝶（Monarch
butterfly）重量少於一公克，卻能自行導航數千公里，飛往墨西哥的繁殖地。這些「飛盤」會利用超過1.6公里長、大部份埋藏在地底的電磁感應線圈槍，以每疊100萬艘、每分鐘發射一疊的速度射向太空中，連續發射長達30年。安吉爾估計，這張遮陽傘的發射重量可以小於2000萬噸，約為目前國際太空站重量的七萬倍。想要將這麼多東西送上太空，可不是件容易的事。
高效率的離子推進引擎將會把每疊飛盤從地球軌道送達L1，抵達目的地後飛盤會像發紙牌一樣派送出去，成群散佈在9萬6000多公里長的區域中，並全部面向太陽。衛星「牧羊」會在四周巡邏，設置一套區域性的全球定位系統。飛盤會利用微小鏡片做為太陽光帆，防止自己飄移出這個區域。太陽光子會通過矽化氮碟盤，但是那些通過孔洞的光子，會比沒有通過孔洞的光子稍微前進一點，因此這兩組光子會互相干涉抵消，造成遮蔽陽光的效果。若非如此，這些陽光會抵達地球，其中約有2%會被散射到地球兩端。
沒人知道安吉爾究竟對自己的想法有多認真。他爽快地承認：「這個辦法並非快速而便宜的解答。」事實上，在太空中建造遮陽傘粗估花費高達五兆美元，誠如威格里所言：「簡直是天方夜譚。」卡德拉說：「這個方案需要投入巨大的資源，或許建造風力渦輪機或太陽能電廠還容易得多。」安吉爾似乎也同意上述評語，因此他現在把大部份的時間投入在如何集中陽光、並且讓光伏電池更有效率。他說，畢竟任何遮蔽物都會浪費太陽能。
聰明反被聰明誤？
光靠地球工程無法解決CO2的問題，部份原因是CO2不只造成全球暖化而已。如果我們光靠遮蔽陽光來解決全球暖化，CO2仍然會持續溶入海洋，緩慢使海水酸化，遲早海洋生態系統會受到破壞。然而暫時阻止全球暖化也許值得一試，卡德拉說，由於利用二氧化硫遮蔽陽光的地球工程花費較少，「單一國家便有財力獨自執行」。美國可以選擇挽救格陵蘭冰帽（同時讓弗羅里達州免於淹沒在海水中），而中國可挽救喜馬拉雅山冰河，或是瑞士挽救其滑雪產業，而不必浪費時間在簽訂全球氣候協定的爭論上。隨著觀點的不同，你可以將這件事看做地球工程最吸引人的地方，也是最令人擔心的地方。
也許我們所能想像最可怕的情況是，如果人類建造了遮陽傘，卻不努力降低CO2排放量，最後任憑遮陽傘崩壞，芝加哥大學的氣候模型學家皮爾杭伯特（Raymond T.
Pierrehumbert）將這種情形比擬為「達摩克里斯之劍」。利用二氧化硫遮蔽陽光，就像用一條二氧化硫的細線懸掛著CO2的利刃。為了維持這條細線，人類必須持續往大氣中注入越來越多的二氧化硫。如果這條線突然斷裂，像是發生戰爭、國家動盪或是經費不足，那麼長期累積的CO2會讓地球溫度快速上升，結果將比當初遮蔽陽光時企圖避免的危機更糟糕。卡德拉與加拿大康科狄亞大學蒙特婁分校的馬修茲（H.
Damon
Matthews）合作，模擬遮陽傘崩壞時的情況，他們發現全球暖化的速度可能因而高達每10年上升2.2~4℃，遠比目前的暖化速度高出10倍之多。皮爾杭伯特認為，人類的歷史說明我們無法阻止這樣的災難，他利用圖表來表示模擬的結果，並且在地球工程因故停止、氣溫開始飆升那一點，標示著「羅馬帝國的衰亡」。
目前沒有人知道實施地球工程是不是個好主意，大部份的人都同意針對這個領域進行更多研究是絕對必要的，但每個人看待這些研究的觀點都不同。包括威格里在內的一些科學家認為，為了爭取更多時間以改用碳中性能源，遮蔽陽光是一個合理的對策。另一些科學家則擔心地球工程將會讓減低CO2排放量的誘因消失。「正當全世界終於開始正視全球暖化的嚴重性之際，非常不幸的，地球工程這個精靈卻從神燈中現身了。」皮爾杭伯特最近在美國加州大學聖巴巴拉分校科維理理論物理研究所的演講中說道：「如果人們將地球工程草率地視為解決全球暖化的備案，那麼各國正要開始認真降低CO2排放量的行動，極有可能因此夭折。」
最後這些爭議不免牽扯到人類的劣根性，以及科學的力量能否加以約束。威格里說：「就科學的角度來看，光是實施地球工程而不努力降低CO2排放量，會是一件非常愚蠢的決定，如果真的這麼做，無異於緣木求魚。我們在優秀的科學指導下，不會做出愚蠢的決定。」
皮爾杭伯特與其他科學家的看法則較為悲觀，他在演講中說得很清楚：「聰明人也有做出蠢事的能力。」
（本文由科學人提供，原載科學人2008年第82期12月號）
|
