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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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地球工程大作戰

文/凱文‧布里斯(Kevin Bullis) 譯/羅耀宗

世界六分之一以上的人口,也就是遠超過十億人,用的是積雪和冰川融化注入河流的水。但是這些水源正在快速枯竭:流進印度、中國和其他亞洲國家河流的喜馬拉雅山冰川,二十五年內可能消失。氣候變遷的這種影響,不再令科學家吃驚;但發生的速度之快,才叫他們撟舌不下。「地球的變化速度,似乎比氣候模式預測的要快,」哈佛大學地球與行星科學教授,以及美國總統歐巴馬的氣候問題顧問丹尼爾‧席拉格(Daniel Schrag)說。

大氣中的二氧化碳水準,已經攀升到385個百萬分率(parts per million;ppm),遠高於許多科學家所說,氣候相對穩定的上限。而且,儘管許多國家的政府出面領導限制碳的排放量,燃燒石化燃料每年排出的碳卻有增無減:二十年來增加了41%。過去十年,大氣中的二氧化碳濃度每年增加約2ppm。以這個速率持續下去,到本世紀末,二氧化碳濃度將是工業革命前水準的兩倍。在此同時,研究人員日益相信,在這個水準下,氣候對溫室氣體的敏感度,可能高於我們曾經所以為的。「我們可望僥倖避開嚴重傷害的可能性,似乎相當低,」席拉格說,「我們就算使盡全力去做,可能還是不夠好。」

這樣驚人的發現,促使席拉格等許多富影響力的科學家,從根本改變他們對於如何因應氣候變遷的想法。他們開始呼籲政府出錢資助地球工程(geoengineering)的研究,這是讓地球快速冷下來的大型計畫。

可以考慮運用的地球工程策略五花八門,包括發射數以兆計的遮光板到太空,以及在海洋施肥,促使海藻大量滋生。近年來最引人注目的一種,是把數百萬噸的二氧化硫投射到大氣層,形成微粒,為地球擋光。不少地球工程的建議,可以追溯到幾十年前,但直到僅僅幾年之前,大部分氣候科學家還認為它們介於高科技的痴心妄想和科幻小說之間。其實,就像麻省理工學院的大氣科學教授隆納德‧普林(Ronald Prinn)所說的,這個主題曾經是塊「禁地」。這樣的工程特技能夠表演得多漂亮,以及是否將緩和氣候的變化,不只在未定之天,大部分科學家更擔心會帶來始料未及的災難性後果。此外,依賴地球工程使地球冷卻下來,而不是減低溫室氣體的排放,後代子孫必將無限期維護這些計畫。由於這些理由,正在苦思如何因應全球暖化問題的政策制定者,單單提到地球工程一詞,便被視為分心他顧,危險至極。普林說,直到幾年前,他還認為地球工程的支持者「不知死活」。

但如今,地球工程已不再只是邊緣概念。英國的皇家學會(Royal Society)於2009年9月發表一份報告談地球工程,概述相關的研究和未來的政策挑戰。美國的國家科學院(National Academies)正在做類似的研究。白宮科學技術政策局(White House Office of Science and Technology Policy)局長約翰‧霍德倫(John Holdren)獲任命後不久,就開始倡議這個觀念。「氣候變化的速度快於任何人以前的預測,」他在一次談話中說,「如果我們的急迫感足夠的話,也許就會嘗試以地球工程,設法產生冷卻效果。」他說,我們需要了解各種可能性和可能的副作用,做好準備。連美國國會都對此議題產生興趣,2009年11月就地球工程舉辦了第一次聽證會。

地球工程可能是「駭人的觀念」,但席拉格表示,這也許比什麼事都不做要好。他和過去的許多支持者不一樣,不認為這是替代選項,有了它,就不必減少排放溫室氣體。「這不是技術上的修補手段,不是用來臨時貼傷口的護創膠布;它是止血帶,」他說,「是的,可能有潛在的副作用,但或許比流血致死要好。」

周日風暴

地球工程的觀念,歷史相當久遠。1830年代,美國首位聯邦資助的氣象學家詹姆斯‧艾斯皮(James Espy)想在每個星期日下午,放火焚燒阿帕拉契山脈的一塊森林,認為林火產生的熱可以引發暴風雨。一個多世紀後,美國和蘇聯的氣象學家及物理學家分別考慮使用各式各樣的氣候改變方法,目標通常是希望北半球的溫度更加暖和,以延長生長季節和開通經過北極的航道。

1974年,蘇聯科學家米開爾‧布迪科(Mikhail Budyko)率先提出的建議,可能是今天使地球冷下來的先導計畫:把氣體射進大氣上層,它們在那裡形成微粒,阻擋日光。這個觀念是從自然現象而來。每隔數十年,就有一座火山猛烈爆發,把數百萬噸的硫(以二氧化硫的形式)送進十公里外大氣上層的同溫層。因此產生的硫酸鹽微粒很快散布開來,而且懸浮好幾年之久。它們會反射和擴散光線,產生薄霧,使藍色天空變白,夕陽西下因此顯得戲劇化。硫酸霧除了減少落到地表的光線數量,也把溫度降低。1991年菲律賓的品納土玻火山(Mount Pinatubo)爆發,釋出約1,500萬噸二氧化硫到同溫層之後,就發生這種事。接下來十五個月,平均溫度下降了攝氏半度(幾年後,硫酸鹽脫離同溫層,冷卻效果消失)。

科學家估計,要補償本世紀預期將增加的二氧化碳水準,每年必須投注一百萬到五百萬噸的硫到同溫層。要把這麼多的硫送到那裡,五花八門的策略因此被提了出來。億萬富翁投資人內森‧麥佛德(Nathan Myhrvold)想出幾個辦法,其中之一是利用火力發電廠已經大量排放二氧化硫的事實。這些二氧化硫接近地面,二到三個星期內,雨水就把它們從大氣層中沖走。要是能把污染物送進同溫層,它們就會在那裡環繞好幾年,反射日光的作用大增。為使硫進入同溫層,麥佛德建議,何不使用二十五公里高的「充氣式彈性熱氣球煙窗」?他說,只要兩座火力發電廠的排放量,問題可能就解決了。他估計,這個解決方案一年花不到一億美元,包括更換被暴風吹壞的氣球成本。麥佛德曾任微軟公司的技術長,後來在華盛頓州貝爾維創辦知性創業投資公司(Intellectual Ventures),擔任執行長。

氣候科學家不準備放行這種計畫,並不叫人驚訝,因為其中一些問題明顯可見。首先,沒人曾經嘗試興建二十五公里高的煙囪。此外,科學家對大氣化學的了解還不夠充分,不能確定到底會發生什麼事;把數噸硫酸鹽射進同溫層,不但不能緩和氣候的變化,還可能造成浩劫。大氣化學太過複雜,後果難料,而且,氣候模式的力量不足以預判完整的情形。

「我們知道品納土玻火山爆發使地球的溫度下降,但問題不在這裡,」席拉格說,「平均溫度不是唯一的問題。」他指出,我們也需要解釋溫度的區域性變異,以及對降雨的影響──這正是氣候模式其差無比,很不會解釋的地方。普林同意他的說法:「減低日照數量,我們無法確定氣候系統對那種做法的確切反應,理由和我們無法確切知道氣候會對某一溫室氣體水準的反應相同。」他補充說:「這是個大問題。你不完全了解的系統,如何能做工程設計?」

品納土玻火山的實際影響,其實十分複雜。當時的氣候模式預測,由於地表的日照減少,這種爆發產生的硫酸鹽霧會減低水的蒸發,進而導致全球降雨量減少。雨量確實減少了,但降幅遠多於科學家的預期。「品納土玻火山爆發後的那一年,是有紀錄以來迄今雨量最少的,」科羅拉多州博爾德的國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research)資深科學家凱文‧特朗柏斯(Kevin Trenberth)說。「事實上,比歷年最低數字少了50%以上。」但是各地受到的影響並不一致,有些地方的雨量不減反增。科學家警告,以人為工程設計的硫酸霧,可能有同樣難以預料的結果。

即使是最好的可能情境,也就是副作用小且處理得來,以折轉光線的方式冷卻地球,也不會減少大氣中的二氧化碳,而那種氣體的含量升高,後果不只是溫度上升而已。另一個後果是海洋吸收更多的二氧化碳,酸性增強。這會傷害介殼類水生動物和一些浮游生物,影響魚類和鯨魚的重要食物來源。漁業可能慘遭蹂躪。此外,如果我們不直接處理,二氧化碳含量會繼續上升,所以任何減低日照的技術,都必須持續不斷增強,才能補償它們的暖化影響。

如果地球工程所做的事,因為環境或者經濟上的理由必須叫停,溫室氣體水準升高勢必導致暖化突然加劇。「即使地球工程運作得十分完美,」芝加哥大學地球物理科學教授雷蒙‧皮耶哈姆伯特(Raymond Pierrehumbert)說,「整個地球在不到十年內遭到也許多達百年的全球暖化襲擊,只有一場全球戰爭或者經濟蕭條之遠。目前的處境仍然如此。這肯定是場浩劫。執行地球工程,將置地球於岌岌可危之境。」

更聰明的硫酸鹽

設想各種地球工程計畫的後果,並且擬定策略,使它們更加安全和更見成效,將需要耗上數年,甚至數十年的研究。「我們每花一美元設想如何真的動手執行地球工程,」席拉格說,「就需要花十美元了解會產生什麼衝擊。」

首先,科學家甚至不確定用數十年的時間,把硫酸鹽送進同溫層,而不是靠一次短暫的火山爆發,可望使地球的溫度下降。這裡面的關鍵問題是:微粒在同溫層中如何交互作用。長時間在同一區域一再加進的硫酸鹽微粒,將凝集在一起。如果發生這種事,微粒可能開始和波長較長的輻射線交互作用,而不是只和可見光波長中的電磁能互動。這會捕捉自然流入太空的一些熱,淨效果將是增溫,而不是減溫。或者,比較大的微粒可能從天空掉下來,沒機會折轉太陽的熱。加拿大卡加利大學的能源與環境系統研究小組主任大衛‧吉斯(David Keith)研究這些現象時,想到或許可以做一些實驗,例如找一架飛機,在低汽化壓力之下,把一種氣體噴灑在方圓一百平方公里的地方。這種氣體將在同溫層中凝結成微粒,飛機再穿過微粒雲飛回,執行測量任務。以系統化的方法,改變微粒的大小、某個地區的微粒數量、釋出的時間,以及其他的變數,或許能夠得知它們重要的微量尺度交互作用詳情。

可是,即使我們能夠了解和管理硫酸鹽微粒的行為,將它們發射進入同溫層,對龐大、複雜的氣候系統會有什麼樣的影響,卻非常不清楚。到目前為止,大部分的模式都相當粗糙;比方說,直到最近,它們才開始思考冰和洋流的流動情形。硫酸鹽會在白天冷卻地球,但太陽不照耀時,卻沒什麼差別。因此,夜晚相對於白天可能比較溫暖,但科學家沒把這種影響模式化,研究它可能如何影響生態體系。「同樣的,你可以影響四季,」席拉格說,硫酸鹽在冬季時降低的溫度比較少(因為日照少),夏季降低的溫度則比較多。而且科學家並不了解同溫層的環流型態將因為加入硫酸鹽而如何改變,或者任何這些事情到底可能在何地和何時造成乾旱、洪水和其他天災。

席拉格表示,如果科學家可以多知道同溫層中硫酸鹽產生的影響,「智慧型」地球工程一些有趣的可能性便可望提高。火山爆發是十分粗糙的工具,幾天之內從一個地點釋出許多硫。但是地球工程師可以選擇在哪裡,以及何時和多快把硫酸鹽送進同溫層。

「到目前為止,我們想的非常簡單,」席拉格說,「我們談的是以同樣的方式,發射東西到同溫層。」不過,迄今對這麼做可能造成的影響,預測言人人殊。比方說,如果水份蒸發造成陸地乾旱,那麼蒸發的變化,造成的傷害可能很大。但如果海洋的降雨量減少,問題就不大。利用同溫層的環流型態和四季的氣象變化,損害最大的後果或許可以限縮。「你可以設定發射的步調,」他說,「你可以建立智慧型系統,或許能把一些負面效應相互抵銷。」

一個潛在風險比較低,也不刻意污染同溫層的地球工程方法,是將二氧化碳從空氣中抽離。但是所需的技術,開發起來難度很高,而且實施規模很大。

哥倫比亞大學地球與環境工程系地球物理教授克勞斯‧雷克勒(Klaus Lackner)在曼哈頓晨曦高地(Morningside Heights)的十樓實驗室,正在實驗一種材料,能起化學作用,和空氣中的二氧化碳結合在一起,然後,如果浸入水中,會以濃縮的形式釋出這種氣體,很容易被捕捉。這項研究還處於早期階段。雷克勒的碳捕捉裝置看起來像是破爛的試管刷;必須用手浸到水裡,而且很難迅速將它們密封到臨時拼湊、用來衡量它們釋出的二氧化碳的密閉空間。但是他想到,可以建置自動化系統──數以百萬計,每個系統都像間小屋──散布在接近地層封存處的鄉間;地層封存處是指能夠儲存所捕捉氣體的地方。他估計,根據這種材料建立起來的系統,從空氣中去除二氧化碳的速度,是樹木的一千倍。哥倫比亞大學的其他研究工作者也在研究各種方法,利用橄欖岩會和二氧化碳反應,形成碳酸鎂與其他礦物質的事實,從大氣中去除溫室氣體。他們希望加快這些自然反應的速度。

捕捉碳的這些構想是否切實可行,目前仍然非常不明朗。有些甚至可能需要耗用很多能源,二氧化碳淨值恐怕不減反增。「但即使得花上一百年了解怎麼做,」皮耶哈姆伯特說,「還是有用的,因為大自然中的二氧化碳,需要一千年才會從大氣中消失。」

戰爭的禍因

但是人們可能樂於嘗試幾種地球工程計畫,因為它們相對便宜和簡單。而且,即使沒人知道它們是否安全或者有效,並不表示它們就不會被人嘗試。

加州大學聖地牙哥分校的國際法律與管理實驗室(Laboratory on International Law and Regulation)主任大衛‧維克多(David Victor)預見兩種情形可能發生。第一是「狗急跳牆」:「一個國家相當容易受到氣候變遷之害,急於改變現狀,卻見到減少排放量的努力毫無成效。一些粗糙的地球工程辦法可能十分便宜,於是這樣的選項被千里達或者孟加拉看上──前者有豐富的天然氣可供出口卻容易受害;後者貧窮,國家卻夠大,有能力做出為了求生而非做不可的事。」第二是「蘇聯式的好大喜功工程設計」:「一個國家如果由工程專家主政,而且不受民意或者反對聲音過度監督,有可能將地球工程當做國家使命去執行──就像大張旗鼓興建設計不良的核能反應爐、河流改道計畫、人口遷徙,以及其他當民眾資訊靈通、敏感負責、當家做主時很難推動的國家使命。」不管何者,一個國家單獨的行動,都可能影響全世界的氣候。

其他國家會有什麼樣的反應?維克多說,走到極端,可能爆發戰爭。有些國家可能反對讓地球冷卻下來,尤其是較高的溫度,如果能帶來作物生長季節拉長和冬天比較溫暖等好處的話。而如果地球工程導致雨量減少,曾經因為全球暖化而經歷旱災的國家,受害可能更大。

目前沒有任何國際法或協定,能夠確切防範一國片面推動地球工程計畫。而且,我們所知太少,諸如聯合國之類的管理機構,無法擬訂完善的管理辦法。一國如果決心自救,以免慘遭氣候浩劫蹂躪,無論如何都會漠視這些國際機構訂定的管理辦法。維克多說,我們只有期待世界各地的頂尖科學家攜手合作,儘可能清楚說明地球工程可能造成什麼危害,以及如果要執行,可以怎麼做。他說,經由開放式的國際研究,我們可以「提高負責任的規範浮現的機率──機率不可能達到百分之百」。

不管有沒有準備好

2006年,因為發現同溫層中臭氧層耗竭而榮獲諾貝爾化學獎的荷蘭科學家保羅‧克魯琛(Paul Crutzen),在《氣候變遷》(Climatic Change)期刊寫了一篇文章,宣稱減低溫室氣體排放量的努力「大體上不成功」。他呼籲加強研究「氣候工程的可行性和環境影響」,即使他承認投射硫酸鹽到同溫層可能傷害臭氧層,造成無法預測的巨大副作用。他說,儘管有這些危險,氣候工程到頭來可能是「迅速抑制溫度上升可用的唯一選項」。

克魯琛的論文當時引起不少爭議,許多科學家說那是不負責任的想法。但吉斯表示,克魯琛的文章促使地球工程浮上檯面。吉斯1989年開始研究這個主題。有位科學家的想法本來和克魯琛相同,也和任何人一樣了解同溫層,後來卻贊成研究投射硫酸鹽以冷卻地球,之後其他許多科學家紛紛跟進,願意開始談這件事。

華盛頓大學的大氣科學教授大衛‧貝提斯提(David Battisti)是近來改變想法的人之一,但有個問題特別令他擔心。針對熱浪所做的研究發現,當溫度上升到比正常水準高攝氏3到4度──麻省理工學院的普林預測,即使實施嚴格的排放管制,也有可能到達這個溫度──作物的收成會急劇減少。貝提斯提於2009年秋天,在麻省理工學院的一場地球工程討論會上說:「到本世紀末,單單由於氣溫,我們便預測作物收成會減少30%到40%,而未來五十年,糧食的需求預料會增加一倍以上。」

貝提斯提很清楚實施地球工程的不確定性。他最近所做的研究,是第一個以電腦模型,試著了解遮蔽地球對氣候有多大影響的研究,結果發現:區域性溫度預測值降低攝氏2到3度,區域性降雨量的預測值降幅多達40%。由於已有十億人口營養不良,以及如果全球暖化傷害農業,可能有數十億人挨餓,貝提斯提不得不承認我們也許需要考慮「氣候工程修補辦法」。更多的資料和更好的模型將有助於釐清地球工程產生的影響。「再給我們三、四十年,我們會有需要的,」他在麻省理工學院的討論會上說,「三、四十年後,以二氧化碳增加的水準來看,我們將需要地球工程,不管有沒有準備好。」

五種地球工程設計

研究工作者和企業家提出各式各樣的方法,從便宜簡單,到昂貴複雜的都有。以下介紹五種最受矚目的方法。

1.投射硫酸鹽
利用飛機或者數百條翼形氣球拉起的管子,把懸浮微粒投射到大氣上層。這些微粒將反射光線,遮蔽地球。
優點:可能便宜,行動速度快,幾個月內就能降低地球的溫度。
缺點:可能造成旱災。投射行動可能需要持續數百年之久。

2.把雲層變亮
噴灑極細的海水水霧到低空雲層,細小的水滴比一般的雲層反射更多的光線。
優點:可以在特定的目標上方遮蔽光線,例如阻止北極海的冰融化。
缺點:科學家不知道這會如何影響陸地上的降雨和溫度,而這是最重要的問題。

3.海洋施肥
把鐵或其他的養分加進海洋,促進海藻滋長,捕捉二氧化碳,並把其中一些儲存在海底深處。
優點:直接處理氣候變遷的根本原因:大氣中的二氧化碳。
缺點:頂多只能沖抵可歸因於人類溫室氣體排放量的八分之一,而且可能傷害生態體系。

4.太空遮光碟
把數兆片遮光碟射進太空,反射落到地球的光線。
優點:太空系統不會污染大氣。一旦進入太空,能夠立即冷卻地球。
缺點:這種技術可能需要數十年才發展得出來。而且,發射數兆片遮光碟,成本其貴無比。

5.人造樹
利用各種化學反應,捕捉大氣中的二氧化碳,永遠儲存。
優點:長期而言,可以減低大氣中的二氧化碳含量。能夠儲存的溫室氣體數量,沒有明顯的上限。
缺點:可能很昂貴,能源密集度高,而且需要很長的時間才能降低溫度。



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