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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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簡單計畫,停止暖化

David Rotman

凱斯說,以人為方式改變大氣層讓地球降溫,這方法比想像中可行許多。但這是個好辦法嗎?

計畫是這麼進行的。在幾架商用噴射機上配上特製的軍用引擎,另外安裝可製造並噴灑微粒硫酸粉末的裝置。讓飛機來到離地表約20公里──遠高於一般客機的航行高度的高空,不過也還在噴射機的飛行範圍。在熱帶地區,這樣的高度相當於平流層的底層。之後,飛機會小心控制噴灑粉末的速度,讓硫磺和水蒸氣結合,形成直徑不到一微米的硫酸鹽懸浮微粒。自然風會把這些微粒往上帶,讓其遍布於包括南北極的地球各處。當硫酸鹽懸浮微粒分散於平流層時,大約會反射1%照射到地球的太陽光回太空。套用科學家的術語,這個過程會增強地球的反照率(albedo),也就是反射太陽光的能力,把部份因溫室氣體(greenhouse gases)增加所造成的暖化抵消。

這個稱為地球工程(geoengineering)的構想,幕後主腦凱斯(David Keith)並不想馬上付諸實現。地球工程的前置作業需要輔以大量研究,來評估在平流層裡注入硫磺粉,是否會引發危險的後果,例如干擾大自然的降雨模式,或是傷害保護生物免於紫外線輻射威脅的臭氧層。更棘手的,還有緊隨地球工程的議題後,和道德與管轄權有關的問題──例如誰能被允許做什麼、何時該做。儘管如此,身為哈佛大學應用物理系的教授和能源科技專家的凱斯,仍進行了許多研究分析,推測噴灑微粒硫酸粉末會是既便宜又簡易的方式,用來解決因氣候變遷所引發的諸多嚴重問題。

根據凱斯的計算,如果在2020年進行該計畫,大約需要2萬5,000公噸的硫酸粉末,就能在一年內把全球暖化的程度減輕50%。在此之後,會需要持續進行噴灑的動作。在2040年時,每年約會需要11架飛機載運大概25萬公噸的硫酸粉末進行噴灑,才能抵消因碳排放量增加所引發的溫室效應。每年所需成本約在7億美元左右。據他估計,至2070年,這計畫每年會需要出動大概上百架的飛機艦隊,噴灑大約100萬頓的硫酸粉末。

凱斯的計畫有個令人驚訝的部份,就是原來所需要的硫磺竟然這麼少。只要在平流層裡注入幾公克硫磺,就能夠抵消1公噸碳排放量所造成的增溫。即使是在2070年,相較於每年因燃燒石油所產生將近2,000萬公噸的硫,這計畫所需要的硫磺量,仍顯得小巫見大巫。大部份的污染會積在平流層的底層,而硫酸分子會在數日內被洗去。相反的,硫酸粒子會在平流層中滯留數年之久,可以有效反射太陽光。

使用硫酸鹽懸浮微粒來減緩全球暖化的構想,其實由來已久。這個提案的原型,最早是在1970年中期,由俄羅斯的氣候科學家布迪科(Mikhail Budyko)提出,而究竟該如何實現這個構想,近幾十年一直有人在討論。近年來,在學術期刊裡有數百篇相關研究,都以硫酸鹽懸浮微粒讓地球降溫的構想為主題,學界用太陽輻射管理(solar radiation management,SRM)來統稱此類研究,科學家一般都用電腦模擬模型,嘗試預測它的效果。

這個領域當中,又以凱斯為最具代表性的人物。他自1990年代初期,就開始發表地球工程的相關研究論文,他十分積極地公開鼓吹將更多資源投注於科技議題上──並無所畏懼地討論這個構想可行的原因,這也是謂何凱斯會成為標竿人物。此外,凱斯超強的學術經歷也無懈可擊──去年,哈佛大學以工學院與甘迺迪政府學院(Kennedy School of Government)合聘的方式,把他從卡加利大學(University of Calgary)挖角過來,同時他在太陽能工程(solar engineering)領域,也是深具影響力的專家。他為SRM的進行方式做過詳盡的工程研究與邏輯運算,是這個領域數一數二的學者。如果他和研究同僚、知名的哈佛大學大氣化學家安德森(James Anderson)能從公部門拿到研究經費,以進行一些首波的野外實地測試,來評估這項技術的風險。

在一個溫暖得不尋常的冬日,凱斯坐在哈佛大學狹小辦公室的椅子邊緣,身體向我前傾,解釋這個計畫的迫切性。無論未來溫室氣體的排放量是否能大幅減少──更何況目前鮮少有證據指出會如此,「借助太陽能地球工程的技術,實際上很有機會能顯著降低氣候風險。如果我們不去正視這個可能性,就是一種疏忽。」凱斯表示:「我並不是在說這項技術一定會成功,或是我們一定得這麼做。但是若不開始針對這個構想,認真做一些研究便太輕忽了。愈早知道它究竟可不可行,對我們愈有利。」

為什麼這很重要?

碳排放增加所引發的氣候暖化現象會持續至少一千年。太陽能地球工程有可能是唯一能把地球這個恆溫器調涼一些的方案。

凱斯和其他科學家之所以致力於探索太陽能地球工程,這個原因雖然常被忽略,但其實既簡單且有諸多文獻佐證:大氣裡二氧化碳集結所引發的暖化現象,無論就任何技術面來說,都是無法逆轉的,因為氣候變遷與整體累積的排碳量直接相關。也就是說,即便人類現在完全不排碳了,在大氣層裡密集累積的二氧化碳還會存在個幾十年。最近的研究也顯示,暖化現象仍會威力不減地持續至少一千年之久。假若人類在2030年或2040年時,感覺到氣候變遷的狀況已經變得無法忍受了,屆時不排碳也回天乏術。

「這就是最關鍵的問題所在。」凱斯一方面強烈支持盡可能用最快速的方式減低碳排放量,一方面也擔憂,倘若人類在這場攸關氣候變遷的賭局上押輸了,光降低排碳量也不夠了。他說:「在我們有生之年可想到唯一能扭轉暖化的辦法,就是地球工程。」

實驗

凱斯慣用實驗物理學家的角度來看這個世界。在他還是名麻省理工學院(MIT)的研究生,在皮查(David Pritchard)的實驗室工作時,就已經發表了打造史上第一個原子干涉計(atom interferometer)的計畫。凱斯和夥伴打敗了許多全球頂尖的原子物理學實驗室,其中還包括由史丹佛大學的朱棣文(Steven Chu)所主持的實驗室,朱棣文不僅是諾貝爾獎得主,還曾擔任美國的能源部秘書長(U.S. Secretary of energy)。皮查回憶,每個人都知道干涉計是一項劃時代的發明,不過凱斯所展現的實力更是不尋常,他罕見地結合了創造力,以及在建造及測試成品過程中,「擊破性地跨越」挫折與困難的能力。不過,凱斯說,這項非凡成就讓他「離開了原子物理學的領域」,有部份的原因是,原子干涉測量技術(atom interferometry)一項最可能的應用方式,就是用於配有彈道飛彈的潛水艇上的高精密迴轉儀(gyroscopes)。

不久後,凱斯就轉移興趣,從原子物理學的隱密世界,換到能源問題上。他在1992年發表了一篇名為「審慎檢視地球工程(A Serious Look at Geoengineering)」的文章,不過似乎沒有理睬。

的確,地球工程在接下來的十年,幾乎是個進入休眠狀態的領域。少數科學家曾就這個主題寫過零星文章,該領域也吸引了一小批非主流的狂熱份子,但在學術圈裡要針對地球科學進行討論──更不用說實際研究,始終有些禁忌。許多人認為,把地球工程當作實際可行的方案來討論,會轉移眾人的注意力,並忽略削減溫室氣體排放的急迫性。到了2006年,世界頂尖氣候科學家、1995年曾以大氣臭氧耗竭(ozone depletion)研究獲得諾貝爾化學獎的克拉茲(Paul Crutzen),發表了一篇名為「在平流層注入硫提升反照率:一個給政策困境的贈禮?(Albedo Enhancement by Stratospheric Sulfur Injections: A Contribution to Resolve a Policy Dilemma?)」的文章。

克拉茲在這篇文章裡說,要解決氣候暖化的問題,「優先的辦法」是減少溫室氣體的排放,不過他也總結說,顯著降低排碳量是一個「不可能實現的願望」。他不只對地球工程的構想表示期許,而眾所皆知硫酸粒子會加速傷害臭氧層,他仍特別強調,硫酸鹽懸浮微粒的課題是值得深入研究的。他提到,1991年菲律賓小島上皮納圖博火山(Mount Pinatubo)的爆發,正可做為硫酸粒子能有效為地球降溫的證據。這個巨大的火山噴發了1,000公噸的硫磺到平流層裡。後續的研究發現,接下的幾年,全球的溫度平均下降了約0.5℃左右。

專家們因為減碳工作進展緩慢而感到挫折的當口,克拉茲的文章,等於開啓了「以人為方式改變氣候條件」的學術之門。在接下來幾年,地球工程受到了比較多的注意,包括眾所矚目的英國皇家學會(Royal Society)及設於華盛頓的兩黨政策中心(Bipartisan Policy Center)。這兩個單位都鼓勵SRM的持續研究,凱斯也參與了兩邊的提案報告。地球工程的研究衍生無以計數的模型建構和電腦模擬。不過,凱斯現在所熱切期盼的,是進行實地的田野實驗。

實地田野實驗的構想備受爭議。許多氣候學家仍認為,現在就做實地測試還太早,而批評地球工程的人則認為,一旦踏出第一步做小規模的實地試驗,日後必定會誘發無法阻擋的全面性試驗。去年,一位英國研究者所提出的簡單實驗,就在數個國際環保團體的強烈抗議下被迫終止。這個提案原是想利用氦氣氣球,把薄質軟水管載至1公里的高空,然後在高空注水。目的是想探討,未來是否可用類似的裝置系統,在20公里的高空把硫酸粒子注入平流層。

凱斯和安德森所計畫的實地田野實驗,比這野心大得多。他們的目標如下:首先,是測試應該要如何噴灑硫酸,好讓粒子的大小與存活時間皆能達到最理想的狀態;接下來,是要測量在某個海拔高度、在SRM條件的操弄之下,硫會對臭氧層產生怎樣的影響。

曾在1980年代協助解開南極圈臭氧洞形成謎團的安德森說,硫酸鹽懸浮微粒對臭氧層的破壞,很大程度是受空氣中水蒸氣含量的影響。有鑒於此,一組實驗會沿用安德森早期研究中的設計,計畫讓研究團隊把灌了氫氣的氣球送上平流層底層,再使用高強力縫線控制一個裝了水蒸氣與硫磺的金屬小容器,倒出少量的測試樣本。然後,研究者會放下迷你的雷射分析儀器,監測在這個小小「測試範圍」中的化學反應。安德森表示,這個設計提供了「絕佳的控制」,能正確檢測出不同份量水蒸氣與硫磺搭配所造成的效果。
安德森強調,這樣的測試不會對平流層產生什麼影響:實驗只會用到「非常微量」的硫磺,且會控制在一個非常小的區域裡進行。他並說,在這些反應「實際會發生」的條件下研究它們是非常重要的,而不能只在實驗室裡做測試。

儘管安德森很熱切地想要實地測試SRM,他仍表示對在平流層裡加進硫酸鹽對臭氧層的潛在影響感到「相當」擔憂。他提到自己研究團隊去年在《科學期刊》(Science)所發表的一篇研究發現,美國境內因氣候暖化所產生威力愈來愈強的夏季暴風雨,把愈來愈多的水蒸氣帶進平流層。他強調,這會更加劇烈地破壞臭氧層:「如果大自然正在往平流層灌水蒸氣,而我們又往那邊倒硫酸鹽,這對臭氧層來說,會是一杯致命的特調。」

凱斯的態度則比較樂觀。他說:「這種不確定性相當重要。實驗可能對臭氧層有負面結果,但也可能有辦法讓臭氧層不受影破壞,甚至對它有正面的影響。」無論如何,他認為,若不著手進行太陽能地球工程的實驗來找出答案,才真的是瘋了。幾乎所有有關SRM的研究,都只是在電腦上建立模型,凱斯認為該是時候跨足「干擾性實驗(perturbation experiments)」了,看看人類是否能安全、有效地用它對天然氣候進行人為干預。他說:「太陽能地球工程領域是時候該成熟、茁壯,開始在『真實世界』有所作為了。」

失去理智的行徑

對SRM與其支持者的批評都指出,這種技術有相當多的限制,且沒有人能夠完全確定會有什麼後果。硫酸鹽懸浮微粒能夠在平流層上層把太陽光反射回去,因此讓地球冷卻。然而,溫室氣體的運作方式卻有很大的不同,它會攔截從地表發散的長波紅外線輻射,進而讓地球增溫。儘管硫酸鹽可能真的有降溫的效果,但它會對溫室氣體的其他效應有何反應狀況,特別是對降雨模式的影響,我們仍不清楚。此外,SRM也無法改善因大氣裡二氧化碳濃度增加所造成的海洋酸化的問題。

芝加哥大學(university of Chicago)的地球物理學家皮耶哈姆伯特(Raymond Pierrehumbert)說:「SRM這個詞彙,隱含著正向的歐威爾主義(Orwellian,參見BOX),它給你一種人類知道自己接下來該做什麼的幻覺。這是為瘋狂構想增加接受度的手段,實際上人類根本不知所措,卻熱烈討論以旁門左道的方式救地球。」去年12月,皮耶哈姆伯特在美國地球物理學會(American Geophysics Union)年會中,頗具聲望的廷德爾講座(Tyndall Lecture)表示,在平流層裡噴灑硫酸鹽懸浮微粒的構想,可謂是「失去理智的瘋傻行徑」。

皮耶哈姆伯也拒斥進行實地田野實驗。「整個地球工程的想法都太瘋狂,而且可能導致不良的後果,這真的沒有意義。」他補充道:「我們對硫酸鹽反照率工程瞭解的已經夠多了,我們已知道它會把整個世界帶到一個不穩定且危險的境界。田野實驗是相當危險的一步,可能為後面地球工程全面實施鋪路,同時我對它能教會人類什麼,有很大的懷疑。」

皮耶哈姆伯認為,反照率工程最大的問題在於,如果實驗開始了,就需要永遠執行下去。由於地球工程能抵消暖化,一旦停下來,因溫室氣體所造成的氣溫改變就會突然又劇烈地復發。他說:「如果我們停下來──或是『必須要』停下來,人類就全成為待烤的土司了。」即使把地球工程當作暫時的解決方案行不通,他解釋道:「若氣候改變已經惡化到讓你覺得不用這方法不行,你就得永遠用下去。」他深信,就是因為這樣,這構想「完全不可能成功」。

除此之外,皮耶哈姆還指出,地球的氣候模型「並沒有進步到足以讓人類能以人為方式操弄」。尤其,電腦模型並無法精確地預測出特定地區的降雨模式。他認為,人類不可能用現有的電腦模型,得知地球工程會對印度雨季、北非乾旱地區的降雨狀況有何影響。他說:「對於判斷哪個地區的氣候模式會受到地球工程操弄所影響這,我們的能力是很有限的。」

在此同時,羅博克(Alan Robock)也對SRM所提出一長串質疑,其中的第一道問題是:這真有可能做到嗎?身為羅格斯大學(Rutgers University)的環境科學教授,以及研究火山對氣候影響的專家,羅博克提出警告,儘管皮納圖博火山的爆發,證實了把大量二氧化硫注入平流層當中,硫酸鹽懸浮微粒的降溫效果,卻也不過就是幾天內的事。雖然太陽能地球工程所用的硫磺量少得多,但會在裡持續噴灑較長的一段時間──這點就有關鍵性的不同。由於陽光會被粒子表面反射回去,要達到最佳的SRM效果,硫酸粒子的直徑不能超過半微米。而相較於較大的粒子,愈小的粒子表面較多,因此有較佳的阻擋陽光的效果。羅博克擔心,一旦持續噴灑硫磺,讓硫磺的濃度升高,原本微小的粒子會結成較大的粒子,因此實際執行所需的硫磺份量,會比計畫提案中所推估的,還要多出許多。

詳細分析微粒的化學性質,可幫助科學家衡量SRM的可行性。「凱斯認為做起來簡單、便宜,但我可不這麼認為。」羅博克估計,需要每年在平流層裡噴灑好幾百噸的硫磺粉末,才能夠抵消雙倍的排碳量,但倘若小粒子聚集成較大的粒子,他說:「需要的硫可能還要多增加個幾倍。」

依據累積至今的研究成果,在平流層裡製造一朵雲──羅博克偏好用形容詞描述SRM的技術,「是能夠讓地球降溫沒錯。但你在操弄的,有可能是顆性質跟預期完全不同的星球,而可能把其他問題弄得更糟。」他舉例,皮納圖博火山爆發後,地球上有很多地方的降雨量都明顯變少。羅博克同意針對太陽地球工程做更多的研究,但是他認為:「就現在而言,我看不到一條它可以付諸實現的道路,負面影響還是比正面效益多。」

氣候科學家間對那些風險的解讀仍舊各異。其中的瑞斯科(Phil Rasch)是美國華盛頓州里奇蘭(Richland)太平洋西北國家實驗室(Pacific Northwest Laboratory)氣候科學部門的首席科學家,他提出警告指出,現有的電腦模型仍未考量那些可能讓某些SRM技術無法執行的「重量級影響因素」。

於2008年,瑞斯科曾和克拉茲共同發表一篇有關運用硫酸鹽懸浮微粒於地球工程的研究。研究顯示硫酸粒子會造成一些臭氧耗竭的狀況,他並提到:「這絕對是我們要特別關心的議題。」然而,硫酸鹽粒子能夠阻隔紫外線輻射的能力,似乎降低了臭氧遭破壞這件事的嚴重性。至於降雨方面,瑞斯科說:「電腦模型預測,多半顯示SRM會讓未來世界各地的降雨模式跟今天差不多,但若不施行地球工程,情況便非如此。」SRM能夠部分扭轉氣候變遷,不過瑞斯科下了結論:「它對地球上某些地區的影響,會比其他地區來得強,這之中還有很多待處理的問題。」

中止條款

技術層面的不確定性,加上無法保證讓世界上哪個地區變成輸家或贏家,讓人們很難合適地實際執行並管控SRM。該如何處理總有一天會碰到的國際管轄權問題?誰能決定該怎麼執行,又該什麼時候執行SRM?誰又要擔負監控的角色?誰有資格能幫地球這個巨大的恆溫計調節溫度,又該調成幾度?這些「誰可以在太陽地球工程議題上做決定」的問題,會比技術本身碰到的難題還更令人卻步。

儘管現在談國際管轄權還太早,凱斯和他幾個親近的同僚,其中包括加州大學洛杉磯分校(University of California, Los Angeles)法律系教授帕森(Edward Parson),已經開始構想這個決策系統該如何運作。帕森認為,這項技術的相關研究會是關鍵,人們必須要多瞭解太陽地球工程究竟可以做到什麼、會有哪些風險。他說,沒有這些知識:「你會不知道究竟該管轄些什麼。」

諸如凱斯及安德森針對田野實驗的設計,引發了許多的爭議,這些爭議就成為了社會及政治議題的初期戰場。凱斯強調,除非他和計畫同僚獲得公家單位的資助,並有大型研究機構的認可,他們的計畫不會再往前一步。的確,他和研究同僚不只是把田實驗驗當作初步的技術測試,也藉此看看管轄權系統可以如何運作。帕森說,他期望透過經費補助和大型研究機構認可該計畫的過程,建立起有利於在未來進行的「規範」──例如透明化、公開審核,以及和公開發布計畫成果等相關事項的實施準則。

帕森表示,沒有人會認為,只用到微量硫磺的田野實驗會有什麼危險。他認為,「真正讓人擔心的,是研究持續進行下去後,所引發的政治與社會後果,還有接下來愈來愈大型的測試──此時必定會發生滑坡效應(Slippery Slope),開了一個先例,後續的發展往往無法阻止,全面性實施SRM變得勢在必行。」這份擔憂應該認真看待,他並指出:「應該只鼓勵小規模的研究,並建立一些管制機制,來減輕演變成全面執行的風險。」他相信,大型科學計畫補助單位應該能擔任把關者的角色。同時他也建議,一定要嚴格限制早期的實驗計畫,且研究者一定要清楚地聲明,計畫中不包含任何大型實驗。

凱斯和他的同僚正在鼓吹這個領域的研究者簽署一份同意書,其作用類似一份針對太陽能工程的「中止條款」。凱斯相信,這麼做可以平息大眾害怕會急躁執行這項技術的反對聲浪──對他來說,這些恐懼「並非真的無憑無據」,因為事實上,的確沒有任何國際法律或規定,禁止任何人把地球工程的構想付諸實現。他希望,藉由簽署這份中止條款,科學家們「可以讓研究SRM相關效果與風險的限制得以鬆綁」。

開啓研究之路

有幾次,凱斯對外界對SRM的批評感到惱怒。但是過了一會兒,他就已恢復平靜,用很有邏輯的方式,引用他幾年來累積有關地球工程技術的想法與研究,回應這些批評。他用畫圖向我說明,事實上,施行硫磺噴灑屆滿一百年周年後,就可以合理地打住;雖說SRM所掩蓋的氣候變遷還是會重新發生,這項改變影響生態系統和人類的程度,會被延緩且被控制下來。他用他特有的自信態度表示,有人說一旦開始執行SRM,就得無止境地進行下去,這種說法「真的是錯了」。

某些強烈提倡SRM研究的人會說,對於一個對氣候變遷束手無策的絕望世界來說,這項科技會是個令人難以置信的最後手段,因為到那時情況已經惡化到人們甘願承受風險。不過,凱斯眼中的未來,倒沒有這麼具有啓示錄的色彩。他說:「如果我們已經發現,有方法可以在未來一個世紀內降低氣候變遷的風險、救許多的人命,那真的沒有什麼好不滿的。這應該是件值得慶祝的事才對。」事實上,他認為把地球工程說成是氣候發生危急狀況時(climate emergency)行使的最後手段,是一個「修辭學上的花招」,畢竟並沒有定義何謂是「氣候的危急狀況」,更何況「簡單的定義也不存在」。

凱斯構想的執行方式較為深思熟慮,卻也更極端:「依我之見,我們現在就該開始進行實際的研究,如果結果顯示SRM真能在不承擔太多風險的情況下,降低氣候的風險──最終答案可能是、也可能否,我們該在相對更早的時間點開始,不過步調一定要放得非常慢才行。」他相信,相關技術最早會在2020年──或是更實際一點,在2030年左右為實際施行做好部署,且在開始的頭十年,把噴灑在平流層中的硫酸鹽份量「實際上」控制在正常範圍內。這過程可以受到監控和評估,而且由於寄宿平流層的硫份量相對很小,他說:「會造成大問題的可能性會近乎於零。」

凱斯說,人們常預設SRM會是一個「巨大的轉變,但沒人禁止這個實驗逐步進行」。用最小的風險慢慢啓動一個系統的能力,就隱藏在他「願意審慎處理地球工程課題」的做法背後,他說:「如果做決定的機會只有一次,我會對實際執行抱更懷疑的態度。你會很難說服我,SRM是個顯而易見的氣候解決方案。」既然他有機會用更小心翼翼的方式來處理,凱斯表示:「我得說,我很支持要『做下去』。」

聽凱斯的邏輯推論,還有看他小心翼翼地說明SRM的實際進行方式,你可能真的會開始相信,用人為方式調整氣候不會是極端的行動──但SRM可能會變得如此,把地球變成一個不一樣的星球──甚至連天空的顏色都變得更白了。而它可能真的會是被絕望所驅動。

另一方面,溫室氣體的累積,已經以前所未有且無法控制的方式改變了大氣和氣候狀態。若真要讓地球工程以人為的方式「操弄」氣候,來扭轉地球暖化的現況,這一步是要跨多大?凱斯說的沒有錯,研究氣候的學者的確應該要對太陽能地球工程有更多的探索,以決定它是否安全、究竟該如何實際進行;而政治學家則應該開始思考,人類該如何施行這史無前例的星球計畫。這些研究人員的心血結晶,就要交給整體社會與政府去做最後的、難上加難的判斷,以決定SRM計畫究竟要不要實施。

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