2022年即將開始的地球冷卻方案飛行試驗
“向平流層噴灑反射粒子”這一項地球工程計劃備受爭議。
首個SCoPEx會在2022年發射嗎? 哈佛大學的地球工程計劃旨在向平流層噴灑反射粒子，但仍在努力完成平流層空中平臺的動力概念驗證。
平流層是一個乾燥、寒冷的地方，空氣稀薄，雲層稀少。 在地球表面10到50公里的高空，臭氧分子吸收太陽紫外線，保護下面的生命。 這第二層大氣是平靜的，幾乎沒有生命。 它也成為當今最具爭議的科學提案之一的專案。
該提案提出了所謂的“太陽地球工程”:透過偏轉原本會照射到地球的陽光來冷卻地球。 今年晚些時候，研究人員希望釋放一個上升到20千米的氣球，在那裡他們的空中平臺將接受各種測試。最終，他們將新增裝置來噴灑微小的碳酸鈣氣溶膠顆粒，碳酸鈣是石灰岩、黑板粉筆和抗酸劑中發現的化合物。這些粒子會像顯微鏡反射鏡一樣將太陽光反射回太空。
關於太陽地球工程是如何工作的，是否會工作，以及粒子如何在平流層中反應和運動，我們所知甚少，這些粒子對人類和環境的潛在風險的瞭解更少——例如，這些顆粒是否會消耗臭氧層，或顯著改變天氣?但隨著人類向空氣中排放更多的溫室氣體，隨著地球溫度的上升引發了一系列災難性的後果，一個著名的科學家團體敦促世界認真考慮平流層的選擇。
哈佛大學的Frank Keutsch就是這些科學家之一，他領導著備受關注的平流層控制微擾實驗（SCoPEx）。他說，該組織希望在2022年年中發射氣球。Keutsch認為，太陽能地球工程的許多未知數正是SCoPEx值得做的原因。他說，如果全球變暖持續不減，如果世界轉向災難，那麼最好有工具來避免最可怕的後果。“氣候變化是否變得如此糟糕，以至於我們必須做些什麼來減弱它的影響，減少人類的痛苦，這是一個非常大的問題，”大氣化學家Keutsch說。 “研究需要很長時間。 如果我們只是在人們說‘哦，我認為我們需要這個’的時候才開始研究，那就太晚了。”
SCoPEx資料有助於改進計算機模型，如今計算機模型主要依賴於假設和預測，而不是觀察。幫助領導該專案的哈佛大學物理學和公共政策教授大衛·基思（David Keith）說，大約1公斤的碳酸鈣的釋放量不足以觸發任何可測量的冷卻，它大致相當於大型商用客機每分鐘飛行釋放的粒子汙染。2019年此類航班近4000萬次。 (基思也是碳工程公司的創始人，這是一家加拿大公司，正在西德克薩斯建造一個龐大的設施，將直接從空氣中提取二氧化碳。)
太陽能地球工程可能是地球的“止痛藥”，不是抑制排放的替代品，而是一種使地球上的生命在酷熱的未來更容易忍受的藥膏。
然而，即使是基本的太陽地球工程研究也被證明是有爭議的。 批評人士說，追求這項技術是危險的，會分散人們對快速減少溫室氣體排放這一更重要任務的注意力。 對許多人來說，僅僅是有意干預氣候系統的想法是有問題的，值得在它獲得關注之前停止。 第一次SCoPEx測試原本計劃於2021年初在瑞典北部進行，但來自環境和土著團體的強烈反對促使該團隊取消了發射。
儘管如此，Keutsch表示，一旦研究人員找到新的氣球夥伴和發射地點，今年的測試將繼續進行。他說:“我們對氣候變化現狀瞭解得越多，就越意識到這項研究必須儘早開始。”
太陽能地球工程不能替代減排
現實是，地球正以驚人的速度變暖。 科學家說，過去40年的每一年都是有記錄以來最熱的。 溫室氣體的濃度達到了歷史最高水平，這主要是由於發電、供熱和運輸所需的煤炭、石油和天然氣造成的。 根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的資料，今天的全球平均氣溫比19世紀末高了1.09攝氏度。IPCC是聯合國管理的全球變暖問題的科學權威機構。 “毫無疑問，人類的影響已經使大氣、海洋和陸地變暖，”IPCC在8月釋出的一份綜合報告中說。
科學家警告稱，全球變暖可能在未來20年內達到1.5攝氏度，這一水平將帶來災難性的長期影響，如特大洪水、嚴重乾旱、致命熱浪和珊瑚礁的大規模死亡。 要想進一步阻止更危險的變暖，就必須立即放棄化石燃料，擴大可再生能源的使用，甚至有可能消除大氣中的二氧化碳。
Keutsch說，在這種令人不安的環境下，太陽能地球工程可能是地球的“止痛藥”，而不是控制排放或恢復碳捕獲森林的替代品，是一種使地球上的生命在酷熱的未來更容易忍受的藥膏。
並非所有人都同意。美國氣候科學家邁克爾·曼恩說，止痛藥會導致有害的成癮。他將太陽能地球工程比作“氣候美沙酮”，因為一旦世界開始注入使太陽變暗的粒子，它可能無法停止。
野外實驗旨在提高我們對太陽地球工程的理解
哈佛大學的科學家們在2014年的一篇研究論文中首次提出了SCoPEx。 他們呼籲進行“小規模的現場實驗”，以幫助消除圍繞太陽地球工程的一些不確定性和“未知影響”，他們在論文中稱之為太陽輻射管理。 兩年前，這篇論文的兩位合著者——大衛·基思和哈佛大學大氣化學教授詹姆斯·安德森——提出了放飛氣球，向空氣中注入“微量”硫酸鹽顆粒的設想。
這個想法並沒有取得進展，但在2017年，基思成為了哈佛大學太陽能地球工程研究專案的教務長。 迄今為止，該專案已從微軟聯合創始人比爾•蓋茨、威廉和弗洛拉•休利特基金會以及其他慈善組織籌集了1620萬美元。
SCoPEx有兩個主要目標：觀察粒子如何在平流層中擴散，探索哪種粒子的副作用最少。
今年計劃的野外實驗將由一個直徑27米的零壓氣球進行，氣球的長度大約相當於兩輛校車長度。氣球並不新奇；美國國家航空局每年從世界各地的發射場進行多達15次平流層氣球飛行，以收集資料並測試空間任務的技術。
獨特之處在於SCoPEx的吊艙，一個鋁和碳纖維框架，可容納一系列硬體。基於樹莓派 4的飛行計算機將接收命令和日誌資料。兩部Globalstar衛星電話將實現吊艙和地面裝置之間的通訊。雙飛艇螺旋槳將允許科學家改變吊艙在空中的位置。
在首次飛行中，SCoPEx將測試平臺在零下60°C的溫度下以及陽光直射下的執行情況。 飛行器不攜帶任何化學品或顆粒噴灑工具。 最初的測試將在近20公里的高度持續4到6個小時，這是珠穆朗瑪峰高度的兩倍多。 雖然研究人員可以在熱真空室中模擬平流層，但很難知道真實世界的條件會如何影響裝置。
“在我把很多精密的儀器放到一個空中平臺上之前，我想知道這個空中平臺是否能工作，”Keutsch在他的家鄉德國的視訊會議上說，當時他正在德國休假。
第一次SCoPEx測試原計劃於2021年初從瑞典北部的Esrange航天中心發射，但遭到強烈反對，該團隊取消了發射。
假設平臺通過了測試，下一個測試將是噴射和跟蹤平流層中的粒子。噴射裝置將碳酸鈣釋放到螺旋槳產生的一公里長的尾流中。然後，氣球將在尾流中來回移動，鐳射雷達將跟蹤粒子羽流的移動距離。另一種基於鐳射的儀器，一種輕便的行動式光學粒子光譜儀，將測量粒子的大小和數量。其他裝置將收集平流層中水分和臭氧的資料。
“這不是測試太陽能地球工程是否有效，” Keith說。“如果我們要提高太陽地球工程的科學水平，這些都是我們需要做的事情。”SCoPEx將允許研究人員評估潛在的副作用，這些副作用可能是顯著的，包括可能的臭氧消耗、增加的空氣汙染和天氣模式的變化，其中一些地區可能比其他地區受到更大的負面影響。
他說，社會的關鍵問題是，為了避免全球變暖的極端後果，太陽能地球工程的風險是否值得承擔。“我們不會面臨無風險的決定，” Keith說。“問題在於風險權衡。”
抗議活動迫使SCoPEx取消了首次大氣試驗
SCoPEx的首次試飛計劃將於2021年6月從位於瑞典拉普蘭地區的基律納的EsFrand空間中心發射。該場地由瑞典航天公司管理，是北極圈上大片被大量樹木包圍的土地。
Åsa Larsson Blind表示，她第一次瞭解SCoPEx是在2021年2月。Larsson Blind是薩米理事會的副主席，該組織代表薩米土著人民，他們的傳統領土位於瑞典、芬蘭、挪威和俄羅斯的科拉半島北部。 總部設在美國的一個土著團體透過電子郵件向委員會發出了發射計劃的通知。 不久之後，薩米理事會和環境團體致函SCoPEx諮詢委員會和瑞典官員，抗議SCoPEx的試飛。
Larsson Blind來自一個馴鹿牧民家庭，她在瑞典最北部的家中透過影片電話與IEEE Spectrum公司進行了交談。 她說，該委員會積極參與氣候政策問題，因為它希望保護“我們傳統生計和文化的基礎”的自然系統。 太陽地球工程“完全不符合我們對自然的尊重”。 她說，即使是像SCoPEx這樣的小規模專案，也是“使技術發展合法化的一步。”
這一抗議促使SCoPEx的外部顧問委員會建議推遲發射，直到瑞典出現“強有力和包容性的公眾參與”過程。2021年3月31日，SCoPEx團隊同意暫停其裝置測試飛行，直到諮詢委員會提出其他建議。
這次發射的停滯凸顯了有關太陽能地球工程研究的問題——如何進行，是否應該進行，以及由誰來決定。 目前，來自富裕的西方機構的一小部分研究人員正在考慮一種方法，如果採用這種方法，可能會影響地球上的每個人。 就在2021年推遲的幾天前，美國國家科學院、工程學院和醫學院呼籲發展“國際治理機制”和全球科學夥伴關係，以確保太陽能地球工程研究以“對社會負責的方式”向前發展。 在報告中，這些研究院還建議美國政府在五年內投資1億到2億美元用於國家太陽能地球工程研究專案; 這筆資金將用於科學活動、監督、同行評審以及可能允許進行現場實驗。 但目前，沒有聯合國機構來達成全球共識，也沒有美國機構來提供監督。SCoPEx諮詢委員會的任務是確保專案的實施是周密和透明的，它是解決這一差異的早期努力。
批評人士說，追求太陽能地球工程是一種危險的做法，它分散了人們對快速減少溫室氣體排放這一更重要任務的關注。
位於博爾德的美國國家海洋和大氣管理局化學科學實驗室主任David W.Fahey說：“這就是SCoPEx遇到一些困難的原因，因為他們在試圖進行科學研究的同時，也在努力發展治理結構。 本末倒置。” David W.Fahey說他支援哈佛的研究計劃,他的實驗室借給了SCoPEx一臺用於專案的早期階段使用粒子譜儀 。
位於波士頓的東北大學(Northeastern University)公共政策與城市事務學院(School of Public Policy and Urban Affairs)院長史蒂芬斯(Jennie C. Stephens)說，建立一個管理機構並不能保證富裕、強大的國家的利益不會超過更貧窮、更脆弱的國家的利益。 她指出，現有的國際努力，如減少溫室氣體排放或分發COVID-19疫苗，難以平衡不同人群的需求和願望。
他說，太陽能地球工程是“看待氣候危機的一種非常狹隘的方式”。 “它所考慮的只是降低全球平均溫度和物理系統，而不考慮其分佈…… 如果我們試圖改變和操縱地球的氣候系統，世界上的人們將會受到怎樣的影響。”
實驗室研究繼續推進SCoPEx背後的科學
隨著哈佛大學的氣球飛行獲得了支援和關注，實驗室裡的相關研究仍在繼續。SCoPEx的早期迭代提出使用硫酸鹽粒子，這種粒子存在於平流層，已知會導致冷卻。1991年，菲律賓的皮納圖博火山(Mount Pinatubo)爆發時，它產生了一團非常密集的粒子，使地球暫時冷卻了約0.6攝氏度。 但是硫酸鹽氣溶膠——粒子和水的結合——會破壞保護地球的臭氧層。 它們還能使平流層升溫，改變空氣迴圈和天氣模式。
模型表明碳酸鈣可能具有更好的效能。 碳酸鈣在低層大氣中以方解石塵埃的形式大量存在，但在平流層中並不存在。 在紐約市，漢·黃(Han Huynh)作為博士候選人在哥倫比亞大學(Columbia University)的V. Faye McNeill團隊中研究了這種物質。
在她的實驗中，Huynh使用了一個玻璃氣溶膠流管反應器和一個化學電離質譜儀。她測量了方解石氣溶膠和氯化氫之間的反應，氯化氫是一種平流層痕量氣體，透過連鎖反應，最終會影響平流層臭氧水平。流動反應器保持在約−66°C，使用一層密封在真空層中幷包裹在泡沫中的迴圈冷卻液。研究人員持續監測方解石氣溶膠的數量、表面積和其他因素。
Huynh和McNeill最近研究了碳酸鈣如何影響全球臭氧。根據他們的結果，“我們看到的是臭氧影響的不確定性非常非常高，”Huynh說。“根據我們的研究，目前無法判斷它是否會產生積極或消極的影響。”這在很大程度上是因為對氣溶膠如何與平流層中的相關氣體反應知之甚少。“在你說‘好吧，這是個好主意。我們應該去外面測試一下’之前，我們需要繼續這些實驗室研究更長的時間。”
哈佛大學的科學家們正在使用一種由研究助理戴震(音譯)製造的桌面裝置進行此類研究。 該裝置模擬和測量碳酸鈣、氯化氫和硝酸氯之間的化學反應; 目標是開始量化粒子在平流層條件下的反應方式和反應速度。
隨著實驗室研究的繼續，最終將在室外進行實驗，Frank Keutsch表示，他正在努力擴大SCoPEx的團隊，使其包括來自拉丁美洲、非洲和亞太地區的科學家。 他說:“這種全球對話非常重要，因為不同文化背景和不同地區的人們對這些技術解決方案的看法截然不同。” “它應該更多樣化一點，而不是隻有幾個哈佛學生。”
這篇文章發表在2022年1月的印刷版上，標題為“地球冷卻測試試驗可能在2022年開始”。
