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05/08/2022

最狂抗暖化構想!噴灑微粒遮擋太陽,太空氣泡反射日光!地球工程真的能解決氣候危機?

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    方展策

    少年時,曾研習 Geographic Information System,可惜學無所成,僥倖畢業。成年後,誤打誤撞進入傳媒圈子,先後在印刷、電子、網絡媒體打滾,略有小成。中年後,修畢資訊科技碩士,眼界漸擴,決意投身初創企業,窺探不同科技領域。近年,積極鑽研數據分析與數碼策略,又涉足 Location Intelligence 開發項目;有時還會抽空執教鞭,既可向他人分享所學,亦可鞭策自己保持終身學習。

    智城物語

  近年氣候變遷帶來的影響愈見明顯,全球多處地區現正受到極端高溫與乾旱的侵襲。為應對逼在眉睫的氣候危機,不少科學家埋首於「地球工程」研究,當中最受注目的技術,除現已逐步實施的碳捕集與封存外,還有較激進的「平流層噴霧法」與「太空反射鏡法」,試圖從大氣層直接反射太陽輻射,幫助地球降溫。但後兩者做法極具爭議性,有專家認為這可能會引起意想不到的副作用,甚至對生態系統構成巨大風險。

 

極端高溫熱浪襲中國與西歐

 

  2022年6月,西班牙出現40年以來最早熱浪,中部與南部部分地區溫度高達攝氏40度,帶來嚴重乾旱,不僅農作物可能失收,更造成逾千死亡。法國亦出現70年來最早熱浪,國內60個地區旱情已達危機水平,近乎全境限制用水。

 

  意大利也因極端高溫而面臨乾旱,北部幾個城鎮宣布限水。英國南部部分地區亦要宣布制水;倫敦氣溫更首次突破攝氏40度,當地最少發生10宗火災,倫敦消防局宣布進入重大事故狀態。

 

  中國在2022年7月有84個城市發布最高等級紅色預警,表示未來24小時內氣溫超過攝氏40度。上海氣溫在7月中已飆破攝氏40度,三個位於河北省與一個位於雲南的城市溫度更高達攝氏44度,預計熱浪至少持續到8月中旬。

 

有科學家指出,假如全球暖化沒有減緩跡象,攝氏38度以上的極端熱浪將成為北半球中緯度地區往後夏季的新常態。(圖片來源:Pixabay.com)

歐洲現正面臨可能有史以來最嚴重的乾旱狀況。西班牙炎熱乾燥天氣預計使農作物產量下降15%;意大利北部農業重鎮的產量也可能會減半。(圖片來源:Pixabay.com)

 

全球變暖可能導致世界末日

 

  《美國國家科學院院刊》刊登的最新研究指出,全球氣溫升高攝氏3度對人類滅絕的風險被嚴重地低估。領導這項研究的英國劍橋大學生存風險研究中心(Centre for the Study of Existential Risk)研究人員盧克·坎普(Luke Kemp)表示,氣候變遷對歷史上5次大規模滅絕事件都起到一定作用,促使古代社會崩潰與帝國衰落。

 

  通往末日災難的途徑除極端高溫與乾旱的直接影響外,還有金融危機、新疾病爆發等連鎖反應,加劇現有社會的脆弱性,如貧窮問題與糧食危機等。由是之故,有分析指未來超級大國可能會就「地球工程」(Geoengineering)展開技術競賽,以緩解氣候危機,避免國家陷入衰亡。

 

  「地球工程」又稱為「氣候工程」(Climate Engineering),是人為改變地球環境、氣候的工程設想,以應對全球氣候變暖。1977年,美國學者馬爾凱蒂(Marchetti)在《地球工程與二氧化碳問題》一文中首次提出地球工程構想,建議把二氧化碳封存在深海裏,以紓緩溫室效應。

 

地球工程人為改造環境氣候

 

  2006年,諾貝爾獎得主德國氣候學家保羅·克魯岑(Paul Crutzen)在《氣候變化》雜誌上發文,談論實行地球工程的可能性,獲得學術界廣泛關注。2007年,美國《時代》雜誌更將地球工程列為「正在改變世界的十大觀念」之一。

 

  2009年,英國皇家學會(The Royal Society)將「地球工程」定義為「因應氣候變遷的影響,對地球環境和氣候進行人為干預而採取的大規模工程技術和方法」,並提出了9種可能的地球工程方案,分別為碳捕集法、植樹造林法、強化風蝕法、平流層噴霧法、太空反射鏡法、造雲反射法、生物碳法、海洋施肥法、以及地表反射法。

 

  其實,上述技術方案都是圍繞著兩大目標:一是減少太陽輻射抵達地表的數量,從源頭減弱熱能,是為「太陽輻射管理」(Solar Radiation Management,SRM);另一是降低地球大氣中的二氧化碳含量,避免因碳濃度上升而產生的溫室效應,是為「二氧化碳脫除」(Carbon Dioxide Removal,CDR)。

 

平流層噴灑碳酸鈣製造塵雲

 

  目前,針對CDR的碳捕集與封存、以及植樹造林方案,現已被廣泛採用。至於SRM相關技術,因爭議性較大,即使科學界有意試行,惟迄今依然未能落實。以「平流層擾動控制實驗」(SCoPEx)為例,這是獲得微軟創辦人比爾·蓋茨(Bill Gates)贊助、由哈佛大學與瑞典太空公司(Swedish Space Corporation,SSC)攜手進行的SRM研究項目。

 

  這項實驗先要把一顆內含2公斤碳酸鈣的大氣球與相關設備,發射至高度達12.5英里(約20公里)的平流層(Stratosphere);跟著,氣球會噴出碳酸鈣微粒,在平流層形成一條幾公里長的白色塵雲(Dust Plume),以遮擋和反射太陽輻射,減慢地球變暖的速度。

 

  SCoPEx研究團隊原定於2021年6月在瑞典基律納鎮(Kiruna)進行首次實驗。當地馴鹿牧人原住民薩米族(Saami)領袖在獲知消息後,致函給瑞典太空公司表示強烈反對。更有環保人士狠批,這類地球工程研究可能會讓政客產生錯覺,誤以為不用再做任何減排措施。最終在各方壓力下,SSC於2021年3月宣布停止這項平流層噴霧實驗。

 

由哈佛研究團隊領導的「SCoPEx」(Stratospheric Controlled Perturbation Experiment)實驗,試圖將一個載有相關設備的大氣球投射到平流層,噴撒碳酸鈣微粒,藉此反彈部分陽光,以減慢全球氣溫攀升速度。(圖片來源:SCoPEx實驗項目官網)

 

菲律賓火山爆發助地球降溫

 

  不過,因應極端氣候影響愈趨嚴重,英國湯森路透基金會(Thomson Reuters Foundation)近日再度重提平流層噴霧方案。這項地球工程的靈感來自於「火山冬天理論」:火山爆發會噴射火山灰、硫化氫與二氧化硫等氣體到大氣層,形成大量懸浮微粒反射太陽輻射,使到地球氣溫下降。

 

  例如1991年菲律賓皮納圖博火山爆發,噴出約2,000萬噸二氧化硫,經過成核作用後形成氣溶膠(Aerosol)。數月後,這些氣溶膠在大氣層中匯聚成一層硫酸霧,不但反射了來自太陽的輻射,更吸收了地表放射的輻射,結果令全球平均氣溫下降約 0.5°C,為期長達18個月。

 

  美國智庫蘭德公司(RAND Corporation)認為,平流層噴霧法確實有可能實現,但在研發出合適又安全的噴霧微粒前,還有其他SRM工程方案可以考慮。譬如麻省理工學院提出的「太空氣泡」(Space Bubble)構想,把特製氣泡投放到大氣層之外,同樣可以反射太陽輻射,有助減緩氣溫上升。

 

1991年菲律賓皮納圖博火山爆發生成的氣溶膠,不僅能散射抵達地表的太陽輻射,更有助於減緩人為造成的臭氧層破洞現象,但同時產生的硫酸鹽卻會拖慢臭氧層修復。(圖片來源:維基百科)

 

投放太空氣泡反射太陽輻射

 

  2022年6月,麻省理工學院可感知城市實驗室(MIT Senseable City Lab)宣布,太空氣泡計劃已取得初步實驗成功。這些由矽等材料製成的薄膜球狀物體,可以像木筏般連接起來,組成面積相當於巴西國土大小的巨型防護罩,放置在太陽與地球之間,透過調控氣泡厚度的細微變化,反射不同波長的太陽輻射。

 

  實驗室負責人卡羅拉蒂(Carlo Ratti)指出,利用太空氣泡將射向地球的太陽輻射偏轉1.8%,便可以徹底扭轉當下全球變暖的局面。相比起在平流層噴霧法,太空氣泡對環境傷害較小;一旦發現有問題的話,氣泡更可以隨時放氣,並從原位移走。拉蒂直言,若然全球氣溫持續升高,地球工程可能是人類最後的唯一選擇了。

 

  然而,也有不少科學家持反對意見,認為現今科學研究無法將人工改造環境的所有影響計算出來,故此不宜輕舉妄動。羅格斯大學環境科學家艾倫·羅伯克(Alan Robock)指出,地球工程可能會引起意想不到的副作用,甚至對生態系統造成更大破壞。美國國家科學、工程和醫學研究院於2021年3月發表的論文件也得出類似結論,建議對地球工程研究抱持「謹慎」態度。

 

麻省理工學院可感知城市實驗室建議,在地球和太陽之間放置大量太空氣泡,組成一道巨型防護罩,反射和偏轉太陽輻射,減少傳送到地表的熱能,讓地球得以降溫。(圖片來源:MIT Senseable City Lab官網)

太空氣泡防護罩將被投放至地球外圍的「拉格朗日點」(L1 Lagrange Point)。在此位置上,地球與太陽引力會互相抵銷,讓防護罩能夠穩定漂浮在太空中的固定位置。(圖片來源:MIT Senseable City Lab官網)

麻省理工學院可感知城市實驗室指出,只要在太陽輻射抵達地球前,使其偏轉1.8%,就可以完全改善全球變暖的狀況。(圖片來源:MIT Senseable City Lab官網)

初步實驗中,可感知城市實驗室團隊成功在0.0028 atm大氣壓力下使薄膜氣泡膨脹,並維持在攝氏-50度左右;如此一來,便可以在外太空直接製造太空氣泡,降低運輸成本。(圖片來源:MIT Senseable City Lab官網)

 

科學界對地球工程未有共識

 

  氣候變遷現已被列為聯合國關注改善的問題之一,全球科學家無不費盡心機,研究如何用科學方法解決極端氣候對人類和環境的影響。究竟應專注於較保守的碳捕集與封存技術,還是該聚焦於較激進的大氣層改造工程,科學家之間仍在拉扯,未能達到一致共識。

 

  儘管在技術方案上未有共識,惟學術界普遍認同,應加強培訓可處理氣候危機的技術專才。例如,美國史丹福大學宣布成立「多爾可持續發展學院」(Doerr School for Sustainability),針對能源技術、氣候科學、環境與生態系統,以及全球環境政策等領域進行教學和研究。

 

  新學院的資金來自矽谷風險投資家約翰·多爾(John Doerr)捐贈的11億美元(約85.8億港元),這是有史以來建設新學院的最大筆捐款。新學院將會由美國能源部長顧問委員會主席、機械工程教授Arun Majumdar出任首任院長,預計會有逾百名教職員,2022年9月1日正式營運。

 

  事實上,包括哥倫比亞大學在內的其他美國學府,亦已陸續設立與氣候變遷相關的跨學科學院。希望日後這類可持續發展學院就像醫學院般遍布各家主要大學,每年可以培育出大量專業人才,協助研發極端氣候的解決方案,為實現永續發展帶來更多曙光。

 

史丹福多爾可持續發展學院聚焦於氣候變化、地球與行星科學、能源科技、可持續城市、自然環境、糧食與水安全、人類社會與行為,以及人類健康與環境八大研究領域。(圖片來源:多爾可持續發展學院官網)

 

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