“一劳永逸”解决全球变暖?他们想给地球造一顶太空气泡防晒伞

环球科学 2022/10/1 21:32:13 责编:子非

图片来源:MIT

如果地球上的碳排放逐渐超出控制,我们该如何应对全球变暖的危机?科学家提出了一个可能的策略:直接改变外部条件,让地球少接收一些阳光。

近几年,你是否感觉听到了越来越多对于极端天气的报道:席卷全球的热浪、异常的降水和干旱、泛滥的野火和海平面的不断上升。全球变暖已经从一个预警成为了我们的现实,使气候系统变得愈发不稳定,严重危及到了人类和许多其他物种的生存。依照现在的趋势,我们能够缓解或扭转气候变化吗?大多数人似乎难以给出肯定的答案。科学家已经提出了可能的后备方案,以避免人类走向最差的结局。

作为全球变暖的主要成因,二氧化碳和甲烷等温室气体的排放量仍处于上涨的趋势。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告显示,为实现《巴黎协定》中将全球平均气温升幅控制在 1.5°C 以下的目标,在 2050 年代初就要实现二氧化碳净零排放,这需要各领域立刻实施深度减排措施,否则达到这一目标将再无可能。实际上,即使是在最理想的情况下,假如人类从今天开始终止一切温室气体的排放,由于洋流会将深海的多余热量带回地表,地球的温度仍会继续上升,在接下来的几十年中平稳后才会逐渐下降。因此,至少在不远的未来,解决全球变暖的任务繁重而紧迫。

1850 年至 2021 年的全球变暖条形图,每个条形的颜色对应某一年的全球平均温度,颜色越暖温度越高,颜色越深气温越极端。数据来自英国气象局。图片来源:Ed Hawkins|University of Reading

为了解决这一问题,地球工程学(geoengineering)应运而生。为应对人类造成的气候变化,地球工程学旨在利用新技术对地球的自然系统进行慎重的大规模干预。这样的技术总体上被分为两大类。第一类是温室气体消除(GGR),其目标是从地球大气中去除温室气体,如利用生物炭固化和储存温室气体、增强矿物风化和植树造林等。另一类是太阳辐射控制(SRM),这类技术的思路有些大胆和出人意料:如果无法限制碳的排放,那么是否可以直接从源头入手,将一小部分射向地球的阳光反射回宇宙呢?

早在 1989 年,发表于《英国星际学会》杂志的一篇论文中,詹姆斯・厄尔利(James Early)曾提出用月球材料制作一块直径 2000 千米的极薄玻璃屏障,并运输到距地球约 150 万千米的第一拉格朗日点(L1)。在该位置上,太阳和地球的引力作用相抵消,因此太空屏障更加稳定。厄尔利构想的玻璃屏障可以阻隔约 1.8% 的射向地球的太阳辐射,预计可以在 21 世纪完全抵消产生的温室气体,逆转全球变暖的危机。在此之上,美国天文学和光学科学家罗格・安赫尔(Roger Angel)在 2006 年提出了改进的方案:为解决制造和运输巨型屏障的难题,可以将许多几米宽的小型航天器连接起来,组成大的屏障。每个小型航天器配备极薄的透明光学屏障,用来偏转太阳光。通过利用电磁加速和离子推进,把在地球上组装好的屏障运输至第一拉格朗日点,其预计使用时长可达 50 年。

在地球和太阳之间设置太空屏障,减少到达地球的太阳辐射。图片来源:MIT

最近,美国麻省理工大学(MIT)的一个跨学科团队在这些研究的基础上,提出了一个新的构想 —— 用气泡取代小型航天器。不仅如此,充气的过程是在进入外太空后才进行,形成的气泡将组成一块巨大的屏障。这极大地提高了太空屏障的可行性。在初步实验中,为模拟外太空极寒的真空环境,研究团队在 0.0028 个大气压的条件下制造出了稳定的冰冻气泡,并将其维持在了-50°C 的温度下。目前,科学家正在对可能的充气方式进行研究,如利用硅基融化材料、石墨烯增强的离子液体或其他低蒸气压的融化材料形成气泡。通过控制充气,使气泡膜的厚度近似于太阳光波长(约 400-600 纳米),这或许能够成为折射太阳辐射效率最高的薄膜结构之一

研究团队在 MIT 实验室中制造出的冰冻气泡薄膜,直径为 20 毫米。图片来源:MIT

据研究团队估计,这样的气泡薄膜在太空中展开后的大小将与巴西的面积相似。由于超大的面积和较薄的厚度,它将极大地受到太阳辐射压的影响。因此,气泡屏障的最佳位置会比第一拉格朗日点更接近太阳,修正后的位置距地球约 250 万千米

地球视角的气泡屏障艺术图。图片来源:MIT

目前,太空气泡还只是初步的构想,有很多地方仍需要研究和模拟,如它的运输方式、在太空中的稳定和维护机制、准确的辐射反射模型等。如果经过分析,发现该方案可行,研究团队将先在较低的轨道进行测试。在技术问题都能得到解决的理想情况下,本世纪就能够投入实施。根据罗格・安赫尔此前的初步预计,该项目需要花费 50 年内全球 GDP 的 0.5%,但准确的数额还需要进一步计算。

太空气泡屏障示意图。图片来源:MIT

此前常见的太阳辐射控制技术多应用在地球内部,如增加云层或地球表面的反射能力,或将小的反射性颗粒(如硫酸盐颗粒)溶解至对流层或平流层。然而后者却遭到了强烈的反对。今年年初,60 多名国际政策专家和科学家呼吁政府停止此类项目,因为这很可能会扰乱部分地区的季风降雨,且无法做到广泛和有效的管控。

相比之下,气泡屏障方案在外太空实施,避免了对地球的生态系统造成进一步的风险。同时,该方案最大的优势之一就是完全可逆:只需通过继续充气,使气泡表面的力超过平衡点,气泡就会破裂。这一方式也减少了弃用屏障后留在宇宙中的垃圾。

然而地球的环境是复杂的,就像所有太阳辐射控制技术一样,太空气泡屏障对地球环境的影响还是令人担忧。一些研究表明,太阳辐射的减少会造成如热带风暴轨迹减弱等气候影响,同时给热带地区的降温或会帮助疟原虫的生存,增加疟疾的传播风险。由于此类技术只是平衡了温室气体的总量,并没有减少碳排放,因此它无法解决所有的问题,如二氧化碳过度排放引起的海洋酸化。另外,如果此类方案突然停止,地球上可能会产生“终止冲击”现象(termination shock),导致地球温度迅速上升。在公共政策方面,如何配合减排计划和太阳辐射控制计划也是需要探讨的问题。太空气泡计划并非人类减排措施的替代,而是一个补充和后备计划。麻省理工大学的卡洛・拉蒂(Carlo Ratti)表示:“我们相信,假如对地球工程学的需要变得急迫,进一步提高太阳辐射屏障研究的可行性能帮助我们在未来做出更加明智的决定。”

面对严峻的环境问题,保护植被和海洋等吸收和存储碳的自然系统和削减人类活动的碳排放仍然是最重要,最根本的解决方法。从化石燃料向清洁能源的过渡,到在日常生活中选择绿色的出行方式、避免铺张浪费,世界上的每个国家和领域都在针对全球变暖积极地改进政策,开发新的技术。对于我们每个人,不妨少一些消极,去做到自己力所能力的事情。

参考网站:

  • https://www.ipcc.ch

  • https://www.climate.gov/news-features/climate-qa/can-we-slow-or-even-reverse-global-warming

  • https://www.gov.uk/government/publications/geo-engineering-research-the-government-s-view/uk-governments-view-on-greenhouse-gas-removal-technologies-and-solar-radiation-management

  • https://www.homepages.ed.ac.uk/shs/Climatechange/Data%20sources/Early%20earth%20shield1989.pdf

  • https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.0608163103

  • https://senseable.mit.edu/space-bubbles/

  • https://www.france24.com/en/live-news/20220117-dimming-sun-s-rays-should-be-off-limits-say-experts

  • https://www.cdstm.cn/gallery/hycx/qyzx/202205/t20220516_1069178.html

  • https://www.dropbox.com/sh/gk415yke8shtb84/AADfZbzC8xISX-lTmEkJJ7V2a?dl=0

  • 图片来源:http://showyourstripes.info/c/globe/

本文来自微信公众号:环球科学 (ID:huanqiukexue),撰文|孟凡琼    审校|王昱

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关键词:地球全球变暖

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