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撰文丨朱禾
来源丨《国家科学评论》（NSR）
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在过去的一年里，包括北京在内的中国北方大部分地区经历了近年来可能是最炎热的夏季，连续多日气温高达40℃。《国家科学评论》（NSR）编辑部组织了一个关于气候变化的线上论坛，讨论一个应对气候变化的重要课题——地球工程。
与常见的以减排为首的方法相比，地球工程着重于采取更为积极主动的措施，以应对气候变化。这些措施包括向平流层注入气溶胶以增加太阳反射，向海洋中施加铁肥以促进微生物生长，以及捕捉和液化二氧化碳并将其直接注入耗尽的油田。
该论坛由北京大学环境科学和工程学院朱彤教授主持，还有四位非常重要的专家参加。他们共同介绍了这些积极主动的措施的科学背景和实施情况，并讨论了研究人员在当前阶段预期的利弊。
朱彤：首先，我要感谢今天来参加这个论坛的嘉宾。众所周知，地球工程学是一个正在全球范围内引起关注的研究课题。尽管这个课题已经被讨论多年，它仍然被认为是一个有争议的话题。地球工程学的实施可能会引发复杂的经济、生态和伦理方面的问题。为了深入探讨这个话题，我们邀请了这个领域内一些知名的专家，他们或者开展过相关研究活动，或者参与过地球工程方面的实际试验。我们请到了北京大学的教授、中国科学院院士金之钧教授，他的研究领域注重于二氧化碳的捕获和储存(CCS)；暨南大学的刘绍臣教授，他的研究专注于在大气层的平流层注入气溶胶；厦门大学的柴扉教授，他专门从事海洋铁肥养殖方面的研究；北京大学的徐建华教授，她一直从事于地球工程相关的社会科学方面的研究。
向大气层注入气溶胶，这可行吗？
朱彤：首先，刘教授，请您介绍一下平流层注入气溶胶的研究。
刘绍臣：根据美国和欧盟的报告，迄今所知的最有效和最经济的地球工程的方法之一是向平流层注入气溶胶，以增加太阳反射并减少地表加热。正如朱教授所指出的，就像任何其他工程活动一样，这个方法将同时带来利益和负面效应。关键在于利益和负面效应之间的平衡。
注入气溶胶的方法将是所有地球工程方法中见效最快的方法：它可以在一两年内见效。另一个重要的优势是，历史上火山爆发喷射气溶胶进入平流层的案例（如1991年的皮纳图波火山喷发），为科学家提供很多机会来定量的评估这个方法的有效性、利益和负面效应。当然，这个方法肯定会存在风险，但幸运的是，注入的气溶胶会在一两年内自然的从平流层消散。因此，如果这个方法会导致严重负面效应，注入活动的影响可以在一两年终止。
菲律宾的皮纳图博火山在1991年喷发。在爆发之后的两年中，全球温度降低了约0.5℃，这大约是目前全球变暖幅度的一半。根据在中国和其他地方进行的测量，从酸雨和对平流层臭氧的损害方面来看，这个由火山爆发带来的负面影响微不足道。并且，在过去火山喷发导致的气溶胶注入的效果和风险方面，我们已经具有定量的知识。目前的估计显示，向平流层注入2千万吨硫化物可以将全球温度降低约1℃。从成本和注入技术上讲，2千万吨是相对可行、可接受的。如果我们继续推进，一两年后我们将看到效果。如果出了问题，我们可以停止注入，气溶胶将在大约两年内自然消散。
然而，正如我们稍后将讨论的，这个方法目前在国际上面临强烈的反对意见。主要反对意见是这个方法可能对正在推进的节能减碳方面的举措带来负面影响。尽管如此，根据‘国家自主决定贡献’（INDCs）的全球减排量计算出来预测，在本世纪末全球温度上升有可能大幅超过2℃。因此，我们不能忽视地球工程这个选项。目前的现实估计是，到2100年温度上升有可能达到4℃。因此，我们不能忽视地球工程这个选项，我们需要一个有效的地球工程方法来减缓全球变暖并为减排方面的工作赢得宝贵的时间。我们建议向联合国提交一份关于向平流层注入气溶胶的可行性研究。如果联合国能在利益和风险之间找到一个平衡，我们可以从相对较小的2百万吨注入开始，以实现0.1℃的降温为目标。我认为中国在推动这样的大规模工程项目方面具有相当的优势，这个工程也可能提高我们在应对气候变化方面的世界地位。
向海洋中施铁肥
朱彤：谢谢，刘教授。下一个话题是施铁肥。柴教授是海洋方面地球工程学的专家。柴教授，请您介绍一下这个方面的研究进展。
柴扉：地球工程通常可以分为两类：太阳辐射管理（SRM）和二氧化碳清除（CDR）。二氧化碳清除包括陆地和海洋两种。在大规模碳汇和重新造林方面，陆地方法相对成熟。大多数海洋二氧化碳清除方法只是在过去几年才开始受到关注。早期的方法之一是在高养分低叶绿素区域进行的海洋施铁肥试验。首次开展的开放海洋实验是在1992年的东赤道太平洋上进行的。在过去的30年里，共进行了14项在高养分低叶绿素区域的海洋施铁肥实验，累积了大量新知识。所有实验都表明，海洋施铁肥是提高浮游植物生长和增加初级生产力的有效方法。但是在碳清除效率和对海洋生态系统的负面影响方面我们仍然面对一些问题。例如，有多少碳被运输到500米或1000米以下？我们对这个问题没有明确的答案。原因很简单：在以前的研究中，我们没有足够的技术和工具来追踪和测量碳排放到深海的情况。一些环境组织还强调了海洋施铁肥的负面副作用，并希望完全停止海洋施铁肥实验。 现在，我们需要关注最新的观测技术的发展，以跟踪和测量从水表面到1000米以下及更远的碳排放成效。通过整合传感器技术、多种观测平台和数值模拟，持续的测量、报告和验证工作将成为所有海洋二氧化碳清除方法的目标。现在是将海洋科学和环境科学与现代技术相结合的好时机。然而，要取得成功，我们需要与国际法律和伦理方面的组织合作，赢得公众的信任。 与海洋施铁肥相比，还有一些其他的方法相对比较年轻。例如，调节海洋碱度是一种基于化学的方法，可以改变海洋碳酸盐系统，以减少海洋表面的二氧化碳分压，它可能不会像施铁肥那样直接影响生态平衡。另外一个方法是大规模的大型藻类养殖。在这个领域，中国对世界大型藻类生产总量的贡献约为60%，我们主要将它作为一个食物来源。如果我们将大型藻类种植作为一个潜在的减碳方法，这个方法必须在远海的深水区域进行。大型藻类只有沉入海底才能作为永久的碳储存的方法。
与所有基于海洋的二氧化碳清除方法相比，施铁肥是最成熟的。在过去的两年中，国际社会已经重新总结了过去这一领域中的研究经验，并成立了一个称为‘探索海洋铁质方案’的组织（ExOIS：https://oceaniron.org/）。在这个组织中，我们讨论了科学和技术的最新发展，以及法律、社会和伦理问题。例如，谁应该负责这些海洋中的施铁肥实验？进行施铁肥实验的行为准则和最佳实践是什么？展望未来，我们正在分析多种实施施铁肥实验方案，以及这些方案在全球范围内短期和长期的效用、效率、耐久性和影响等因素。中国的科学家在这个领域积累了丰富的知识，我们有能力参与全球合作，探索基于施铁肥的海洋中的碳清除方法。
1亿吨级的碳捕捉与封存：
人类达到碳中和的兜底技术
朱彤：谢谢。现在，金教授，你想从你的角度发表一些评论吗？
金之钧：首先，我认为我们今天进行的论坛具有很大的意义和价值。其次，我想重复刘教授开始时说的：根据最新的预测，到本世纪末很难将温度上升限制在2°C以下。我认为我们探索一些人为干预气候变化的方法是一个聪明的选择。尽管我们面临的工作量很大，但我们必须开始这个工作。当朱教授邀请我参加这个论坛时，我非常愿意参与。我从前面专家的发言中学到了很多东西。首先让我来回答一个问题：在藻类生长后，是否可能成为一个永久固碳方法？根据我在石油和天然气勘探方面的专业知识，答案毫无疑问是肯定的。我们今天开采的石油和天然气的主要来源是古代海洋中的藻类。因此，如果人类在未来停止开采并燃烧石油和天然气，今天种植和储存的藻类将永久的从大气中去除二氧化碳。就个人而言，我对海洋施铁肥持乐观态度，前提是我们要关注可能出现的环境和生态方面的影响。几年前，我的家乡青岛曾经遭受由浒苔引起的环境危机。夏季时大量浒苔被冲上岸，腐烂后在沿海地区散发出严重的臭味，当地政府花了巨大资源来清除它。我们希望种植藻类并将其埋在海底，这需要在化学物理平衡和生态平衡方面进行广泛的研究。
在论坛之前，我准备提出的方案是1亿吨级的碳捕捉与封存。在我看来，这是人类达到碳中和的兜底技术。目前每年埋藏地下的二氧化碳数量不到1亿吨，其中有4千万吨用于提高石油和天然气的开采效率。在“十四五”规划期间，中国石化在胜利油田达到了百万吨碳捕捉的能力，该项目目前正在运营中。中国石化的下一步是实现500万吨碳捕捉的能力，也旨在提高开采效率。因此，在短中期内，我们应该继续朝这个方向努力。但从长远来看，依靠利用石油工业副产品提供碳捕捉是不够的。为了减缓气候变化，碳捕捉的目标值应该是石油工业副产品数量的上千倍。当我们仔细分析如何大幅提高碳捕捉的能力时，我们看到两个主导因素：第一个是通过技术进步降低成本；第二个是碳价格。当碳价格高时，支付埋藏的成本比支付排放成本更便宜，人们会选择埋藏。当碳价格低时，人们仍然会选择支付排放。另一方面，当碳捕捉技术优化后，碳埋藏成本可以降到低于碳排放价格，碳埋藏变得经济可行。目前，1吨碳捕捉的市场价格在300元到600元之间，我预计到2030年这个价格可能降至200元。我们面临的挑战是通过扩大规模来进一步降低碳埋藏的价格，这就是我选择1亿吨目标能力的原因，这是价格因素。下一个问题是地点。对此，我们的答案是开采枯竭的油田。例如，沙特阿拉伯的格瓦尔油田是世界上最大的油田，现在已经接近枯竭，它估计具有100亿吨的碳储量。中东并不是唯一适合碳捕捉的地区，俄罗斯、美国和中国都有适合的油田。我们的大庆油田储量达到50亿吨，当其储量耗尽时，它可能成为一个重要的碳捕捉站点。我还看到了有关墨西哥湾油田的类似计划。我鼓励研究人员关注来自世界各地的类似提案。
我在与气象学家的讨论中还考虑到地球工程的另一种可能性。如果我们能成功的预测一个周末或一周内的天气，就有可能避免极端天气事件造成的重大损害。但是几周到几个月的中长期预测仍然非常困难。我们都听说过人工降雨来缓解干旱的试验。是否可能将降水的集中区域扩散到更大的范围以减轻其强度和损害？我认为这也应该被归类为地球工程的一部分。在地球工程方面我们是大有作为也必有作为。最近，我注意到在碳达峰和碳中和方面，减排得到了极大的重视。我认为这是严重的误导。经济发展是一项基本的人权。地球上只有10亿人居住在发达社会中，还有60亿人正在追求更好的生活。没有人能阻止他们发展经济。因此，从全球的角度来看，经济发展应该保持为主旋律，碳排放是不可避免的。我们应该投资于碳捕集与储存和太阳辐射管理来减少二氧化碳和地球的温度。
太阳辐射管理是双刃剑
朱彤：谢谢金教授对碳捕捉及其在人类应对气候变化中重要作用的精彩介绍。接下来，我们直接转向地球工程所涉及的社会科学方面的问题。徐教授，请您介绍一下这个方向的研究工作。
徐建华：我很愿意分享我在太阳辐射管理方面的研究和观点。一个简单的比喻可能有助于我们理解太阳辐射管理技术的复杂性：太阳辐射管理就像是给一个生病的病人开的处方药。它可以缓解症状，但也会带来副作用。在这方面，它与减排形成了鲜明的对比。任何一个国家减少碳排放对整个世界都有益处。但是太阳辐射管理就不同了，它给全球带来了总体利益，但也可能对某些地区产生负面影响。因此，它将引发关于公平的伦理问题。基本上，应用太阳辐射管理技术就像是在两害相权衡中选择较轻的一个。我们的研究报告是几个国家的学者合作完成的。其中我们使用了风险-风险权衡框架来分析应用太阳辐射管理技术的利弊，这可以作为促进对话和建立共识的基础。在这个框架中，目标风险是由气候变化引起的风险，干预措施是减少目标风险的措施或政策，对冲风险是干预措施的副作用。这个框架的基本结构并不复杂，但实施该框架并不容易。
以平流层注入气溶胶为例，在该框架中需要做的一件事是确定与处方药剂量相等的气溶胶注入量和频率。不同的注入量会导致不同的成本、效益和副作用，并且它们将在不同的国家和地区有不同的分布。所有这些都需要估计。我们研究报告中的示例将太阳辐射管理视为除了减排、碳清除和适应性措施之外的一种措施。我们的初步分析表明，太阳辐射管理预计将迅速减少世界大部分地区与升温相关的风险，例如减少极端天气事件的频率和强度，减缓海平面上升，减缓北极海冰和山地冰川的融化。预计太阳辐射管理还将带来意外的相反风险，例如降水的区域变化，高纬度地区酸沉降增加，平流层臭氧减少以及突然终止太阳辐射管理可能引发的潜在的冲击。 以太阳辐射管理为中心，学术界已经积累了广泛的新知识，并且我们在不断前进。我想强调的是，应用平流层注入气溶胶等太阳辐射管理技术面临的情况与大多数全球环境问题不同。现有的国际条约大多限定了一个国家或地区采取的行动对全球社会有益，而太阳辐射管理技术在给全球社会带来利益的同时也可能带来不可忽视的副作用。我们需要制定全球机制来管理太阳辐射管理的研究和应用。
朱彤: 谢谢您的介绍。我的后续问题是，虽然我们正在获得新的知识，但在讨论太阳辐射管理等前所未有的工程时仍存在相当大的不确定性。我们应该如何处理这个领域中的不确定性？
徐建华: 这是一个很棘手的问题。科学中的不确定性一直被支持派或反对派同时使用。某些技术的支持者可能会利用这些不确定性，他们可能认为我们在不确定性中总是需要做出决策，因为延迟决策会产生负面后果。太阳辐射管理的反对者也引用这些不确定性来支持自己的观点。他们认为，对这些技术的不确定性，在我们找到更好的理解之前，我们不能推进。我们需要在应用太阳辐射管理方面达成共识并制定决策机制。不管怎么说，我们都需要进一步研究地球工程。此外，还需制定指导研究工作的行为准则。
中国为何较少关注地球工程？
如何改进？
朱彤: 我想说的最后一点是，尽管地球工程在海外受到关注，但在中国相关的讨论和研究仍然非常有限。所以，我想请各位专家简要提出一些建议来解决这个问题。刘教授，您想先发言吗？
刘绍臣: 首先，国内研究人员应该组织对海外进展撰写综述。这会对于我们自己的工作起到非常有益的作用。其次，我认为我们应该利用我们国家高效的行政模式，在地球工程方面做出显著贡献。这将增强我们在应对气候变化等问题上的国际话语权。
柴扉: 今天我们讨论了三个主要地球工程的方案：太阳辐射管理、施铁肥和人工干预天气。我想强调我们需要清楚的划分科学研究和工程实施，这一点必须对公众阐明。同时承认这个过程中的不确定性和风险。
徐建华: 我们需要交叉学科来整合地球工程中的自然科学和社会科学的因素。我们需要邀请哲学、伦理学和国际关系等学科的学者参与地球工程研究。我之前提到的研究报告就是一个不同学科背景的学者合作研究的例子，其中自然科学和社会科学被整合起来讨论太阳辐射管理技术的风险-风险权衡和治理问题。此外，我认为中国的资助机构应该支持更多的地球工程项目。这将有助于推动国内在这一领域的研究工作。
金之钧: 我最后的建议是，我们今天的论坛讨论应该被总结、传播；最重要的是扩大规模。将来，我们可以组织规模更大的研讨会，包括广泛的演讲和开放性讨论。希望我们能逐步提高对这个课题的认识和研究团体的影响力，并取得实质性进展。
朱彤: 我想感谢今天来自中国和国外的所有与会专家。正如我们都强调的，地球工程是一个重要且影响深远的主题。在气候变化的过程中，即使我们达到了碳峰值和碳中和的目标，预计的温度上升可能超过4°C。我们现在正在目睹周围温度上升约1.5°C的影响。而且我们现在知道，现在我们面临的问题是，是否可能在减排的同时缓解气候变化。作为科学家，我们有责任研究可行且有效的，并且负面效应比较缓和的地球工程措施。我们现在发现了有限规模的碳清除、太阳辐射管理和施铁肥化等可能的方案。为了超越假设阶段，进一步的讨论和对话是形成共识的必要条件。正如金教授和刘教授总结的那样，像这样的论坛讨论应该在更大的范围内进行。我们都期待未来与 《国家科学评论》继续合作，将这个激动人心的主题呈现给公众。再次感谢大家今天的讨论。 如需阅读原文，请前往 https://doi.org/10.1093/nsr/nwad271
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