气候

解读:阻止全球变暖的最具争议性的方案

各种将二氧化碳从大气中移除或将阳光反射出地球的提议层出不穷,它们有哪些利弊?
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瑞士Climeworks公司位于苏黎世附近的直接空气捕获设施。 图片来源: Orjan Ellingvag / Alamy
瑞士Climeworks公司位于苏黎世附近的直接空气捕获设施。 图片来源: Orjan Ellingvag / Alamy

地球工程(geoengineering)是一个众说纷纭的话题。有人认为它是对严肃的气候行动的一种威胁,有人认为它是遥不可及的备用方案,还有人认为它是当今气候政策的必要组成部分。但所有人都不能否认它极具争议。

地球工程包括一系列大规模的人为干预措施,目的是减缓甚至扭转全球升温。

许多科学家和环保人士担心,依赖这些“技术手段”对气候进行人为干预将转移人们对减排的关注,并进一步破坏人类并不十分了解的复杂的全球气候系统。“这是一个十分危险的实验,在部署之前也不可能真正去测试,”海因里希•伯尔基金会(the Heinrich Böll Foundation)的气候政策专家琳达·施耐德(Linda Schneider)说。

但有些人则认为,为避免全球变暖达到危险水平,我们越来越有可能需要在快速减排之余部署这些措施。

地球工程往往分为两大类:移除大气中的二氧化碳,以及将太阳光反射出地球。其中后者更具争议性。 本文将深入探讨上述两类技术中一些主要的提案,以及它们的可行性和对潜在负面影响的担忧。

二氧化碳移除

许多研究人员认为,鉴于全球减排工作已经严重偏离了将升温幅度控制在避免全球变暖达到危险水平的轨道上,使用碳移除技术如今变得十分必要。“到我们实现零排放的那一天,我们面临的升温幅度将是令人无法接受的,”康奈尔大学机械与航空航天工程研究员道格拉斯·麦克马丁(Douglas MacMartin)表示。“长期的解决办法是移除大气中的二氧化碳。”

但有人却对依赖未经证实的“负排放技术”(negative emissions technologies)提出了警告。气候科学家凯文·安德森(Kevin Anderson)和格伦·彼得斯(Glen Peters)2016年时这样说道: “如果我们依赖这些技术,而它们的部署规模、或者是移除效果未能达到预期,整个社会都将被锁定在一条高温路径上。”

生物能结合碳捕获与封存技术

生物能结合碳捕获与封存技术(简称BECCS)被视为可行性最高的负排放技术之一。

BECCS通过农作物或树木的成长过程将二氧化碳从空气中吸收。这样,既可以通过燃烧这些树木释放能量,又能同时捕获燃烧排放的碳。捕获的碳被封存在地下,防止其回到大气中,然后不断重复整个过程。随着时间的推移,只要规模足够大,这项技术理论上可以消除大气中大量的碳。

生物能结合碳捕获与封存技术。图片来源: James Round / 中外对话

BECCS尤其受到气候模型研究人员的欢迎,目前是大多数符合《巴黎协定》的脱碳路径的关键部分。但科学家也开发了依靠转变生活方式和快速推广可再生能源的更深层的脱碳路径。这些措施都能将全球变暖控制在1.5摄氏度的范围内,并且从理论上来讲,能够做到不再需要BECCS。与此同时,一些人呼吁建立“后增长”经济学,即深入发展小型化经济或稳态经济,这种转变是这些模型未曾考虑的。

BECCS虽然广泛运用于气候模型中,但尚未得到大规模验证,世界各地仅少数工厂正在运营中。建造碳捕获工厂的前期成本也很高,而将碳储存在地下可能引发地震,或导致二氧化碳泄漏

“目前远没有达到所需规模,我担心人类对于自己把BECCS扩大三到四个数量级的能力过于自信,”麦克马丁说。

美国伊利诺伊州迪凯特市的Archer Daniel Midland工厂拥有目前全球唯一的大型BECCS设施。图片来源: Google Earth

关于BECCS的另一大主要担忧在于首先需要大量土地来种植生物能源,这可能与粮食供应产生竞争,或导致森林砍伐。

一项研究发现,为达到将全球变暖控制在2摄氏度以内所需的二氧化碳移除量,就需要种植7亿公顷的生物质能作物——相当于目前全球耕地的一半左右。研究称,为了达成1.5摄氏度温控目标而进一步扩大生物质能种植面积,可能需要将森林和其他高碳生态系统全部换成生物质能作物,进而导致陆地碳汇的总损失。

“我认为,是否应该大规模部署BECCS是一个涉及面很广的问题,因为还要考虑土地使用和环境公正等问题。”忧思科学家联盟(UCS)太阳能地球工程治理研究员舒奇·塔拉蒂(Shuchi Talati)表示。“我认为BECCS不值得我们如此看重它。”

直接空气捕获

这是人们提出的另一个大规模负减排技术。直接空气捕获(DAC)利用机器直接 捕获空气中的二氧化碳,而不是像BECCS那样以排放源(例如热力发电厂)为基础进行捕获。

直接空气捕获。 图片来源: James Round / 中外对话

作为一项负排放技术,二氧化碳的储存方式必须能阻止其返回大气,这一点与BECCS类似。

直接空气捕获不依赖土地使用的巨大变化,不会造成森林砍伐等潜在影响,因此与BECCS相比可能更具吸引力。理论上讲,将工厂建在储存和利用站点附近更易操作,从而减少了远距离运输二氧化碳(如管道运输)的需求。

但该技术也存在一些问题。运行需消耗大量能源:去年发表的一篇论文发现,到2100年该技术可能需要目前总发电量一半以上的电力。论文还警告称,虽然现在人们假定可以大规模部署这一技术,但如果现实中不可实现,则会是很大的风险。

瑞士Climeworks公司的直接空气捕集设施有30台由垃圾焚烧炉提供能源的大型风扇和过滤器。每台风扇每天能够从空气中捕获135公斤的二氧化碳。图片来源:Orjan Ellingvag / Alamy
捕获的部分二氧化碳被用于附近的温室,以提高作物产量。图片来源:Orjan Ellingvag / Alamy

还有人对捕获后的二氧化碳用途表示担心。例如,美国初创公司“碳工程”(Carbon Engineering)和西方石油公司(Occidental Petroleum)合资成立的全球首家大规模DAC工厂将利用捕获的二氧化碳来提高采油效率。

事实上,提高采油效率是目前二氧化碳最主要的工业用途,也是目前全球唯一的大规模碳封存产业,这为扩大DAC和BECCS的规模提供了一条金融途径。然而,利用捕获的二氧化碳提取更多石油存在明显问题

捕获的二氧化碳也有其他用途,例如生产燃料或水泥等建筑材料,即碳捕获与利用(CCU)行业。但就负排放技术而言,捕获的二氧化碳必须长期锁定——如果再次释放到大气中(如作为燃料燃烧),那整个过程充其量只是碳中和。目前全球有15家小型DAC工厂正在运营中,但捕获的碳并不是都封存起来了。

其他碳移除技术

许多基于自然的解决方案可以强化碳封存,例如植树造林、重新造林以及恢复泥炭地和沿海生态系统。这些非常重要,但很少被视为“地球工程”的一部分。

一名海洋科学家在土耳其的卡斯-凯科瓦海洋保护区进行海草修复工作。海底草甸只覆盖了0.1%的海底面积,但却储存了全球18%的海洋碳。图片来源: Alamy

但一些地球工程提案旨在强化自然过程。例如,加快矿物风化速度,目的是加速岩石对二氧化碳的自然吸收。另一个例子是海洋施肥(Ocean fertilisation,在海洋中加入大量铁或其他营养物质,刺激藻华生长,从而吸收二氧化碳。但塔拉蒂称,现在很少有人认为能够大规模开展海洋富化,这不过是闭门造车。 “我们研究过,发现真的不可行,地球工程领域也不再讨论它了。”

还有人提议生物炭也是一个潜在的大规模碳移除方案,通过燃烧生物质产生木炭,然后埋入土中,把碳储存起来。虽然一些石油巨头已经将生物炭作为双赢的气候解决方案,但尚未得到大规模验证。

太阳能辐射管理

太阳能辐射管理(Solar radiation management)又称太阳能地球工程。理论上讲,这组技术是将阳光从地球表面反射出去,使其没有机会让大气层升温。

支持者认为应研究并了解这些争议技术。当全球排放超出1.5或2摄氏度温控目标的碳预算,而碳移除技术又未达到足够的规模将排放量削减至安全水平的情况下,人类应该有备用的应对之策。

但太阳能地球工程存在严重的局限性。所有技术都没能直接减少大气中的二氧化碳量,因此无法解决海洋酸化问题。此类技术还有可能引起“部署中止冲击”(termination shock,即该技术若因某种原因失败,全球气温会迅速上升),以及使降雨模式或温度出现意外改变的风险

平流层气溶胶注入

目前讨论最多的太阳能辐射管理方法包括利用飞机或高空气球将硫酸盐粒子或其他气溶胶注入大气中。

平流层气溶胶注入。 (图片来源: James Round / 中外对话)

平流层气溶胶是“我们目前知道的”唯一有效的太阳能地球工程技术,康奈尔大学的麦克马丁说。“我们看到了皮纳图博火山等大型火山爆发后的情况:硫酸盐气溶胶进入大气层后,地球温度下降了约0.5度。”然而,目前的飞行器无法将足够的气溶胶注入大气,他说——这种负载量的飞行器“至少还要五年”才能开发出来。

2019年6月,俄罗斯库里尔群岛的雷科克火山爆发。像这样的火山喷发会向大气层释放硫酸盐气溶胶,可以带来全球气候的降温效应。图片来源: NASA Earth Observatory

建立一个让全球大部分地区受益的太阳能地球工程系统需要的时间可能远超于此,塔拉蒂说。“未解决的问题太多了,”她说。“我们需要一个健全的监管体系,需要知道大规模部署太阳能地球工程到底能够取得多大的成效,要建立大规模的监测系统。这些都很贵,所以我认为我们离得还很远。”

一系列潜在的问题已经引起人们的关注。麦克马丁说,注入的硫酸盐气溶胶可能会导致臭氧层破坏。硫酸盐最终还会变成酸雨落回地面。对于地球上未曾经历过酸雨的相对原始的地区而言,这尤其令人担心。

地缘政治体系也可能受到威胁,塔拉蒂说。“如果一个国家单方面决定部署太阳能地球工程,可能会彻底改变另外一个国家的天气系统,进而扰乱这个国家的农业系统和GDP,造成紧张局势全面升级。”

尽管一些人士呼吁在可靠的全球化监管机制建立之前不要对这类技术进行测试或部署,但目前仍有几个研究方案在继续开发平流层气溶胶注入技术,从而更好地了解其风险及益处。

海洋云增白

另一项研究相对较少的太阳辐射管理提案是利用船舶将海水喷入低空的层积云,云层中增加的这些盐粒周围能凝结更多水蒸汽,理论上可以提高云层反射率。

但科学家还不知道它在什么样的环境和时间条件下才会起作用,麦克马丁说:“除非能回答这个问题,否则我们就很难在全球预测方面取得重大进展。”

海洋云增白。(图片来源: James Round / 中外对话)

澳大利亚已经在当地实验这项技术,希望可用于大堡礁保护。但麦克马丁表示,妄图通过大规模部署该技术来给整个地球降温将带来其他问题。合适的云层可能只覆盖了10%的地表,而“效果不会只停留在你运用了这项技术的那个有限的范围内,”他说。“相比平流层气溶胶,海洋云增白可能会给降雨模式之类的系统带来更大的扰动。”

其他太阳能地球工程技术

还有许多假设性技术,但研究人员对这些技术的兴趣大多不及上述两种方法。

其中最奇异的一种方法就是太空反光镜法,即将一组镜子送入太空轨道以反射阳光,不让阳光照射到地球。这么做虽然不会对大气形成化学干扰,但仍可能产生干旱等消极后果。

通常认为这么做的成本高得令人望而却步。“我认为太阳能地球工程之所以如此受关注,一个原因在于相比大规模的碳移除、缓解和适应工作,这种限制危害的方法可能更便宜,”塔拉蒂说。“这样看来,我认为(太空反光镜)不会像平流层气溶胶注入那样有许多引人之处。”

美国阿拉斯加Utqiaġvik北极冰项目研究基地,研究人员正在测试利用中空玻璃微球反射阳光。图片来源: Arctic Ice Project

另一个人们不太熟知的提议就是让云层变薄。从技术角度来讲,它的目的并不是反射阳光,而是通过增加额外的凝结核来驱散高空卷云,让更多的热量从地球上逸出。然而,研究发现云层消散可能会出人意料地导致气温不降反升,或以意想不到的方式影响气候系统的其他方面。

还可以在地球表面进行局部改造。例如安装白色屋顶,培育转基因作物等,这么做都是为了反射更多阳光,改变地面反射率有助于抵消变暖——对人口稠密和重要农业产区的极端炎热天气尤其如此。但这些方法规模较小,因此没有被看做是太阳能地球工程。

有人提出用塑料薄膜覆盖沙漠、用反光的空心硅珠保护北极冰层等大规模改变地球表面反射率的方法。其中,用反光的空心硅珠保护北极冰层的方法目前正在测试中。还有人提议通过制造数百万微小的气泡,或者将微珠撒到水里,提高海洋表面亮度。

许多人认为,我们应该给予地球工程方法更多的关注与研究,这样我们至少可以更好地了解其潜在的有害影响,从而制定相关的监管体系。与此同时科学家们同意,为了将全球变暖控制在安全水平,我们仍应将工作重点放在迅速减少温室气体排放上。

翻译:YAN