【科技.未來】地球工程干預氣候 成應對暖化的雙面刃

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氣候暖化迫在眉睫。最近多個氣候研究結果顯示,減排現況毫不樂觀。與此同時,巴西當選總統博爾索納羅(Jair Bolsonaro)言論火上加油,揚言效法美國總統特朗普,退出《巴黎協定》。

一些科學家正研發各種泛稱為「地球工程」(geoengineering)的新技術,以期為地球降溫或延緩暖化,但其潛在風險與潛力同樣龐大。在減排進度緩慢的情況下,地球工程是否值得我們放手一試?

本年夏天歐洲多處受熱浪侵擾,氣候改變或令熱浪更趨頻密。圖為西班牙一海灘人頭湧湧,民眾紛紛消暑降溫。(視覺中國)

今年夏天,熱浪襲來,歐、美、亞各洲氣溫紛紛錄得新高,光是日本已熱死了過百人。科學界如美國「憂思科學家聯盟」(UCS)或本港前天文台台長林超英均警告,氣候暖化將令熱浪在未來更頻密出現。

美國哈佛大學實驗團隊SCoPEx有望成為首支出走實驗室,在平流層(stratosphere,離地面10至50公里的大氣層)測試一項或有助地球降溫的太陽地球工程技術(solar geoengineering)的隊伍。他們的想法很簡單:把一堆粒子噴灑到平流層,陽光會因而反射回太空,從而令地球降溫。這種人為「調暗」陽光的技術也被稱為「太陽輻射管理」(Solar Radiation Management,SRM)。

SCoPEx上月底宣布,實驗首階段最快於2019年開始,將花費300萬美元在美國西南部發射兩枚氣球到2萬米上空,氣球會釋出一團團煙流(plume),每團約含100克碳酸鈣(calcium carbonate),然後氣球將會掉頭,來回觀察這些粒子如何擴散。

太陽地球工程原理。(香港01製圖)

從火山爆發得到啟示

這實驗背後的原理,大自然多少已展示過。1991年菲律賓皮納土波火山(Mount Pinatubo)爆發就噴射了約2,000萬噸二氧化硫(sulphur dioxide)到1.2萬米高空,往後15個月地球降溫了約攝氏0.6度;而1982年墨西哥艾齊瓊火山(El Chichón)爆發規模雖然較小,也令北半球降溫攝氏0.4至0.6度不等。

從火山爆發得到啟示,過往的太陽地球工程研究聚焦於二氧化硫。但硫未必是最佳的選擇,因為火山爆發造成的氣膠(aerosols)會加速氯氟烴(CFCs)損耗臭氧層,這些氣膠被太陽照暖後也可能會影響水氣和氣流流動。所以SCoPEx以碳酸鈣取而代之,那是一種常見於紙張、水泥、牙膏、胃藥的物質,比硫吸收較少熱力,對臭氧層的影響也較小。

1991年菲律賓皮納土波火山爆發,噴射了約2,000萬噸二氧化硫到1.2萬米高空,往後15個月地球降溫了約攝氏0.6度。(wikimedia commons圖片)

不過,SCoPEx首席研究員Frank Keutsch坦言:「我們不完全知道效果如何,畢竟平流層本身沒有碳酸鈣。」 SCoPEx在技術上也面對一定的挑戰:他們必須噴灑正確大小的粒子,據他們計算,直徑0.5微米粒子的擴散和反射效果最好;他們也要確保氣球在空氣稀薄處能順利轉向,從而收集樣本到地面分析。

哈佛大學太陽地球工程研究計劃共同總監Gernot Wagner指出,SCoPEx的實驗排放的粒子量,大約只相當於一架商用飛機飛行一分鐘,這樣的規模與完整的地球工程相距甚遠。Wagner上月底於《Environmental Research Letters》期刊發表研究,探討地球工程是否可行。

他指出,現時沒有飛機可攜帶數以噸計的粒子到平流層,用火箭則太貴,最經濟的方法是研發新型飛機。新設計需配備更大的機翼,引擎由兩個增至四個,以應付稀薄的空氣。與Wagner合作的飛機工程師Wake Smith認為這項設計毋須技術突破,因此是可行的。資金方面,Wagner估算一個為期15年的計劃,每年添加六至八架新飛機,連同機組人員、維修、保險、燃料、升降費等成本,平均每年只需20至25億美元,「一點也不昂貴。」

南極洲思韋茨冰川面臨溶化危機,對低窪地區,冰川融化是一個不容忽視的現象。(視覺中國)

多管齊下阻延暖化

反射陽光以阻延地球暖化的想法並非近期才出現。早在1965年,一份交給時任美國總統詹森(Lyndon Johnson)的報告中有一項應對暖化的建議,正是令海面更光亮,以反射陽光。此後四十年,相關研究一度淡出公眾視野,直到研究臭氧層破洞的諾貝爾化學獎得主Paul Crutzen於2006年公開支持反射陽光的研究,地球工程才受到重視。

自此,多個太陽地球工程計劃陸續出現。英國的SPICE實驗曾研究用氣球在1,000米上空噴水,卻因申請技術專利問題而在2012年終止;美國的水上雲層增亮計劃(MCBP)則想在低大氣層噴鹽水,令海上的雲更亮更反光,惟過去近十年一直忙於籌集資金;也有澳洲團隊研究以類似方法幫大堡礁珊瑚「遮蔭」,防止其白化(bleaching)。

冰川地球工程各種方法。(香港01製圖)

地球工程的另一大研究趨勢是「碳捕集與封存」(Carbon Capture and Storage),微軟創辦人蓋茨(Bill Gates)亦有投資該領域。這種技術以大型風扇、海洋施肥、生物碳等方法,抽取和捕集空氣及發電廠產生的二氧化碳,封存於地底或海底,以紓緩暖化。

對低窪地區如孟加拉、荷蘭和日本來說,冰川融化是一個不容忽視的現象。在本年3月《自然》(Nature)期刊的一篇評論中,美國普林斯頓大學(Princeton University)冰川生態學家Michael Wolovick與芬蘭拉普蘭大學(University of Lapland)氣候變化教授John Moore提出了在冰川展開地球工程。

Wolovick指出:「我們從過去二十年南極洲的觀測數據發現,主要威脅不是暖空氣,而是暖水。」海洋中冷水在上,暖水在下,冰架(ice shelves)在海底接觸暖水而融化消退,導致水位上升。Wolovick計劃在格陵蘭雅各布港(Jakobshavn)峽灣海床建造100米高的「門檻」(sills),以阻隔暖水:「這不是特別先進的科技,只是用一堆沙或外層加些石頭抵抗水潮。」

Wolovick透過電腦模擬發現,若什麼也不做,100年後南極洲思韋茨冰川(Thwaites glacier)將消退100公里;而興建門檻後,「冰川可停止消退並獲恢復,在某些情況中,甚至大過現時體積。」他還模擬過較悲觀的狀況,例如門檻逐漸爛掉,但仍可延長冰川壽命400至500年。Wolovick和Moore建議在南極洲冰川興建300米高的人工島加固,減少冰川融化時倒塌;或鑽挖至冰川底部,抽走水分或以鹽水循環冷卻,減慢冰川滑走。當然,如何運送人工島和大量工人?如何鑽挖?對漁業、生態和觀光業有何影響?這些都是他們未能充分回答的問題。

冰川生態學家Michael Wolovick提出在冰川底建牆阻撞暖流,減慢或防止冰山溶化。(香港01製圖)

以「化療」醫治地球

不少人質疑人為調暗陽光會招致一系列惡果,例如擾亂降雨規律、乾旱、農作物失收等。本年10月就有過百個來自多國的民間組織聯署,指摘地球工程「危險、不必、不義」。美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)農業經濟學家Jonathan Proctor如此比喻地球工程:「你與一隻熊同在籠中,問題是應否加一隻獅子?牠們或會互相殺死對方,但也可能一同殺死你。」英國牛津大學工程高級講師Hugo Hunt更以「化療」形容SRM。

火山爆發所顯示的,不只是地球工程的潛在降溫功效,還有它的風險。Proctor和同事在今年8月發表於《自然》的論文,是首個就地球工程對農作物影響的研究。他們分析了四種主要糧食作物在皮納土波火山和艾齊瓊火山爆發前後的產量差異。

火山爆發所顯示的,不只是地球工程的潛在降溫功效,還有它的潛在風險,農作物生長或受影響。(視覺中國)

過去有研究發現,皮納土波火山爆發翌年,美國哈佛森林的光合作用比爆發前增加了23%,推定原因是火山灰既反射陽光,也散射到樹木本來難以照到的部分。但Proctor的研究卻發現,兩次火山爆發後,農作物的產量均有下跌。皮納土波火山爆發後,粟米產量跌了9.3%,大麥、大豆和稻米的產量跌了4.8%。他解釋:「因為粟米比較需要光,而(研究中的)其他植物只要有一定陽光,產量就不再增加。而且農作物與林木的空間結構不同,林木有大片樹冠,陽光可散射到下方;但農作物排得密密麻麻,而且本可輕易照到陽光。」

他們還把研究數據加到氣候模型分析,並推演2050至2069年使用地球工程的可能後果,發現粟米產量會因氣溫較涼而增加6.3%,但也會因陽光減少而下跌5.3%。考慮到其他副作用,Proctor及其團隊認為地球工程沒有明顯好處:「若太陽地球工程是手術試驗,那麼它的副作用——陽光照射的改變,就多少跟原本要醫治的疾病一樣惡劣。」

另有學者質疑,地球工程是否一條不歸路。而這項技術要實行,國際間的協作又是否順利?詳見另文《【科技.未來】地球工程爭議 最後手段還是逃避減排藉口?》

上文節錄自第143期《香港01》周報(2018年12月24日)《人工控制氣候 地球工程是解決暖化出路?》。

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