人工給地球降溫需要什么：350億美元、十年準備、270架新型飛機？

（來源：麻省理工科技評論）

吉姆·弗蘭克（Jim Franke）掀開辦公桌上一份演示文稿的封面，露出一幅古怪飛機的插圖：短粗的機身上伸出巨大的機翼。

這架無人飛機飛行的高度比商用客機高出幾千米，高到能看見地球的弧度。要開始人工冷卻地球，你需要的正是這種飛機。那些超大機翼能讓飛機和它的載荷在平流層保持飛行——距地面約 20 公里的高空，那里的空氣非常稀薄，密度可能只有地面的 5%。到達高度后飛機釋放材料，經過幾步化學反應，這些材料會把陽光反射回太空。

“如果近期想到達 20 公里的高度，這大概是最靠譜的方案。”芝加哥大學助理研究教授弗蘭克說。

弗蘭克屬于一個人數不多但在增長的群體——專注于太陽能地球工程（solar geoengineering）工程挑戰的科學家。太陽能地球工程是一個有爭議的想法：人為干預氣候系統來抵消全球變暖。

這個概念的靈感來自火山。歷史上大規模火山噴發曾經讓全球降溫，原理是把二氧化硫和其他化合物噴射到平流層，在那里轉化為能散射陽光的微粒。近幾十年來數百項研究表明，人類模仿這個機制應該能快速有效地起作用，至少在氣候模型的框架內是這樣。

但計算機模擬只是對現實的近似，它忽略了大量實際問題。比如能把足夠多的材料運到足夠高的飛機還不存在；我們也不確定怎么釋放材料才能讓大部分變成微小的反光氣溶膠，而不是結成團掉下來；甚至該往飛機上裝什么材料都還沒定論，安全性、成本和效果都有待解答。

面對這些層層疊疊的未知，越來越多的太陽能地球工程研究正在走出計算機模擬，深入到詳細的設計和實際工程工作中去——這些工作是在真正實施降溫行動之前必須完成的。任務從發明高空飛機，到掌握散布材料的精確化學過程和投放機制，到建設監測基礎設施以便知道這一切到底有沒有用。

我們到底應不應該對地球進行工程改造？這個問題沒有明確答案。它可能通過減少災難性熱浪、洪水、干旱和饑荒的危險而拯救數百萬生命。但很多人認為連認真研究都太危險了，因為我們不可能預測操縱如此龐大、復雜、相互關聯的地球系統會引發什么連鎖后果。

批評者認為，這個階段的研究勢頭越強，世界上某個地方的某個人最終真的啟動地球工程的可能性就越大，不管還有多少未知和風險。

“我確實認為這非常危險，因為我們對科學和技術已經有足夠的了解，”愛爾蘭梅努斯大學氣候正義教授詹妮·斯蒂芬斯（Jennie Stephens）說，“投入越多、進展越遠，被實際部署的可能性就越大。”

但支持做這些實踐研究的人認為，把實施太陽能地球工程的方案推演一遍，會加深我們對潛在收益和風險的理解。萬一真有人試圖調節氣候，至少能讓他們在知情的前提下行動，做法也可能更安全一些。

這仍然是一個非常小眾的領域。目前正在進行的大部分工作集中在芝加哥大學的氣候系統工程倡議（CSEi），該項目 2024 年在知名地球工程研究者大衛·基思（David Keith）的領導下正式啟動。

弗蘭克在獲得地球科學博士學位之前是一名職業工程師。他正在牽頭一系列相互關聯的研究項目和合作，目的是解決工程方面的諸多不確定性，這包括他桌上那些可用于地球工程初始階段的飛機概念渲染圖。

弗蘭克認為，再多的計算機模擬也回答不了這個領域剩下的大問題，包括最讓人擔心的那個“噩夢”——萬一出了問題會怎樣。

“我個人懷疑更多的模型開發或更多的模擬能讓人滿意地解決這些問題，”他說，“所以我對繼續跑模型沒太大興趣。”

在弗蘭克看來，該走下一步了：“我們想搞清楚的是，如果你真的要做這件事，具體該怎么做。”

我們不知道的有多少

太陽能地球工程經常被描繪成一種便宜又簡單的氣候變化解決方案。但研究者越深入細節，就發現越多的不確定性、缺失的工具和尚未建設的基礎設施。

這些未必是無法克服的障礙，但要實施哪怕是最初階段的太陽能地球工程，我們都需要時間和資金來開發必要的組件。這些研究的核心不是要真的啟動什么行動，而是搞清楚啟動需要什么條件。

舊金山一家年輕的非營利組織 Reflective 最近跟該領域的科學家合作，試圖弄清楚我們到底還有多少不知道的。

這個過程從勾畫一個場景開始。Reflective 匯集捐款資助地球工程研究，它描述了一個“管理良好、規模適中”的場景：2035 年某個國家或國家聯盟啟動小規模地球工程部署，在南北兩極附近各噴灑等量的二氧化硫或硫化氫——這兩種氣體在平流層中應該會轉化為反光氣溶膠。初始階段釋放的材料量足以使氣溫降低約 0.1°C，削掉工業時代以來約 1.4°C 全球升溫中的一小部分。

南北兩極在這個和其他早期地球工程方案中占據重要位置，原因很簡單：平流層在極地最低只有 7 公里高，而赤道附近是 18 到 20 公里。這意味著更容易到達，現有飛機做一些改裝就能把大量載荷運上去。

但有一個問題：降溫效果在最南端和最北端緯度會更明顯。因為熱帶平流層的較高溫度基本上會阻止在兩極釋放的氣溶膠飄向赤道。所以只在兩極部署地球工程，對那些更熱、更窮、也更容易受氣候變化影響的熱帶國家來說效果會比較弱。

要均勻地、公平地給全球降溫，最終需要在更靠近赤道的地方也增加飛行。在 Reflective 的場景中，接下來十年左右項目會擴大規模，改用新型飛機在亞熱帶上空飛行，釋放足夠的材料實現 0.5°C 的全球降溫。

研究者接下來要回答的問題是：如果我們想執行這樣的方案，還需要做什么？

答案是：非常多。今年早些時候 Reflective 發布了它的 SAI 不確定性數據庫（SAI 是“平流層氣溶膠注入”的縮寫），列出了多種科學未知和六項工程障礙。

其中包括：搞清楚改裝現有飛機來執行項目初始階段的難度和費用。在極地部署還可能需要建新機場、開辟新的航運通道或鐵路來運輸物資，以及建設能處理原材料的設施，比如燃燒單質硫來生產二氧化硫。

我們還需要制造更多儀器，用氣球、無人機或其他飛行器送到平流層，觀測那里的基線化學成分、反射率和化合物分布，并追蹤新材料釋放后發生了什么變化。

最后，目前觀測平流層的主要衛星將在未來幾年退役。2025 年一篇發表在《美國氣象學會公報》上的論文警告說，這可能造成“即將到來的數據荒漠”。幾臺新儀器正在研發或已準備好發射，但在我們最需要清晰了解基線狀況的時候，觀測可能出現空檔。

Reflective 的 CEO 達科塔·格魯納（Dakota Gruener）強調她們不是在鼓吹使用太陽能地球工程。但她認為現在就著手解決工程上的不確定性有必要——氣候模型里跑出來的方案建立在大量假設之上，只有把工程細節一個一個落實了，才能知道那些方案在現實中到底行不行。

格魯納認為，這件事也因為另一個原因很緊迫：解決所有這些未知可能需要很長時間，而氣候一直在變暖。“如果我們現在不給予足夠關注，到需要的時候可能措手不及。”格魯納告訴《麻省理工科技評論》。

2024 年發表在《地球的未來》（Earth's Future）期刊上的一項分析估算了開發初始部署所需的飛機和基礎設施可能有多貴、多耗時。研究探討了如果要在 2040 年前建成一個圍繞兩極運行、能讓最高和最低緯度降溫 2°C 的地球工程系統需要什么條件。結論是：至少需要十年的準備和 350 億美元的投資。

這項研究的第一作者、哈佛大學研究員韋克·史密斯（Wake Smith）也認為研究者現在就需要推進工程研究，因為隨著氣候變化越來越災難性，使用這項技術的沖動只會越來越強。

“我擔心的風險是在我們還沒理解它之前就需要用它，然后用得很糟，”他說，“我們越早開始，幾十年后就越能做出更好的決策——要不要做、怎么做、什么時候做。”

一種新型飛機

弗蘭克桌上那架飛機目前還只是概念設計，滿載時可以剛好飛到熱帶平流層的門檻以上。270 架這樣的飛機組成的機隊每年可以散布約 100 萬噸材料，足以讓全球地表溫度降低約 0.26°C。

CSEi 把設計工作外包給了知名航空工程師和企業家約翰·蘭福德（John Langford）。蘭福德的公司 Electra.aero 此前跟 MIT 航空航天系合作開發過自主的太陽能動力飛機，可以在平流層執行長時間科學任務。目前，他正在分拆出一家新公司 Iris Aero 來生產這些飛機——由一整塊連續機翼覆蓋太陽能板、懸掛在一個微型機身上方。

蘭福德預計這種太陽能飛機最初的商業用途是野火監測和預報，但換一套儀器就可以用來監測散布到平流層的材料怎樣改變了那里的條件。

為地球工程設計的新型飛機是觀測飛機的變體，增加了攜帶材料到平流層并釋放它們所需的空間和推力。它的翼展更大，太陽能板換成了兩臺勞斯萊斯 AE 3007 發動機。飛機還包括一個可拆卸的儲罐，功能類似半掛卡車的拖車。這樣可以在兩次飛行之間裝載材料，也能防止某些有腐蝕性的材料損壞飛機本身，蘭福德說。

他說他和團隊已經完成了初步設計，正在做更詳細的工程分析和成本分析，完成后打算公開發表。“我們很想造一架原型機，覺得可以比較快地做到，”蘭福德說，“但一切取決于大衛的團隊想怎么做。”

這個項目

大衛·基思的團隊 CSEi 還在組建中。

芝加哥大學 2024 年發布了這個研究倡議，承諾增聘 10 名教職人員來推進對各種地球工程形式的科學理解，以及探討政策、倫理和治理方面的棘手問題，截至發稿時已聘用了兩位。

芝加哥大學看到了在一個沒有得到足夠學術關注、但有潛力應對氣候變化危險的領域中帶頭的機會，氣候經濟學家、大學氣候與可持續增長研究所創始主任邁克爾·格林斯通（Michael Greenstone）說。

“整體而言，大學界在地球工程的技術、社會、政治乃至人文層面沒有做充分研究，這是學術上的失職。”格林斯通說。他幫忙把基思招了過來領導這個項目。

62 歲的基思此前在哈佛當了近 13 年的應用物理和公共政策教授，創建了哈佛的太陽能地球工程研究項目。更廣為人知的是他曾努力推動可能是第一個在平流層釋放材料的太陽能地球工程實驗 SCoPEx。但在多年的工作和多次延遲之后，研究團隊在 2024 年初最終放棄了這個項目——環保和原住民團體的批評不斷升級，瑞典政府最終也介入干預。

基思長期主張研究者應該認真研究地球工程，因為它可能大幅減少氣候變化的危險，減少大規模的死亡、破壞和苦難。他說，芝加哥項目的總目標是通過匯集“足夠多的獨立教授和研究專業人員”來“圍繞氣候工程這個廣泛領域建立一個學術共同體”，從而擴大這個領域。

“芝加哥大學是第一所認真嘗試把這個方向建設成一個學科的大型大學，讓它不再圍繞一個人轉，”他告訴我，“這是一個巨大的承諾。”

基思本人已經成了一個兩極分化的人物，在某些人看來就是地球工程的代言人。他說自己現在想幫助建立一個更大的、可持續的研究項目，一個在他離開之后仍然存在的項目。他跟行政層說他領導這個項目不應該超過五年。

“代際交接很重要，”他說，“我真的覺得這不能變成‘大衛·基思個人秀’。”

CSEi 的研究者正在探索 Reflective 分析中列出的幾乎所有工程挑戰。除了新型飛機和原位觀測的工作之外，團隊還在設計配備了專為觀測平流層優化的光學傳感器的小型“立方體”衛星。他們也在研究什么材料運到平流層最實際，以及怎么釋放效果最好。

目標是“產生可以被獨立評估、批判性評估的公開信息，讓決策者更好地了解什么是可能的、什么是不可能的。”基思說。

把一個危險的想法正常化

圍繞太陽能地球工程的爭論正在迅速超越學術和理論層面，少數初創公司已經開始測試有朝一日可能用來給地球降溫的技術。

但在批評者看來，太陽能地球工程是技術至上主義的極端表現——用一塊高科技創可貼貼在一場由早期技術造成的全球危機上，而不是解決根本原因。他們還認為不可能以全球公平的方式部署或治理它，因為任何使用都會對某些地區比其他地區更有利。

即使太陽能地球工程成功地把全球平均溫度降低了 1°C 左右，對不同地區的意義也完全不同：它可能讓美國大部分地區和世界溫帶地區的農民繼續繁榮、城市保持安全。但降低后的溫度對俄羅斯來說可能太冷了，不利于提高農業產出；對北非來說則可能仍然太熱，無法維持自給自足的農業。一些研究還表明高強度的太陽能地球工程可能在某些地區制造新的危險——改變季風降雨、降低農業產出、改變傳染病的分布范圍等等。

這些復雜性帶來了一長串棘手的、充滿分歧的倫理問題。即使太陽能地球工程讓地球上大部分地區的狀況比不加控制的氣候變化好，但如果它同時在少數地區引發了致命的饑荒或洪水，這還可以接受嗎？應該需要什么樣的全球共識才能決定啟動它？我們又該怎么決定把地球溫度設在哪里——以及什么時候（如果有那一天的話）關掉這項技術？

斯蒂芬斯認為答案跟世界上很多事情一樣，最終取決于財富和權力。擁有部署這種系統的資源的國家、企業甚至富有個人，會有一切動機把它調到對自己最有利的狀態，不管對其他人意味著什么。

“決定何時部署、怎么部署、誰受益、誰倒霉的一定是那些擁有大量財富和權力的人，”她說，“這就是我認為這項技術的任何進步都很危險的根本原因。”

環境研究者和政治學家鄧肯·麥克拉倫（Duncan McLaren）認為，研究轉入實際工程設計意味著這個領域需要更多的監督。

他解釋說，對于 SCoPEx 這樣的戶外實驗，很多批評者主要擔心的不是環境或安全風險（那些風險很小），而是把這個概念“正常化”會減輕減排的壓力。

他說任何研究進展都有類似的風險，不管發生在論文上、實驗室里還是平流層中。風險在于：化石燃料行業和其他商業利益集團會借此宣稱“有更簡單的方案正在開發，不用大規模改造能源系統”，給減排行動泄勁。今年 3 月德克薩斯保守聯盟研究所發布的一份政策報告就在推進這個論點，拿太陽能地球工程遠低于“強制轉型”的“驚人成本”來說事。

鑒于這種所謂的道德風險，設計和工程工作應該跟戶外實驗受到同等程度的科學監管——包括倫理審查、風險評估和公眾參與，麥克拉倫說。“要求應該更嚴格，研究者說要做這類工作應該面臨更多的門檻。”

“倫理上的下一步”

基思對此強烈反對，他譴責“應該管制不會造成任何物理風險的開放學術研究”這種想法是“根本上反自由的”。

“太陽能地球工程確實有復雜的、潛在危險的政治后果，但很多其他新興思想和技術也是如此，”他在郵件中說，“應對這些挑戰的最好機會是公開自由地辯論。”

基思完全贊成讓太陽能地球工程技術留在公共領域，也同意氣候防御的第一道防線必須是快速深度減排。但全球在削減碳排放上幾乎沒有進展，二氧化碳在大氣中可以存留幾千年，地球正在快速升溫。所以他認為我們可能需要采取其他措施來緩解日益增長的威脅。鑒于這項技術的潛在前景，限制該領域研究的門檻應該“非常高”，他說。

在訪問了孟加拉國被洪水摧毀的村莊之后，基思在一部記錄他工作的紀錄片《文明的 C 計劃》中接受采訪時強調了這一點。“我認為人們必須走出倫理上的下一步，”他說，“因為如果你真的要阻擋人們獲取和了解一項有可能拯救大量生命的技術，你得非常確信這項技術會被濫用。”

微粒

芝加哥大學助理教授 Mingyi Wang 是一位研究氣溶膠如何形成的大氣科學家，現在正在探索什么材料對降溫最有效。

他帶我走過走廊，來到亨利·海因茲地球物理科學實驗室的一間方形白色實驗室。他拉開門口一臺灰色海爾生物醫學冰柜的門，露出里面一根垂直懸掛、底部漸細的透明流管。這是一個微型平流層——冷卻到零下 50°C 以下，充滿了你在我們頭頂 20 公里處會發現的同樣的氧氣、氮氣和其他空氣分子。一系列特氟龍和不銹鋼管道通入這個容器，讓 Mingyi Wang 和團隊可以加入各種氣體或微粒，觀察它們如何反應。

大多數太陽能地球工程的模型實驗研究的是向平流層添加硫酸的效果，因為火山噴發后最終到達那里的就是硫酸。

但把硫酸直接運上去釋放既貴又麻煩，因為它又重又黏。所以 Mingyi Wang 和團隊正在那根冰冷的流管中做實驗，看什么物質——包括硫酸的前體——最能產生理想尺寸的反光氣溶膠，以及怎么防止材料跟已有的微粒結團后從平流層掉下來。

基思稱 Mingyi Wang 是“年輕的明星”。Mingyi Wang 已經找到了一個新穎的解決方案，但還沒準備好公開全部細節。他和團隊正把實驗結果輸入他們開發的平流層羽流計算機模擬中。這些模擬又可以嵌入大規模氣候模型，改善它們對小尺度效應的模擬——從而加深我們對平流層化學過程的理解。

Mingyi Wang 說做這種細致的研究很重要，因為氣候模型以前都是直接假設你最終能得到正確尺寸的正確氣溶膠。

“從科學上我們也許理解得還不錯，但從工程角度——我們真的知道怎么正確地做嗎？”他問，“這是一個大問題。”

接下來會怎樣

開始報道 CSEi 的時候，我以為一些工程和設計工作會催生新的平流層實驗提案，接上 SCoPEx 中斷的地方。

但基思堅持說他對重溫那段經歷沒有興趣。SCoPEx 成了圍繞太陽能地球工程的更廣泛社會爭論的焦點，承受了太大的壓力。他也不認為該倡議中的其他“實踐工程”工作在現階段會指向野外實驗。

很多工作其實著眼的是更遠的一步：探索如果某個國家或國家聯盟最終決定啟動地球工程，需要做哪些準備。弗蘭克指出我們已經有氣球和其他飛行器能到達平流層的下沿，釋放實驗量的二氧化硫之類的材料。

“我們現在的想法是：我們在開發工具，以備將來有人想開始做平流層氣溶膠注入。”他說。

他和基思都趕緊補充說研究團隊不打算實際建造部署太陽能地球工程所需的硬件——甚至包括蘭福德公司正在設計的飛機也不造。

事實上，芝加哥大學的大多數研究者都強調他們不是在主張使用地球工程，他們做研究是為了向公眾和決策者提供關于收益和風險的信息。但在密切研究這個話題幾十年之后，至少基思本人的想法已經發生了變化，他的公開發言也反映了這一點。

“作為科學家，我認為證據表明，早期部署——謹慎的、南北半球平衡的、緩慢的、受監測的早期部署——收益大于風險，”他說，“我認為這方面的證據非常強。”基思還說如果有一場關于是否開始的全球公投，他會投贊成票。

“我覺得這個領域需要不再羞于說‘部署’這個詞了。”他說。

https://www.technologyreview.com/2026/06/17/1138743/hacking-atmosphere-geoengineering-reality-check/