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平流层气溶胶注入:治理全球变暖的简单有效的方法?

来源:周书宇 浮空飞行器 作者:任业海 添加时间:2017-12-08 11:58

平流层气溶胶注入(SAI)是地球工程学上一种实施成本不算昂贵而且技术简单的方法。它利用高空气球或无人机将软管提升到平流层(输送气溶胶)或改造商用飞机使用的燃料会使气候发生变化,就类似于火山喷发。火山喷发后几年内会使该气候区内降温。
 
 
这种方法技术上简单,且比大多数其他推荐技术方法实施成本便宜100倍,它还为化石燃料在全球范围内转型寻找替代物提供了几十年的时间。 事实上这种简单的方法与其他方法一并存在,例如使用百分之十的海洋来生长海藻,气候世界末日并不会发生,但是还是要使用技术干预。我们应该放弃矿物燃料,但是那些要求发展中国家保持贫困(每年耗费数百万人的生命),或者要每个人推翻原有的生活,或者要破坏全球经济以使气候纯净,都是愚蠢的计划。
 
更详细的气候研究表明,平流层气溶胶注入(SAI)技术不仅可以降低地表温度,而且如果在全球范围内进行也可以减少热带气旋。然而,如果只在一个半球大规模进行平流层气溶胶注入(SAI)会导致另一半球的产生气流和其它问题。
 
科学家们已经提出了通过火箭、飞机和高空气球输送硫化物前驱气体如硫酸盐,硫化氢(H2S)或二氧化硫(SO2)。目前看来,这种已经提出的方法可以抵制大部分气候变化,快速生效,直接实施成本非常低,而且直接产生的气候效应是可逆的。
 
一项研究计算了每隔一到四年将硫酸盐颗粒或气溶胶注入平流层的影响,其数量相当于1991年皮纳图博山火山喷发,但没有涉及许多潜在太阳辐射管理在技术上和政治上的挑战。该研究得出结论,如果发现其在经济上、环境上和技术上是可行的,那么这种注入技术可能会提供长达20年的“缓冲期”,然后才需要大幅减少温室气体排放。
 
据估计,平流层中一公斤位置合适的硫化物大约可以抵消几十万公斤二氧化碳造成的变暖效应。
 
一些权威学术期刊都有相关报道。
 
自然通讯 - 半球太阳能地球工程对热带气旋频率的影响。
Nature Communications – Impacts of hemispheric solar geoengineering on tropical cyclone frequency.
现在还有其他更详细的地球工程模型,能够计算出需要多少二氧化硫,并大致放置在哪里应用,以实现期望的温度冷却。
地球物理研究杂志 - 完全耦合CESM1(WACCM)中对流层平流层硫酸盐气溶胶的辐射及化学反应
Journal of Geophysical Research – Radiative and chemical response to interactive stratospheric sulfate aerosols in fully coupled CESM1(WACCM)
 
与其他可能的太阳辐射管理手段相比这种方法的优势在于:
模拟一个自然过程:平流层硫气溶胶是由现有的自然过程(特别是火山爆发)产生的,其影响已经通过观测的方式进行了研究。这与其他更具推测性的不具有天然类似物的太阳辐射管理技术(例如太空遮阳)形成对比。
 
技术可行性:与其他提出的太阳辐射管理技术(例如海洋云彩增亮和空间遮阳)相比,所需要的许多技术已经成熟:化学制造,炮弹,高空飞机,高空气球等。
 
其成本比气候变化影响和大多数其他建议的减排成本低100倍:这种方法的低技术性使得评论者们认为它比其他许多干预措施的成本要低。成本不能完全客观地得出,因为在早期阶段价格只能进行粗略估算得出。然而,许多消息来源表明,相对于减排而言,这将是便宜的。 估计每年向海拔20至30公里提供500万吨反照率增强型气溶胶的成本为20至80亿美元。 预计每年交付的二氧化硫约500万吨,足以抵消下个世纪的预期变暖。二氧化硫可以在线购买,每吨只要500美元。相比之下,气候变化或减排的年度成本估算范围在2000亿美元到2万亿美元不等。
 
这将起到一定作用:大多数提出的太阳辐射管理技术对气候只能提供有限的干预—每种技术都不能使温度降低一定的量。Lenton和Vaughan的新研究表明,这种技术可能具有高辐射“强制潜力”(have a high radiative ‘forcing potential)。
 
方法
 
目前已经提出了多种技术来输送气溶胶前驱气体(H2S和SO2)。进入平流层所需要的高度是对流层层顶的高度,从极地11公里高度到赤道17公里高度不等。
 
客机可以在更高的海拔高度上使用低质量含硫燃料。这种方法会利用定期航班,并可使航空公司能够在长途航班上使用更便宜的燃料。由于硫的氧化物对嗅觉有强刺激性且有毒,所以在人口稠密地区需要使用单独的油箱供飞机起飞和着陆使用。这在许多航空公司可以毫不费力地实现,因为他们已经有了单独且可选择的机翼及机身油箱。
 
包括波音747-400、湾流G550/650和C-37A在内的民用飞机可以进行成本相对较低的改装,以提供足够的所需的燃料。
 
军用飞机,如F-15鹰的F15-C变体,具有必要的飞行上限,但有效载荷是有限的。KC-135Stratotanker和KC-10 Extender等军用加油机也具有必要的上限并具有更大的有效载荷能力。
 
改装火炮看起来具备可行性,但是需要一个有污染的且昂贵的火药部来装载有效载荷。磁轨炮(Railgun artillery)会是一个无污染的替代品。
 
高空气球可以用来将存放在箱罐、气囊或气球的蒙皮中的前驱气体提升到目标高度。气球也可以用来承载管道和软管,但从没有系留气球被部署到过如此的海拔高度。
 
 
浮空君评论:
 
   严格意义上讲,这种使用气球带输送管道将气溶胶输送的方法,实际上采用的是系留气球技术,这里面有很多工程问题。
 
 第一:系留气球从未升高到17km的高度过。据资料记载,法国人曾做过16km高度的系留气球的试验,这应该是目前飞得最高的系留气球了。
 
第二:因为它需要长长的气溶胶输送管道,所以它的系缆部分不但要承受拉力,还要有气溶胶流动的空间,这个在工程上也是前所未有的挑战。
 
当然这种方法并不新鲜,牛津大学的教授很早就提到过这样的概念(找不到链接了,随后补上吧),但是一直没有实质性进展。哈弗大学的教授提到过使用高空气球进行类似气溶胶输入的试验,在之前已经有过相关报道。 哈佛大学科学家的大气地球工程实验计划。
 
当然,地球科学工程有很多想法都饱受争议,反对者认为气候系统过于复杂尽量不要干预,这样做风险太高,而且有效性很难确认。所以本文只是描述一种使用浮空器进行科学研究的新方法,并不代表本号观点,至于该方法的有效性,还需要研究地球科学工程的科学家来证明。
 

(责任编辑:任业海)

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