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    2020-07-12改变大气成分,是否可让地球冷却下来?&8211;地球工程 (

    「全球暖化」已经是一个超越科学的议题,不仅一般社会大众与政治人物纷纷提出各式因应之道,就连科学家也构想出许多大胆解决暖化的方法。这些藉由人为手段,有目的、大规模地改造地球环境的方法,就称为「地球工程」(geo-engineering) 方案。这些方案都是为了让地球冷却下来,其中包括:在太空放置大量的反光装置,以降低地球接受到的太阳辐射;将海水喷注到低层大气,形成水雾甚至进而蒸发气化,以求在海洋上空的对流层形成大量的云层来反射太阳辐射;将铁化合物倒入海中帮助浮游生物成长,以求透过浮游植物的生物泵(biological pump),吸收并减少大气中的二氧化碳;直接将要排放到大气中的二氧化碳捕获,并封存在不同的储存库,如矿场、地壳与海洋等,这种技术简称为碳捕捉与封存(Carbon Capture and Sequestration,CCS)。

    2009 年英国East Anglia大学Lenton与Vaughan对17种冷却地球的方案进行分析,评估的标準是计算辐射驱力 (radiative forcing) 的冷却潜力。这些方法中约有一半是跟改变大气层与地表面的反射率 (reflectivity) 有关,例如造云,或以塑胶片、白漆敷在沙漠、城市屋顶上等。另外则是改变地球的碳循环 (carbon cycle),以利二氧化碳的吸收,例如栽植林木、海中施肥以增加吸收二氧化碳的藻类、或开发从大气吸收二氧化碳并储存于地下的方法与机器。但最有效的是将硫酸盐注入平流层与在外太空设置反光镜两种方法,模拟结果显示它们都可在 2050 年前将地球的气候回到工业革命前的状态。姑且不论太空设置反射镜,因为需要极庞大的经费。那将硫酸盐注入平流层是否可行呢?

    1995 年因研究臭氧层而得诺贝尔奖的保罗‧库儒正 (Paul Crutzen),他在 2006 年 8 月的《气候变迁》(Climatic Change)  期刊上撰文呼吁大家要正视地球工程,提出了以人工方式在平流层注入硫酸盐微粒,以期能形成云来降低阳光的入射量,冷却日益发烧的地球。在自然界中已有实例可以支持他的观点,那就是  1991 年六月菲律宾吕宋岛的皮纳图波火山 (Mount Pinatubo) 爆发,将约一千七百万吨的二氧化硫送入平流层。这些含硫化物的悬浮微粒(aerosol)又随着大气的水平运动散布至全球各地,导致那一年量测到的北半球年均温下降了摄氏 0.5 至 0.6度,而全球年均温也降低了 0.4 度。所以他所提出的方法,不过是一种「人造的」火山作用,但这一论点却点燃了科学界的大论战。

    科学家估计,如果想要补偿21世纪预期增加的二氧化碳所带来的增温效应,我们每年必须注入一百万到五百万吨的硫酸盐到平流层。然而平流层多了这幺多的硫酸盐会不会有问题呢?除了降低大气温度外,会不会有其他副作用呢?以皮纳图波火山为例,其实际产生的影响十分複杂。当时的气候模式预测,由于地表的日照减少,这种火山爆发产生的硫酸盐雾会降低水的蒸发,进而导致全球降雨量减少。观测到的雨量确实减少了,但降幅远多于科学家的预期,且各地受到的影响并不一致,有些地方的雨量却不减反增。Trenberth和Dai 因此在 2007 年撰文阐述皮纳图波火山对水循环的影响时,提出了警告:如果地球工程方案贸然将硫酸盐注入平流层中,可能会为地球带来旱灾。

    另外一个可能的影响是会减缓臭氧层的修复,甚至让臭氧洞再度重现。在 1987 年签订蒙特娄公约后,臭氧洞的问题似乎现出一现曙光,然而为了要解决暖化的问题,所採取的硫酸盐注入平流层的地球工程方法,则让人们又要开始担心紫外线过量的问题。虽然硫酸盐不会直接摧毁臭氧,但是硫酸盐在低平流层所产生的异相化学作用,会形成许多氯分子,进而被活化、光解,开始摧毁臭氧分子,一如南极的极区平流云的作用。所以 Simone Tilmes 等人在 2008 年发表一篇文章探讨极区臭氧浓度变化与注入平流层的硫酸盐间的关係,主要是利用臭氧洞与氯分子活化间的经验式加上电脑模拟。结果发现如果依照规划的数量注射硫酸盐进入平流层,在未来的数十年间,北极极区的臭氧会减少 1/4 甚至到 3/4,南极的臭氧洞还需要 30-70 年来恢复,甚至更久。再者,注入的硫酸盐粒子的体积大小也会造成不同的模拟结果,体积越小,影响越大!但不管哪一种体积,都会带来更寒冷的冬天,这同时也会增强极区臭氧被摧毁的机会。

    或许诚如莎士比亚在《哈姆雷特》剧中所写的:To be, or not to be, that is the question. 正是我们在面对与解决全球暖化,所面临的两难处境吧!

     

    参考文献:
    宣大卫与范振晖,(2007),二氧化碳的捕获与封存。地质杂誌,26:2,中央地质调查所。
    Sourish Basu,姚若洁译,(2007),把铁加入海中可以抗暖化?科学人,69,11月号,远流。
    David Biello,周坤毅译,(2009),开始掩埋温室气体。科学人,94,12月号,远流。
    Crutzen, P.J. (2006). Albedo enhancement by stratospheric sulfur injections: a contribution to resolve a policy dilemma? Climatic Change, 77: 211–220.
    Trenberth, K. E., and A. Dai (2007), Effects of Mount Pinatubo volcanic eruption on the hydrological cycle as an analog of geoengineering, Geophys. Res. Lett., 34, L15702, doi:10.1029/2007GL030524.
    Simone Tilmes et al. (2008). The Sensitivity of Polar Ozone Depletion to Proposed Geoengineering Schemes, Science, 320: 1201-1204.
    Tim Lenton & Nem Vaughan (2009). The radiative forcing potential of different climate geoengineering options, Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 9: 2559-2608.