李忠东

“调暗”阳光给地球降温

构建“人造遮阳毯”

今年上半年，美国哈佛大学和耶鲁大学的科学家计划进行一个名为 “平流层控制扰动实验”（SCoPEx）的项目，通过暂时“调暗”太阳光来抑制全球变暖。第一阶段耗资300万美元，在美国西南部上空20公里处进行两次可操纵高空气球飞行试验，到达指定位置之后将释放出少量看起来像粉笔灰一样的碳酸钙气溶胶羽流，每次约100克，大致相当于一瓶普通的现成抗酸剂中的含量。这些物质一旦释放出化学有效载荷，将在空中迅速运动起来，扩散到直径约100米的扰动空气团中，最终形成像毯子一样的形状。科学家把这种形状称为“人造遮阳毯”。气球将在云层中反复飞行约24小时，分析粒子在天空中的行为和演化，测试平流层控制扰动效果。

全球气候变暖最主要的表现就是地球温度升高，研究团队希望通过在近20公里的高空中喷洒大量二氧化硫颗粒到地球的平流层，将太阳的一部分光线反射回太空，从而遏制全球变暖，将温室效应减少一半。在许多方面，平流层是一个理想的地方，使大气更具反射性。在那里注入的二氧化硫顆粒可以在全球范围内扩散并停留于高处两年或更长时间。如果能够有策略、有规律地把它们放在两个半球上，则可形成一个相对均匀且完整的“毯子”，盖住整个地球。

研究人员指出，SCoPEx与大型火山爆发产生的“火山冬天”有异曲同工之处。“火山冬天”是指大规模火山喷发之后产生的大气温度异常降低的现象。大规模、长时间、持续的布里尼喷发柱可以把大量的火山灰与火山气体输送到平流层，并且喷发物质能够在平流层中长时间搬运，这一过程中会强烈地阻挡本应辐射到地球表面的太阳光线，这样就使地球表面的温度明显降低几摄氏度到几十摄氏度，故称为“火山冬天”。

1991年6月15日菲律宾皮纳图博火山的爆炸式大喷发是20世纪世界上最大的火山喷发之一，喷出了大量火山灰和火山碎屑流。根据卫星监测，火山爆发后气溶胶经过3周环绕了整个热带地区，并迅速向两极扩散，到1992 年年中已覆盖地球表面。火山喷发使山峰的高度降低了约300米，并向平流层中喷射了2000万吨二氧化硫，从地球表面约10—50公里处延伸。进入平流层的二氧化硫减少了地球上10%的阳光，在18个月内降温0.5摄氏度，导致地球进入了两年的火山冬天，平均温度恢复到蒸汽机诞生之前的水平。

为降温做贡献

这项地球工程技术将在未来15年内完成，研发成本预计35亿美元，其中大部分资金用于建造能将大罐气溶胶喷射到平流层的飞机，它的巡航高度约是波音747的两倍。另外，每年的运营成本约为22.5亿美元。研究团队成员、耶鲁大学讲师威克·史密斯指出，该项目的关健在于把二氧化硫排放到足够高的地方并使其停留在那里，如果能到达平流层，就可以在高处停留一年至一年半。尽管如此，给地球降温与扭转气候变化趋势并非同一回事，降温无法逆转气候变化，整个地球将继续变暖，但变暖速度会显著减缓。

美国加州大学圣地亚哥分校的气候变化和应对政策专家凯特·里克教授表示，实验合情合理，绝对是一项有益的贡献，因为它证实了一个观点：要想获得相同的全球温度效应，平流层工程将比减排便宜得多。但他同时指出一些需要认真思考的问题，比如平流层化学方面的问题，硫如何与大气中的其他化学物质相互作用？这类计划会产生什么样的局部效应？对臭氧层会产生何种影响？个别地区的农业或水系统如何应对阳光的突然变化？公众将如何反应？……

“大幅降低现有的碳排放水平仍然是人类应对气候变化的第一反应，因为这是我们热捕集问题的根本原因，而太阳能地球工程无法帮助解决其他相关问题，如海洋酸化。”研究团队成员、应用物理学家大卫·基思坦承，“太阳能地球工程是一种补充，最终我们还是需要减少排放。”

一些学者和环保人士认为，“平流层控制扰动实验”可能给全球气候带来巨大影响，而且还有很多意想不到的副作用需要考虑。有人担心喷洒颗粒会破坏臭氧层，扰乱降雨模式，在一些地区造成干旱和饥荒。有人提出这项技术虽然可能会推迟全球变暖，但也可能改变气候模式，尤其是热带地区的气候模式，给一些国家带来灾难性后果。

马萨诸塞州剑桥市关注科学家联盟的首席气候科学家彼得·弗卢姆霍夫指出：“SCoPEx是第一个走出大门的，并引发了关于独立指导、建议和监督应该是什么样的重要对话。这样一个框架可以为未来的实验铺平道路，甚至比这一测试的结果更重要，正确完成任务远比快速完成任务更重要。”

“针对地球生物多样性和生态系统的评估报告”问世

生物多样性破坏严重

今年5月，一项为期3年、耗资240万美元的“针对地球生物多样性和生态系统的评估报告”将首次公开发表。这份报告通过评估50年来物种灭绝和海洋保护区范围等指标的趋势，预测地球上物种的未来，为2020年的下一代生物多样性目标提供信息，为实现生物多样性保护的国际目标指明方向。为此，来自50个国家的专家参加了政府间生物多样性和生态系统服务科学政策平台（IPBES）主持下进行的科学文献和政府数据审查。

美国《科学》杂志上的一份研究报告称，陆地表面约58%的地区物种“完整性”已经降至安全界限以下。45%的森林已经被砍伐，其中大多发生在过去的100年间。全球20%的珊瑚礁已遭到无法逆转的严重破坏，还有50%也接近崩溃边缘。这主要是农业用地、道路与城市发展持续扩充所致。许多决策者最担心的是经济衰退，殊不知生态系统衰退很可能带来更为严重的后果。如果不解决这个问题，未来几年将有34000种作物和5200种植物物种灭绝。这是继650万年前恐龙灭绝后最大的一场生物多样性危机。我们人类的污染以及破坏物种的自然栖息地 （生态系统），直接导致了这样的恶果。

破坏生物多样性的主要因素，一是全球气候变化。由于臭氧的耗损，较薄的臭氧层使更多的紫外辐射（UV—B）到达地球表面。大气中的臭氧层总量减少1%，到达地面的太阳紫外线就会增加2%。这一方面直接危害人体健康，另一方面还对生态环境和农、林、牧、渔业造成严重破坏。二是生境丧失和破碎化。森林砍伐、农业开垦、水和空气污染等导致适宜于野生动物栖息的场所面积大大缩减，从而直接导致物种地区性灭绝或数量急剧下降。三是外来物种入侵。如果它们脱离了人为控制逸为野生，在适宜的气候、土壤、水分及传播条件下，极易大肆扩散蔓延，形成大面积单优群落，危及本地动植物尤其是濒危动植物的生存，造成生物多样性的丧失。四是对食物、能源和其他自然资源需求的不断增加，造成乱砍滥伐、过度放牧，不合理的围湖造田、沼泽开垦以及水土资源的过度利用。五是滥捕乱猎、掠夺式捕杀利用，导致世界范围内几乎所有的大型哺乳动物（如鲸、鹿、犀牛、野牛、麝、熊、狼、藏羚羊、穿山甲等）的数量下降。野生老虎的数量从100年前的10万头急剧下降至今天的不足5000头。人迹罕见的亞马孙河流域，野生动物的种群数量在重度捕猎区域平均降低了81%。

为制定保护目标提供依据

为了更好地开展生物多样性和生态系统服务领域的评估，为政府决策提供依据和参考，联合国环境规划署2012年主导成立了IPBES。成立7年来，IPBES已发布了针对非洲、亚洲和太平洋、欧洲、中亚、美洲等地区的七份主要评估报告，目前正在组织编写的新的评估报告在价值理念、评估理论、方法和模型等方面均有所突破，具有里程碑的意义。全球评估围绕自然系统及其对人类福祉的贡献，揭示全球生物多样性和生态系统服务的现状和变化趋势，并充分运用多种模型和情景分析工具，预测不同政策情景下实现未来可持续发展的方法和途径，从而为全球决策制定及实现生物多样性保护目标提供依据。

2018年8月，IPBES第三次作者会议在德国法兰克福召开，150余位专家学者出席。会议对各国政府和其他利益攸关方所提出的万余条意见进行了审议。根据IPBES的工作进程，新的评估报告及其决策者摘要将于今年5月召开的IPBES第七次全体会议上审议通过后对外公布。

在非洲放飞抗疟转基因蚊子

“基因驱动”抗疟计划

非营利组织“向疟疾宣战”正在将开发的基因驱动方法应用于野生蚊子种群中。作为使用基因驱动技术对抗疟疾战略计划的第一步，今年该组织将在布基纳法索西部一个名叫巴纳的村庄释放第一批近1万只经基因绝育的雄蚊，它们是从会传播导致疟疾寄生虫的按蚊家族中培育的第一批转基因蚊子。

布基纳法索位于非洲西部沃尔特河上游，2017年发生了980万例疟疾，造成近4000人丧生。这次行动是该内陆国计划大幅减少蚊子数量并借此抗击疟疾项目采取的重要措施。至于释放蚊子的准确时间，取决于科学家将足够的转基因蚊子培育成年的速度，以及当地的天气条件。

根据计划，放蚊地点临近科学家的研究实验室，研究人员希望收集到有关蚊子寿命和分布的更多数据，以及它们同天然蚊子相互影响的情况，从中获得操作经验，更好地向监管机构和社区成员介绍转基因蚊子这一概念。科学家将对其密切监控10天，然后在接下来的一年里每月监控一次，希望能向监管部门呈现预期的结果。

全世界约有3500种蚊子，其中40种可携带疟疾。蚊子传播疟疾的方式相当“高效”：如果被雌蚊吸血的动物携带疟原虫，蚊子就会染上，下一次再吸血的时候，就会传送到被叮动物的血液中。单细胞寄生虫携带的病毒通过吸血的雌蚊在人与人之间传播，引起的脑血管水肿、肺部液体潴留、肝肾胰脏器官衰竭、贫血和低血糖等疟疾并发症都可危及患者生命。据世界卫生组织发布的数据表明，2016年全球约有2.16亿疟疾病例，约60万患者死亡，其中大多数是5岁以下儿童。在撒哈拉沙漠以南的非洲，每30秒就有一个孩童死于疟疾。如果转基因蚊子能够预防疟疾，那将成为全球公共健康领域的热门新闻。

在研究蚊子和疟原虫的医学专家中，有三人获得过诺贝尔生理与医学奖：法国医生夏尔·路易·阿方斯·拉韦朗因发现疟原虫于1907年获奖；英国军医罗纳德·罗斯证实按蚊是疟疾的传播媒介，于1902年获奖；中国医学科学院屠呦呦成功创制抗疟药青蒿素和双氢青蒿素，于2015年获奖。

转基因蚊子与野生蚊子的较量

利用转基因蚊子帮助消灭疟疾的想法酝酿已久。从理论上讲，如果创造出一种更强壮的、不传播疟原虫的蚊子，然后将成千上万的此类蚊子释放到野外，它们最终将替代那些能够传播疟疾的蚊子。激活某一基因，让蚊子对特定的疟原虫产生免疫力，并使其失去携带这种病原体的能力，这样的技术并不算困难。在实验室里，科学家们开启了蚊子肠胃里控制SM1肽的基因，SM1肽可以阻止蚊子体内疟原虫的发育。然而这样的转基因蚊子似乎体质比较弱，因此不能最终在自然环境中赢得这场生存游戏。

伦敦帝国理工学院的研究人员利用基因驱动技术来传播基因改造，取得重大突破。这种技术可以阻止雌性蚊子繁殖，同时让雄性蚊子继续传播这些改造后的基因。该团队在实验室中发现，转基因蚊子在11代内消灭了冈比亚按蚊（该蚊群在非洲撒哈拉以南传播疟疾）。在九个产卵周期之后，转基因蚊子和野生蚊子的比例变成70：30，转基因蚊子的生存力慢慢胜过了野生蚊子。研究人员认为，虽然转基因蚊子相比野生蚊子体弱，但由于病原体不能在其体内发育，所以反而获得了生存优势，并且比感染了疟疾的普通蚊子产下更多的卵。

培育基因驱动蚊子的项目分为三个阶段，这个实验是第一步，获得了7000萬美元的资助。该研究的主要资助者——比尔及梅林达·盖茨基金会（其创立者为比尔·盖茨夫妇）近20年来一直致力于根除疟疾项目，并为此筹款约20亿美元，其中已投入近1亿美元用于基因驱动技术的开发。

“这一突破表明，基因驱动能够发挥作用，为对抗已经困扰人类几百年的疾病提供了希望。”伦敦帝国理工学院研究团队负责人、生命科学教授安德烈·亚克里斯蒂安表示，“基因驱动技术有可能克服资源贫乏国家的物流障碍，从而加速消灭疟疾。”

此前，这类“友好”的蚊子也曾被释放到野外，以帮助杀灭可携带寨卡、登革热和黄热病病毒的伊蚊。巴西、开曼群岛、巴拿马和印度等地区都释放过这种基因改造的蚊子，一些地方的确成功减少了90%左右的伊蚊数量。

然而并非所有人都对上述做法表示支持，环保组织“地球之友”就怀疑这些实验室制造的生物将会影响地球生态系统的平衡，而这种平衡是极其脆弱的。

聚焦极地冰层，应对地球变暖

观测北极气候变化

为了研究不断变暖的地球的未来，今年将有两个大型国际科研团队分别远征北极和南极，聚焦极地冰层。其中“北极气候研究多学科漂移观测站”（MOSAIC）项目耗资1.2亿欧元，由国际北极科学委员会提出，参与的科研人员来自中国、德国、美国、俄罗斯和瑞典等17个国家。他们计划依托德国破冰船“RV极星号”和冰浮标观测体系，在北冰洋中央区开展为期一整年的漂流和观测，以洞悉北极如何向无冰的夏季转变，从而更好地为北冰洋中央区的气候过程模拟积累关键数据，更深入地了解北冰洋气候变化和海冰减少对全球的影响，提高天气和气候预测精度。

中国将派“雪龙”船参与“RV极星号”的油料补给并参与联合考察，贡献20多套各型海冰浮标，派遣有丰富现场作业经验的科研人员上“RV极星号”破冰船参与大气、海冰、生物地球化学和生态等多领域的现场考察以及大气和生态模式等研究，为该项目的实施做出重要贡献。

“RV极星号”将于今年9月离开挪威，航行至西伯利亚群岛和北地群岛北部。如果一切都按照计划进行，破冰船将从那里驶进北极秋季的海冰中。随着风和洋流驱动冰块漂向北极中部，最终进入格陵兰海，并在海冰中停留12个月，直至2020年10月。大多数通过北极的船只都会避免卡在海冰中，而“RV极星号”则不然，它进行的是一次非常规旅行。然而，它并非第一个尝试者。1893年，挪威极地探险家弗兰蒂霍夫·南森故意将他的“弗拉斯号”船冻结在海冰中。这是一只专门为极地探险设计的船舶，南森的妻子伊娃将该船命名为“弗拉斯号”，挪威语中含“前进”之意。虽然南森借冰块的漂浮将自己的船带到北极点的愿望未能实现，但这次航行比之前记录的任何航程都要远。为了跟踪海冰的变化，对北极进行研究，挪威研究机构2015年有意地将一艘名为“兰斯号”的研究船冻结在海冰中，度过了从冬季到春季的5个月。而这次，“RV极星号”在北极停留的时间将翻倍。

MOSAIC国际科研团队希望用这艘破冰船作为基地，研究漂流的冰、湍急的洋流、泛蓝的大气以及其间的生物和北极环境，揭开其中的未知之谜。例如，关于北极生态系统，科学家怀疑北冰洋可能是一个碳汇处，也就是说浮游植物通过光合作用吸收二氧化碳，似乎会消耗掉更多的温室气体；但是弄不清楚这些小生物如何在北极的漫长极夜中生存下去，也不知道北极的生命是否会受到黑暗或营养不足的限制。这些问题的答案最终将有助于解释北极海洋将如何保持吸收碳的能力，或者说是否有一天北极开始将二氧化碳释放到大气中？再如北极的天气情况，研究人员不明白风掠过海面时是否会使海冰温度更低？洋流是否可以分解海冰？而通过MOSAIC项目收集的数据来完善北极天气模型，不但有益于未来几十年北极的开发，而且对世界其他地区也非常重要。最近的研究表明，北极气候变化影响到美国农作物的生长期。

MOSAIC项目的研究人员计划在北冰洋打造一个全方位的传感器网络，在各层空间中摆放一组传感器，使用天气气球来监测大气，配备电磁传感器来测量冰的厚度，同时在海水中也将放置传感器。

“在北极从事科考工作的最大困难是抵达并坚守。每年的11月到转年的2月通常是无人访问的月份，研究人员往往取道俄罗斯在北极附近设立的巴尼欧营地进入北极中心，而‘RV极星号破冰船将直接跨过这一点。”该项目负责人、海洋研究学家本杰明·拉贝指出，“当然，整个MOSAIC每隔两个月都需要附近的国家通过飞机或破冰船帮助运送科学家和物资。”

研究发现，到达北极中心似乎会越来越容易——预计今年北极的海冰量将是有史以来最少的。如果碳排放以目前的速度继续下去，在“弗拉斯号”旅程之后的150年，也就是2043年，北极夏季的海冰将不复存在。

研究南极思韦茨冰川

另一个项目是研究“末日冰川”，以解决冰川问题和海平面上升的巨大威胁。美国国家科学基金会和英国自然环境研究委员会将在未来数年内共同完成部署到南极洲思韦茨冰川的六个实地任务，研究冰川上冰的结构、水和冰下陆地的情况，并且将由两个计算机建模项目支持，以处理来自这些任务的数据。

这个前所未有的美英联合项目定于2019年年底啟动，预计耗资5000万美元。通过飞机、破冰船、拖拉机、直升机和其他车辆，将联合科考团队的成员运送到偏远的思韦茨冰川，并在恶劣的环境中支持他们。大约有100名科学家以各种身份参与使用自动水下航行器、测震仪和贴在海豹上的传感器，用5年时间弄清楚这个冰川是否会在未来几十年内开始崩塌。

思韦茨冰川和松岛冰川是南极最大的两个冰川，阻挡着南极西南侧冰盖厚达3.2公里的冰块，防止它们流入海洋而造成全球海平面升高。西南侧冰盖是最后一纪冰河时期的遗迹，气候科学家们半个世纪以来一直将其视为人类文明上方的一把达摩克利斯之剑。思韦茨冰川位于阿蒙森海，高4000米，面积18000平方公里，几乎等于整个英国的国土面积，被科学家认为是预测全球海平面上升的关键。现在，该冰川面临着海洋变暖带来的极大不稳定，自20世纪70年代以来出现了明显的缩退。尽管它的内部位于海平面两公里以下，但底部在海岸边缘的部分已经非常浅了，从1992年到2011年，冰川的接地线的中心缩退了将近14公里，成为“南极冰盖的致命弱点”。由于漂浮的冰舌融化的加剧，思韦茨冰川一直加速变薄。分崩离析的冰舌可能会在不久的将来大大加速冰雪消融的速度，这个被称为“世界上最危险的冰川”一旦碎裂崩塌，后果不堪设想。因此，思韦茨冰川也被称为“末日冰川”。

马萨诸塞州阿默斯特大学的罗博·德孔托和宾夕法尼亚州立大学的戴维·波拉德在2017年《自然》杂志上发表了一项研究，首次将海洋冰盖不稳定性的最新研究纳入南极大陆模型。根据他们的模型，松岛冰川和思韦茨冰川20—50年之内会不可避免地崩塌，巨大的冰山将从南极倾泻到海洋里，造成全球海平面升高。

研究表明，到21世纪末，两个冰川的崩塌将造成海平面升高91厘米，美国的新奥尔良、纽约和迈阿密将发生更频繁的洪涝灾害，像马绍尔这样的太平洋岛国将丧失大部分领土。如果海平面升高183厘米，美国将有1200万人流离失所，上海、孟买和胡志明市等世界上最脆弱的大城市将可能从地图上被抹去。倘若全球海平面升高达3.35米，所有沿海城市都将被淹没，全世界将有数亿人失去居住地，飓风和洪水肆虐，人类文明将遭受重创。

“思韦茨冰川是计算机模拟研究预测南极可能使海平面上升速度加倍的焦点之一。对于下个世纪全球海平面的变化，这个冰川几乎是整个故事的关键所在。”纽约大学地球科学家大卫·霍兰指出，“这个冰川位于极其偏远的地区，而决定冰川退缩速度的关键地区——海洋、冰和基岩在2600英尺深处相遇的‘接地线 ——仍然很少被研究，可以说它是人类探索地球最困难的地方之一。”

2018年5月23日，美国宇航局用于测量冰层厚度和质量的“重力恢复与气候实验后续”卫星发射升空。它们将接替此前退役的两颗GRACE卫星，继续探测地球重力场变化。依据GRACE提供的数据，科学家观测到了南北极冰盖融化，喜马拉雅地区冰雪消融、海平面上升，以及全球范围内地下水储量的变化。2018年9月15日，用于探测极地冰的“冰、云和陆地高度卫星2号”（ICESat-2）升空，主要用于研究地球的极地冰层，探测极地冰。宇航局称，该卫星将通过内部装备的激光每日测量地球冰层的厚度（包括浮冰厚度）。上述卫星将传回大量数据，给聚焦极地冰层的两个国际科研团队提供巨大支持。