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无惧谷歌气球失败前车之鉴?哈佛启动“太阳能地球工程”

2020-04-06

海外星云 2020年24期
关键词:平流层粒子气球

谷歌“互联网气球”LOON

Alphabet 子公司 Project Loon 的首席执行官 Alastair Westgarth 在 Medium 上发表文章《Saying goodbye to Loon》,宣告谷歌持续 10 年之久的“互联网气球 ”就此结束。

“谷歌气球 ”是一个气球,宽超过 12 英尺,一半充满了氦气,并携带无线网络信号收发器组成无线网络。气球放飞到大气平流层,会在 10km~20km 之间的高空漂浮,为地面提供互联网接入服务。如果项目成功,那么大气球可以为偏远山区的人们提供无线网络信号,也能在紧急灾难导致地面无线网信号中断时,及时提供无线网络信号。

且不说“互联网气球”项目周期长、面对的难题多、耗费的资金大,单单让大气球平稳待在平流层,进行旷日持久的漂流,就是一个复杂难题。不过项目组成功了,2019 年,“互联网大气球”在在平流层中飞行超过 4000 万公里。

令人遗憾的是,Alastair Westgarth 称 “互联网气球 ”项目因找不到适合的商业化途径而告终。正如他在博文中所说,“通往商业可行性的道路比预期的更长,风险更大。”

无独有偶,继谷歌向平流层发射大气球后,哈佛大学的科学家们计划今年夏天发射一个气球,测试在平流层进行第一次太阳能地球工程实验所需的设备。

但与谷歌“大气球”项目组相比,哈佛大学负责该实验的研究人员心里,多了几分犹豫。

向平流层发射大气球,为测验“太阳能地球工程”计划的可行性

在哈佛大学某实验室的一个长玻璃管里,有一个模拟平流层的微型模型,玻璃管被灰色绝缘材料包裹着。通过在特定的温度和压力下,在玻璃管内填充合适的气体,可以模拟离地球表面约 20 公里外平流层的环境。

研究团队通过测试各种化学物质在这稀薄的空气中的反应,希望对一个有争议的方案进行粗略测试,这个颇具争议的方案就是“太阳能地球工程”计划。

该计划通过向平流层喷洒微小粒子,将更多太阳热量反射回太空,以此应对气候变化。如何向平流层喷洒微小粒子呢?跟谷歌一样,向大气平流层放飞一个大气球,大气球内携带着计划喷洒的微小粒子。

那么问题来了:玻璃管能模拟 “平流层真正的样子吗?”就连“太阳能地球工程”计划的负责人、哈佛大学工程学、化学和大气科学教授 Keutsch 也对此表示质疑。事实上,这正是模拟实验的劣势,即便科学家试图考虑所有条件、所有可能存在的问题以及所有的可能性,模拟装置都无法与真的平流层一样。

如果玻璃管的模拟试验与真正大气平流层相差甚远,那就意味着,“太阳能地球工程 ”计划能够实施的可能性很小。正因此,研究团队希望将实验从模拟装置中转移到真正的平流层。他们希望执行一系列气球飞行任务来做相关试验,其中第一个气球飛行任务将在今夏从瑞典基律纳的 Esrange 航天中心发射。

首次飞行只评估飞行器的设备和软件在平流层中是否能正常工作,在平流层中温度可能会下降到 50 摄氏度以下,压力范围是海平面的十分之一到千分之一。在随后的发射中,研究人员希望释放少量可能散射阳光的粒子,通过在大气中散布粒子使光照减弱,并抵消温室气体排放导致的一些气候变暖来冷却地球。

灵感来源于火山喷发,反对声音纷至沓来

大规模释放粒子可能意味着弄乱地球的天气模式,而且效果是不可预测的,在某些地方,它们甚至可能引发灾难性变化。所以这个近乎科幻小说的大胆计划,有何科学原理呢?换言之,它有没有可参考的经验呢?

哈佛大学教授 Frank Keutsch,SCoPEx 首席研究员

1991 年,皮纳图博火山主火山喷发并排放出数百万吨二氧化硫,随后几年全球气温也被压低。有研究表明,燃煤电厂和船舶排放的二氧化硫也达到可测量的冷却效果。“太阳能地球工程”计划的事实依据也来源于此。

但批评声音认为,故意将其作为应对气候变化的措施是鲁莽的,甚至都不应该去考虑,更不必说做试验。

有研究发现,太阳能地球工程可显著改变降雨模式,并局域性地降低某些农作物的产量。另一方面,其他论文得出的结论是,只要以适当方式进行太阳能地球工程,对环境的负面影响就会很小。

但迄今为止,除了少数例外情况外,所有研究均在计算机模型或实验室中进行的。所以 Keutsch 他们认为其气球试验将是关键性的。

装有螺旋桨和传感器的气球

SCoPEx 实验的基本想法早在 2014 年就已提出,即发射一个装有螺旋桨和传感器的气球,在大约一公里长的羽流中释放两公斤亚微米大小的粒子。Keith 指出,这与一架商用客机每分钟产生的粒子数量相当。

然后,气球会转向并从相反方向缓慢曲折地穿过羽流,气球上的的传感器将测量粒子的分散范围,观测粒子如何与其他化合物相互作用,以及能反射的阳光。

所有试验结果都可反馈到计算机模型中,从而加深研究人员对喷撒数十万至数百万吨粒子的作用的理解。

在这一点上,该团队希望在未来几年内进行一系列飞行。最初,他们打算释放一种碳酸钙尘埃(粉笔的主要成分),但最终研究人员想要测试其他材料,包括硫酸(火山喷发释放出的二氧化硫的副产品)。

不过有人担心,即使是有限制的实验,也做得有些过界。美国大学碳清除法律与政策研究所的联合主任 Wil Burns 认为,在进行户外实验之前,应该尝试就社会是否可以使用这种工具达成某种全球共识。但对他而言,答案是否定的:试验的环境影响尚不得而知。而且治理这种工具的挑战是巨大的,一个国家可以独自进行太阳能地球工程,但所有其他国家都会受到影响。而且子孙后代可能被迫处理数百年的影响。他补充说,直到它完全部署,我们才能知道它在全球范围内的真正作用。从某种意义上说,我们会陷入干旱或其他危险,直到影响消退。

瑞典政府官员将在该国进行首次 SCoPEx 飞行,并由瑞典航天公司的负责人对此进行管理,一些环境团体和太阳能地球工程评论家呼吁瑞典政府官员阻止该实验。他们认为,研究本身并没有带来环境风险,但它却为危险而强大的工具创造了“走向标准化部署之路”。

瑞典绿色和平组织生物燃料观察组织联合其他组织写信称,太阳能地球工程技术“是一种有可能带来极端后果的技术,并且具有危险性,不可预测性和不可管理性。沒有合理的理由来测试从未使用过的危险技术。”

当事专家:更担心试验成功后可能带来的不良后果

面对外界的担忧和批评,该计划研究员 Keutsch 持认同态度,同时他也说出了自己的看法。

Keutsch 认为太阳能地球工程是解决气候变化的错误方法。他把它比作阿片类药物,虽然能缓解剧烈疼痛,但会导致上瘾等其他问题,而更安全、更有效的解决方案是迅速削减温室气体排放。

Keutsch 的担忧不仅限于试验成败,他更担心的是,试验成功后可能带来的不良后果。作为项目负责人,其认为太阳能地球工程实验可能会使这项技术的最终应用变得更有可能。

如果他的猜想是正确的,他担心的是,气候变化已经如此之久,而且很可能变得更具破坏性。一些绝望的国家可能会继续推进太阳能地球工程。哈佛大学早些时候的一项研究发现,开发和发射一组飞行器来完成这项工作,每年的成本仅为 20 亿美元,这是许多国家的经济能力都能承受的。

那么,该试验所取得的技术,可能是唯一能在一个某领导人政治任期内真正改变全球气温的工具,它可能会成为遭受致命热浪、干旱、饥荒、火灾或洪水的国家的诱人选择。

因此,Keutsch 说:“在没有充分研究的情况下使用它将是‘非常危险的,这是一个非常可怕的概念,而且会出差错。但与此同时,我认为更好地了解可能存在的风险是非常重要的,如果有一种材料可以显著降低风险,我认为我们应该了解它。”

试验会带来的后果不得而知

Keutsch 研究小组已经进行了计算机模拟,如探索从设备中释放出来的粒子如何消散到空气中。如果真的开始测试,他们应该能够更精确地测量碳酸钙或硫酸的粒子是如何分散或聚集在一起的。这是对这些物质在太阳能地球工程中发挥多大作用的关键测试。如果粒子太大,它们会很快从平流层中下沉,研究团队需要更多的物质来散射同等数量的阳光。

另一个关键问题是,这些粒子如何与平流层中的其他化学物质发生反应 —— 尤其是碳酸钙,因为在平流层中,这种反应并不是自然发生的。

最终,该小组选择碳酸钙作为测试粒子。正如 Keutsch 所说:“硫酸盐会吞噬保护性臭氧层,并且虽然它们对地球表面有冷却作用,但它们会使平流层变暖。这可能会以难以预料的方式引起天气变化,我们的模型无法很好预测这种干扰地球系统的方式。”

但 Keutsch 又说:“碳酸钙也有其自身的未知数。在玻璃管中进行的那些实验发现,它与平流层中遇到的化合物没有特别的反应性。但是它与其他化学物质相互作用的方式可能会影响飞行任务中的观察结果,这可帮助我们进一步了解降低全球温度所需的这些粒子的数量,以及释放这些粒子可能带来的风险或起到的作用。”

概括来说,研究人员从小型气球实验中学到的东西仍然具有很大局限性。由于粒子太稀,他们将无法检测到释放到平流层中的粒子的长期命运。所以,Keutsch 也承认,在大规模部署太阳能地球工程之前,有些事情是未知的。

决全球性气候问题,监管和审查是必要的

其实,该团队最初希望最早于 2018 年在亚利桑那州图森开始气球飞行,随后在新墨西哥州探索后续计划。据该项目网站介绍,由于受到“新冠肺炎、后勤和日程安排方面的挑战”,他们选择将首批工作转移到瑞典。

试验推迟的部分原因,则是因为 Keutsch 团队决定成立一个独立委员会来评估他们提议的实验的伦理和法律影响。他们并非必须成立委员会,因为这项研究没有联邦资助。事实上,当这个项目开始时,美国联邦政府并没有资助太阳能地球工程研究。该项目依靠哈佛大学内部资金以及比尔盖茨、威廉和弗洛拉休利特基金会、阿尔弗雷德p斯隆基金会等个人和团体的捐款运作。

但劳伦斯利弗莫尔国家实验室前副主任 Jane Long 强烈建议成立一个外部审查委员会,她还帮助挑选了委员会主席,她说 :“不要让人们认为他们是不经审查就跑去做实验的坏科学家,这对这项技术的未来很重要。”

Long 强调,正如最初提出的那样,这些实验的规模非常小,不太可能对健康或环境造成危害。但她说,委员会能迫使研究人员阐明这项工作的目的,并解决公众的担忧。

该独立委员会已经发布了一份报告,就研究团队在释放粒子之前应该如何与公众沟通提出了建议。除其他事项外,该独立委员会还建议创建一本简报手册来解释这些问题,并邀请住在气球飞行路线附近的人们“参与有关实验本身以及太阳能地球工程研究管理的磋商”。

不过,前文的 Burns 和其他人认为,该委员会缺少一些关键声音,即那些对太阳能地球工程研究的批评家和来自较贫穷国家代表。他认为,这些盲点在委员会的初步报告中很明显:“它假设我们只是在进行简单的公众参与,弄清楚如何在现场实验中进入下一阶段,而且似乎有了一种已成定局的结论:将会发生什么,以及应该发生什么。”

接下来几周中,预计将有一个独立咨询委员会来审查该项目的法律、道德和环境问题,并确定该研究小组是否应该进行第一次飞行。另据悉,该委员会还必须在实际释放粒子的飞行之前做出裁决,并确定研究团队应采取或必须采取哪些步骤与公众和监管机构接触。如果这些发射任务获得批准,那将是平流层中的第一个太阳能地球工程实验。

最后,对于太阳能工程计划是否可行,采访了加州大学欧文分校博士后研究员、即将入职清华大学地球科学系统系的同丹老师,目前她认为该计划可行性很低。

她说:“其潜在危害不得而知,比如对其他极端气候,例如极端温度和降雨等等。理论依据和试验不充足,并且这项工程的实施会出现地区差异性,那么其复杂性和困难性会比我们想的更多。”

“太阳能地球工程”计划后续如何?研究团队能否成功向大气平流层发射大气球,我们期待好消息传来。

(摘自美《深科技》)(编辑/诺伊克)

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