“向平流层喷洒反射粒子”，SCoPEx计划2022年首飞

2022年即将开始的地球冷却方案飞行试验

“向平流层喷洒反射粒子”这一项地球工程计划备受争议。

首个SCoPEx会在2022年发射吗? 哈佛大学的地球工程计划旨在向平流层喷洒反射粒子，但仍在努力完成平流层空中平台的动力概念验证。

平流层是一个干燥、寒冷的地方，空气稀薄，云层稀少。 在地球表面10到50公里的高空，臭氧分子吸收太阳紫外线，保护下面的生命。 这第二层大气是平静的，几乎没有生命。 它也成为当今最具争议的科学提案之一的项目。

该提案提出了所谓的“太阳地球工程”:通过偏转原本会照射到地球的阳光来冷却地球。 今年晚些时候，研究人员希望释放一个上升到20千米的气球，在那里他们的空中平台将接受各种测试。最终，他们将添加设备来喷洒微小的碳酸钙气溶胶颗粒，碳酸钙是石灰岩、黑板粉笔和抗酸剂中发现的化合物。这些粒子会像显微镜反射镜一样将太阳光反射回太空。

关于太阳地球工程是如何工作的，是否会工作，以及粒子如何在平流层中反应和运动，我们所知甚少，这些粒子对人类和环境的潜在风险的了解更少——例如，这些颗粒是否会消耗臭氧层，或显著改变天气?但随着人类向空气中排放更多的温室气体，随着地球温度的上升引发了一系列灾难性的后果，一个著名的科学家团体敦促世界认真考虑平流层的选择。

哈佛大学的Frank Keutsch就是这些科学家之一，他领导着备受关注的平流层控制微扰实验（SCoPEx）。他说，该组织希望在2022年年中发射气球。Keutsch认为，太阳能地球工程的许多未知数正是SCoPEx值得做的原因。他说，如果全球变暖持续不减，如果世界转向灾难，那么最好有工具来避免最可怕的后果。“气候变化是否变得如此糟糕，以至于我们必须做些什么来减弱它的影响，减少人类的痛苦，这是一个非常大的问题，”大气化学家Keutsch说。 “研究需要很长时间。 如果我们只是在人们说‘哦，我认为我们需要这个’的时候才开始研究，那就太晚了。”

SCoPEx数据有助于改进计算机模型，如今计算机模型主要依赖于假设和预测，而不是观察。帮助领导该项目的哈佛大学物理学和公共政策教授大卫·基思（David Keith）说，大约1公斤的碳酸钙的释放量不足以触发任何可测量的冷却，它大致相当于大型商用客机每分钟飞行释放的粒子污染。2019年此类航班近4000万次。 (基思也是碳工程公司的创始人，这是一家加拿大公司，正在西德克萨斯建造一个庞大的设施，将直接从空气中提取二氧化碳。)

太阳能地球工程可能是地球的“止痛药”，不是抑制排放的替代品，而是一种使地球上的生命在酷热的未来更容易忍受的药膏。

然而，即使是基本的太阳地球工程研究也被证明是有争议的。 批评人士说，追求这项技术是危险的，会分散人们对快速减少温室气体排放这一更重要任务的注意力。 对许多人来说，仅仅是有意干预气候系统的想法是有问题的，值得在它获得关注之前停止。 第一次SCoPEx测试原本计划于2021年初在瑞典北部进行，但来自环境和土著团体的强烈反对促使该团队取消了发射。

尽管如此，Keutsch表示，一旦研究人员找到新的气球伙伴和发射地点，今年的测试将继续进行。他说:“我们对气候变化现状了解得越多，就越意识到这项研究必须尽早开始。”

太阳能地球工程不能替代减排

现实是，地球正以惊人的速度变暖。 科学家说，过去40年的每一年都是有记录以来最热的。 温室气体的浓度达到了历史最高水平，这主要是由于发电、供热和运输所需的煤炭、石油和天然气造成的。 根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的数据，今天的全球平均气温比19世纪末高了1.09摄氏度。IPCC是联合国管理的全球变暖问题的科学权威机构。 “毫无疑问，人类的影响已经使大气、海洋和陆地变暖，”IPCC在8月发布的一份综合报告中说。

科学家警告称，全球变暖可能在未来20年内达到1.5摄氏度，这一水平将带来灾难性的长期影响，如特大洪水、严重干旱、致命热浪和珊瑚礁的大规模死亡。 要想进一步阻止更危险的变暖，就必须立即放弃化石燃料，扩大可再生能源的使用，甚至有可能消除大气中的二氧化碳。

Keutsch说，在这种令人不安的环境下，太阳能地球工程可能是地球的“止痛药”，而不是控制排放或恢复碳捕获森林的替代品，是一种使地球上的生命在酷热的未来更容易忍受的药膏。

并非所有人都同意。美国气候科学家迈克尔·曼恩说，止痛药会导致有害的成瘾。他将太阳能地球工程比作“气候美沙酮”，因为一旦世界开始注入使太阳变暗的粒子，它可能无法停止。

野外实验旨在提高我们对太阳地球工程的理解

哈佛大学的科学家们在2014年的一篇研究论文中首次提出了SCoPEx。 他们呼吁进行“小规模的现场实验”，以帮助消除围绕太阳地球工程的一些不确定性和“未知影响”，他们在论文中称之为太阳辐射管理。 两年前，这篇论文的两位合著者——大卫·基思和哈佛大学大气化学教授詹姆斯·安德森——提出了放飞气球，向空气中注入“微量”硫酸盐颗粒的设想。

这个想法并没有取得进展，但在2017年，基思成为了哈佛大学太阳能地球工程研究项目的教务长。 迄今为止，该项目已从微软联合创始人比尔•盖茨、威廉和弗洛拉•休利特基金会以及其他慈善组织筹集了1620万美元。

SCoPEx有两个主要目标：观察粒子如何在平流层中扩散，探索哪种粒子的副作用最少。

今年计划的野外实验将由一个直径27米的零压气球进行，气球的长度大约相当于两辆校车长度。气球并不新奇；美国国家航空局每年从世界各地的发射场进行多达15次平流层气球飞行，以收集数据并测试空间任务的技术。

独特之处在于SCoPEx的吊舱，一个铝和碳纤维框架，可容纳一系列硬件。基于树莓派 4的飞行计算机将接收命令和日志数据。两部Globalstar卫星电话将实现吊舱和地面设备之间的通信。双飞艇螺旋桨将允许科学家改变吊舱在空中的位置。

在首次飞行中，SCoPEx将测试平台在零下60 C的温度下以及阳光直射下的运行情况。 飞行器不携带任何化学品或颗粒喷洒工具。 最初的测试将在近20公里的高度持续4到6个小时，这是珠穆朗玛峰高度的两倍多。 虽然研究人员可以在热真空室中模拟平流层，但很难知道真实世界的条件会如何影响设备。

“在我把很多精密的仪器放到一个空中平台上之前，我想知道这个空中平台是否能工作，”Keutsch在他的家乡德国的视频会议上说，当时他正在德国休假。

第一次SCoPEx测试原计划于2021年初从瑞典北部的Esrange航天中心发射，但遭到强烈反对，该团队取消了发射。

假设平台通过了测试，下一个测试将是喷射和跟踪平流层中的粒子。喷射装置将碳酸钙释放到螺旋桨产生的一公里长的尾流中。然后，气球将在尾流中来回移动，激光雷达将跟踪粒子羽流的移动距离。另一种基于激光的仪器，一种轻便的便携式光学粒子光谱仪，将测量粒子的大小和数量。其他设备将收集平流层中水分和臭氧的数据。

“这不是测试太阳能地球工程是否有效，” Keith说。“如果我们要提高太阳地球工程的科学水平，这些都是我们需要做的事情。”SCoPEx将允许研究人员评估潜在的副作用，这些副作用可能是显著的，包括可能的臭氧消耗、增加的空气污染和天气模式的变化，其中一些地区可能比其他地区受到更大的负面影响。

他说，社会的关键问题是，为了避免全球变暖的极端后果，太阳能地球工程的风险是否值得承担。“我们不会面临无风险的决定，” Keith说。“问题在于风险权衡。”

抗议活动迫使SCoPEx取消了首次大气试验

SCoPEx的首次试飞计划将于2021年6月从位于瑞典拉普兰地区的基律纳的EsFrand空间中心发射。该场地由瑞典航天公司管理，是北极圈上大片被大量树木包围的土地。

Åsa Larsson Blind表示，她第一次了解SCoPEx是在2021年2月。Larsson Blind是萨米理事会的副主席，该组织代表萨米土著人民，他们的传统领土位于瑞典、芬兰、挪威和俄罗斯的科拉半岛北部。 总部设在美国的一个土著团体通过电子邮件向委员会发出了发射计划的通知。 不久之后，萨米理事会和环境团体致函SCoPEx咨询委员会和瑞典官员，抗议SCoPEx的试飞。

Larsson Blind来自一个驯鹿牧民家庭，她在瑞典最北部的家中通过视频电话与IEEE Spectrum公司进行了交谈。 她说，该委员会积极参与气候政策问题，因为它希望保护“我们传统生计和文化的基础”的自然系统。 太阳地球工程“完全不符合我们对自然的尊重”。 她说，即使是像SCoPEx这样的小规模项目，也是“使技术发展合法化的一步。”

这一抗议促使SCoPEx的外部顾问委员会建议推迟发射，直到瑞典出现“强有力和包容性的公众参与”过程。2021年3月31日，SCoPEx团队同意暂停其设备测试飞行，直到咨询委员会提出其他建议。

这次发射的停滞凸显了有关太阳能地球工程研究的问题——如何进行，是否应该进行，以及由谁来决定。 目前，来自富裕的西方机构的一小部分研究人员正在考虑一种方法，如果采用这种方法，可能会影响地球上的每个人。 就在2021年推迟的几天前，美国国家科学院、工程学院和医学院呼吁发展“国际治理机制”和全球科学伙伴关系，以确保太阳能地球工程研究以“对社会负责的方式”向前发展。 在报告中，这些研究院还建议美国政府在五年内投资1亿到2亿美元用于国家太阳能地球工程研究项目; 这笔资金将用于科学活动、监督、同行评审以及可能允许进行现场实验。 但目前，没有联合国机构来达成全球共识，也没有美国机构来提供监督。SCoPEx咨询委员会的任务是确保项目的实施是周密和透明的，它是解决这一差异的早期努力。

批评人士说，追求太阳能地球工程是一种危险的做法，它分散了人们对快速减少温室气体排放这一更重要任务的关注。

位于博尔德的美国国家海洋和大气管理局化学科学实验室主任David W.Fahey说：“这就是SCoPEx遇到一些困难的原因，因为他们在试图进行科学研究的同时，也在努力发展治理结构。 本末倒置。” David W.Fahey说他支持哈佛的研究计划,他的实验室借给了SCoPEx一台用于项目的早期阶段使用粒子谱仪 。

位于波士顿的东北大学(Northeastern University)公共政策与城市事务学院(School of Public Policy and Urban Affairs)院长史蒂芬斯(Jennie C. Stephens)说，建立一个管理机构并不能保证富裕、强大的国家的利益不会超过更贫穷、更脆弱的国家的利益。 她指出，现有的国际努力，如减少温室气体排放或分发COVID-19疫苗，难以平衡不同人群的需求和愿望。

他说，太阳能地球工程是“看待气候危机的一种非常狭隘的方式”。 “它所考虑的只是降低全球平均温度和物理系统，而不考虑其分布…… 如果我们试图改变和操纵地球的气候系统，世界上的人们将会受到怎样的影响。”

实验室研究继续推进SCoPEx背后的科学

随着哈佛大学的气球飞行获得了支持和关注，实验室里的相关研究仍在继续。SCoPEx的早期迭代提出使用硫酸盐粒子，这种粒子存在于平流层，已知会导致冷却。1991年，菲律宾的皮纳图博火山(Mount Pinatubo)爆发时，它产生了一团非常密集的粒子，使地球暂时冷却了约0.6摄氏度。 但是硫酸盐气溶胶——粒子和水的结合——会破坏保护地球的臭氧层。 它们还能使平流层升温，改变空气循环和天气模式。

模型表明碳酸钙可能具有更好的性能。 碳酸钙在低层大气中以方解石尘埃的形式大量存在，但在平流层中并不存在。 在纽约市，汉·黄(Han Huynh)作为博士候选人在哥伦比亚大学(Columbia University)的V. Faye McNeill团队中研究了这种物质。

在她的实验中，Huynh使用了一个玻璃气溶胶流管反应器和一个化学电离质谱仪。她测量了方解石气溶胶和氯化氢之间的反应，氯化氢是一种平流层痕量气体，通过连锁反应，最终会影响平流层臭氧水平。流动反应器保持在约 66 C，使用一层密封在真空层中并包裹在泡沫中的循环冷却液。研究人员持续监测方解石气溶胶的数量、表面积和其他因素。

Huynh和McNeill最近研究了碳酸钙如何影响全球臭氧。根据他们的结果，“我们看到的是臭氧影响的不确定性非常非常高，”Huynh说。“根据我们的研究，目前无法判断它是否会产生积极或消极的影响。”这在很大程度上是因为对气溶胶如何与平流层中的相关气体反应知之甚少。“在你说‘好吧，这是个好主意。我们应该去外面测试一下’之前，我们需要继续这些实验室研究更长的时间。”

哈佛大学的科学家们正在使用一种由研究助理戴震(音译)制造的桌面设备进行此类研究。 该装置模拟和测量碳酸钙、氯化氢和硝酸氯之间的化学反应; 目标是开始量化粒子在平流层条件下的反应方式和反应速度。

随着实验室研究的继续，最终将在室外进行实验，Frank Keutsch表示，他正在努力扩大SCoPEx的团队，使其包括来自拉丁美洲、非洲和亚太地区的科学家。 他说:“这种全球对话非常重要，因为不同文化背景和不同地区的人们对这些技术解决方案的看法截然不同。” “它应该更多样化一点，而不是只有几个哈佛学生。”

这篇文章发表在2022年1月的印刷版上，标题为“地球冷却测试试验可能在2022年开始”。