地球工程的发展历程及前景展望

■文 / 刘长松

作者单位：国家应对气候变化战略研究和国际合作中心

气候变暖是世界各国面临的重大全球性挑战，当前各国自主贡献目标与实现 《巴黎协定》提出的2℃或1.5℃温升目标存在巨大缺口，地球工程作为应对气候变暖的终极选择受到了国际社会的广泛关注，但由于其实施可能会产生难以预测的风险和后果，尤其是太阳辐射管理（SRM）技术面临较大争议，国际社会的认识与监管也严重不足。在各国积极实施碳中和目标的推动下，二氧化碳移除技术（CDR）在全球的部署前景十分广阔。

1.地球工程的由来

地球工程（geoengineering），也称气候工程，是指为了应对全球升温及其影响，人类根据认知水平和相应能力，运用工程技术手段在较大尺度范围内对气候状况加以调节或修正的各种努力和行为，其定位是在减缓和适应气候变化不力情况下的应急措施。地球工程的想法由来已久。1965年，美国总统科学顾问委员会强调二氧化碳排放正在改变我们赖以生存的家园，需要认真探索人工干预对抗气候变化的可行性，提出在热带地区安置反射性材料、增加云层等应对气候变化。1977年，Marchetti提出了利用海洋封存二氧化碳的设想。1995年诺贝尔化学奖得主、荷兰大气化学家保罗·约瑟夫·克鲁岑引入了“人类世”的概念，强调地球环境越来越受到人类活动的影响，进入了一个新的地质时期，提出在平流层注入气溶胶以应对全球气候变暖的设想，由此开启了围绕地球工程的大争论。2009年，英国皇家学会发布报告对地球工程作出权威定义。尽管有些地球工程建议听起来荒诞不经，却获得了政府高层与科学家的认真考虑。如时任美国总统奥巴马的首席科学顾问约翰·霍尔德伦就提出要把地球工程作为一项选择加以考虑。越来越多的科学家，包括全球变暖之父美国哥伦比亚大学教授华莱士·布勒克及英国东安格利亚大学地球系统学教授提姆·兰顿也强调，如果气候变化开始比先前预期的要快，就要研究实施地球工程的可能性，把地球工程作为应对气候紧急状态的终极办法。地球工程受到热议与21世纪全球气候变暖的严峻形势密不可分。随着气候变暖加快，2011年，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第一次召开了地球工程会议，IPCC第四次、第五次评估报告开始探讨地球工程的技术及治理问题。总体上，人为大规模对地球系统的物理、化学或生物特质反应过程等进行干预则会产生较大风险，大规模实施地球工程的可行性、经济成本及其风险尚不明确。

2.地球工程的主要类型及行动进展

IPCC将地球工程分为二氧化碳移除和太阳辐射管理两种类型。第一类是碳移除地球工程，主要途径是通过植树造林、土壤固碳、生物质碳捕获、土地利用管理、岩石圈和海洋碳封存等各种碳捕获、封存和转化技术，降低大气中温室气体浓度。碳去除地球工程最典型的是海洋施肥，主要有三种方法：一是向海洋中施加铁元素，促进浮游生物大量生长，提高固碳能力；二是向海洋中施加氮、磷等营养元素，加快浮游生物的代谢过程，加速二氧化碳沉淀到海底的速率；三是将深层海水抽到表层，向海洋表层提供营养元素，同时加快表层的碳固定到海底的速率。20世纪90年代以来，全球至少进行了13次大规模的海洋施肥实验，涉及海域超过1400平方公里，参与国家包括美国、加拿大、澳大利亚、英国、法国、巴西、墨西哥、日本、菲律宾、荷兰、中国等。

第二类是太阳辐射管理工程，通过减少到达地面的太阳辐射和减少地面对太阳辐射的吸收直接为地球降温，主要原理是通过增加反照率，把一些太阳光散射回太空，从而减少地球吸收的短波辐射，降低地球变暖速率。如在平流层人为注入气溶胶、亮化增白大气中的云层、屋顶刷白、沙漠绿化、在地球大气层中设置太空反射镜等。

二氧化碳移除工程在全球层面已有不少实验、示范和商业应用项目，技术上相对成熟，风险和不确定性较小，面临的争议较少。而太阳辐射管理工程具有高度的不确定和风险性，争议较大。如平流层注入气溶胶（SAI）因成本低、见效快，是受到高度关注的SRM技术，尽管它是遏制全球变暖最快的方式，但也是最危险的方式，如果工程实施后骤然停止，气温会以实施前10倍的速度回升，带来的环境变化、气温回升与降雨量分布失衡使很多生物难以生存。

3.地球工程技术的发展现状与前景展望

目前，国际社会对地球工程的技术、方法、风险和收益等认识有待提升，尚未建立系统完善的监管框架。在全球气候系统敏感点进行干预可以产生全局性影响，例如南极松岛、思韦茨冰川是全球海平面上升的最大来源，如果能够减缓冰川退化，可以产生巨大的全球效益，但人为干预气候也会面临巨大风险，谁有权控制太阳辐射管理技术及可能的负面影响存在很大争议，在实施与监管层面也面临挑战。《联合国气候变化框架公约》鼓励各国运用CDR技术减缓气候变化。目前，仅有针对部分具体问题太阳辐射管理技术的国际规则，如《联合国海洋法公约》针对“海洋云增白”有适用条款，《保护臭氧层维也纳公约》《蒙特利尔议定书》仅仅关注气溶胶注入对臭氧可能造成的损害。部分SRM技术得到了实践应用，例如通过遮盖冰川减缓消融已有不少先例。瑞士罗纳河冰川、意大利北部普雷萨纳冰川附近的居民通过铺设土工布等减缓冰川融化，澳大利亚昆士兰运用“海洋云增白”技术减缓大堡礁白化。总体上，地球工程技术仍处于研究阶段。例如，美国斯坦福大学计划发起的北极冰项目，通过将微小的硅珠撒在北极海冰表面，提高冰面反射率。哈佛大学计划实施“平流层控制扰动实验”，在距离地面20千米的高空，用气球播撒少量碳酸盐微粒，形成气溶胶反射太阳光。

从国内来看，与太阳辐射管理技术相比，二氧化碳移除技术的部署前景更加明朗。中国是受自然灾害影响严重的国家，随着全球变暖加剧，自20世纪90年代起冰川呈加速萎缩态势。自20世纪50年代以来，中国82%的冰川处于退缩状态，总面积缩小18%。一旦温度上升超过4℃，气候系统将会达到不可逆的“临界点”，并产生巨大的气候安全风险。中国的SRM还处于实验研究阶段，能否得到大规模应用成为应对气候变暖最后的“猛药”还存在很大的不确定性。中科院正在四川阿坝达古冰川开展实验，通过铺设遮盖材料增强冰川表面对太阳辐射的反射率，来减缓冰川消融。2020年9月，习近平主席宣布中国将力争于2030年碳排放达峰、2060年前实现碳中和的目标，这是中国在提升气候雄心方面向国际社会做出的重要承诺。实现碳达峰以及碳中和目标所需的减排量巨大，二氧化碳移除技术的大规模实施前景广阔。