地球工程，如何拯救未来？

中国船级社 魏茂苏

气候变化与温室气体减排，是当今世界争议较少具有高度共识的话题，是另一个维度的人类命运共同体。CO2作为大自然的一个有机组成部分，一种古已有之的物质，与大自然及人类和平共处，虽然不经意间伤害过人类，但如果没有了CO2，人类可能连叹息的机会都没有，为何发展到今天，欲围而剿之？

为什么是CO2，导致了全球气候变暖

政府间气候变化专门委员会（IPCC）基于直接测量和遥感测量，从大气地表温度偏暖、海洋上层变暖、冰冻圈积雪和积冰减少、海平面上升等，证实了自20世纪50年代以来气候系统加速变暖。地球能量收支平衡的变化是导致气候变暖的原因，而改变这种平衡的驱动因素是气候变化驱动因子（Drivers of Climate Change），包括温室气体、气溶胶、土地利用造成的反照率变化等自然和人为的物质与过程。不同驱动因子对气候变化的影响不同，用辐射强迫（RF，Radiative forcing）来量化评估，表示为在对流层顶部或大气层顶部，向下辐射减去向上辐射得到的辐射通量值，单位为瓦/平方米（W/m2），正辐射强迫导致地表变暖，负辐射强迫导致地表变冷。

不同驱动因子辐射强迫值如图1所示，相较于1750年的270年间，所有纳入评估的驱动因子RF值，气溶胶、土地利用造成的反照率变化RF为-0.15，属降温效应，太阳辐射变化RF值为0.05，对气候变化的影响很小，温室气体RF最大，其中CO2辐射强迫为1.68、甲烷为0.97、卤代烃为0.18、氧化亚氮为0.17，CO2辐射强迫占56%，显示了强大的温升能力。人为因素导致的RF合计为2.21，是自然RF的44倍。图1同时给出了工业革命以来，总人为辐射强迫增长情况，1750-1950年200年间，RF仅增长0.57，1950-1980年30年 间，RF增 长 了0.68到1.25， 而1980-2011年30年间，RF增长了1.04到2.29，增速是前30年的1.53倍，显示了人为因素对温升的影响加快。

图1 人为与自然驱动因子强迫值

工业革命以来，人类科技文明进步、财富增长、生活质量的提高，高度依赖化石能源消耗，1970-2010年时期，人类活动引起的温室气体排放总量持续增加，1970-2000年每年增加4亿吨CO2当量，2000-2010年 每 年 增 加10亿 吨CO2当量，后十年增速是前30年的2.5倍，1970-2010年温室气体总增量约为78%。由此看来，无论从辐射强迫大小，还是从排放总量来看，影响气候变化的人为驱动因子，非CO2莫属。

世纪末温度控制目标，1.5℃还是2℃

量化未来至世纪末温升对自然、经济和社会的影响，是件复杂而困难的事情，涉及风险评估与价值判断。IPCC基于文献评估和专家判断，选取5个关切理由(RFC，Reasons for Concern)建立气候评估模型，以1986-2005年时期(近期)全球平均温度为基础，采用置信水平（L、M、H、VH分别代表低、中、高、非常高）作为评估标准，评估气候变化对人类、经济和生态系统的影响。5个关切理由包括，RFC1-独特和受威胁系统（Unique and threatened systems）；RFC2-极 端 天 气 事件（Extreme weather events）；RFC3-影响分布（Distribution of impacts）；RFC4-全 球 综 合 影 响（Global aggregate impacts）和RFC5-大尺度独特事（large-scale singular events），如图2。

图2 气候变化导致的风险评估

与工业化前相比，人类活动已造成全球地表温度升高约1.0℃，如果保持目前增速，2030—2052年全球温升可能已达1.5℃。从1.5℃升至2.0℃，区域气候特征差异将更加明显，大多数陆地和海洋平均温度升高、居住区域极端高温增多、区域强降水增多、区域干旱和降水不足概率增加。而控制全球温升在1.5℃，可以降低海平面升高0.1米，降低陆地、海洋、淡水生态系统生物多样性及物种损失与灭绝，及其对服务人类功能的影响。

随着全球温度升高，与气候有关的人类健康、粮食安全、安全生产活动风险将增加，无论是1.5℃还是2.0℃，都会对自然、环境与经济发展产生不利影响，人类活动对自然的影响，当然以不影响为好，两害相权取其轻，最好不要打扰南美洲亚马逊河流域热带雨林里的蝴蝶。

气候减缓路径，关乎自然、安全与发展

未来至世纪末气温变化，与社会和经济发展、气候系统的无序性及自然变率、排放趋势、人为排放与气候系统的相互影响相关。基于一系列人为强迫情景，IPCC设计了简单气候、中等复杂、综合气候以及地球系统等模式来模拟气候变化。代表性浓度路径或典型浓度路径（RCPs，Representative Concentration Pathways）是世界气候研究计划框架下的一套新情景，根据人口、经济及技术发展、以及政策选择，为人类未来社会设计的不同发展情景，这些情景与各种气候政策或无气候政策排放情景（SSPs，Shared Socio-economic Pathways）相配合，用于评估不同政策选择可能带来的气候变化。

RCP通常指到2100年之前的浓度路径，IPCC将其表述为时间序列上一组包括了所有温室气体、气溶胶、化学活性气体的排放与浓度，以及土地利用/土地覆盖状况的情景。典型强调的是每个RCP只提供导致特定辐射强迫特征的一个情景，路径强调的是随着时间推移达到这个结果（特定辐射强迫特征）的轨迹。IPCC设计了RCP2.6、RCP4.5和RCP6.0、RCP8.5 4个情景，数字代表其辐射强迫值（RF，W/m2），用相对于1750年总辐射强迫近似值表示，RCP2.6为低强迫水平的减缓情景，2100年前达到峰值；RCP 4.5和RCP 6.0是两个中等稳定情景，2100年后达到恒定；RCP 8.5是高排放情景，2250年后达到恒定。本世纪中叶，除RCP2.6情景的其他3个情景，全球表面温度变化有可能超过1.5℃；本世纪末全球表面温度在RCP4.5情景下多半可能超过2℃，RCP6.0和RCP8.5情景下会超过2℃，2100年之后仍将持续变暖，并且不具有区域一致性。

共享社会经济路径(SSP，Shared Socio-economic Pathways)，指在没有气候政策干预的情况下，到2100年社会经济可能的发展，分为SSP1、SSP2、SSP3、SSP4和SSP5五个共享模式，人口发展规模从70亿到130亿不等，结合收入、技术、平等、贸易、资源与消费模式评估未来气候变化的适应与挑战。SSP理念正在作为新的排放和社会经济情景得到发展，逐渐替代BAU(business as usual)， SSP与RCP自由组合，为气候影响和政策制定提供了一个综合框架，为学界采用。

显然不同浓度路径导致不同的温升结果，对地球生态系统的良性循环、人类赖以生存的粮食生产、社会经济的可持续发展产生不同影响。人口和经济规模持续增长影响了气候，气候变化又导致飓风、区域性高温干旱、冰冻暴雨洪灾、粮食减产绝产等灾害频繁发生，反过来威胁人类生存与健康。生存还是发展，这是个问题，为未来，故人类需要规划发展之路，降低对环境的影响。火星很美丽，但未知与挑战比规划地球未来要困得的多，蓝色星球仍是人类现在未来美好家园。

减缓气候变化的地球工程，遮阳防晒与散热

如何减缓增量温室气体对气候的影响，IPCC拟议了地球工程又称气候工程，包括太阳辐射 管 理（SRM，Solar Radiation Management）和CO2清除（CDR，Carbon Dioxide Removal）通过干预地球系统以抵消气候变化给地球造成的不利影响。

SRM通过调整地球辐射通量控制地球能量收支，方法有两类，一是减少到达地球的阳光辐射量，二是提高地球对阳光的反射率，人工向平流层注入气溶胶和云增亮是太阳辐射管理的代表性技术。SRM理论上是可行的，但最终形成的区域气候改善，受能量流动、大气循环和天气影响，可能以影响其他区域气候为代价，干扰全球气候系统的自我调节，自家门前雪扫干净了，别人家瓦上又结新霜，存在政治伦理风险。人工增雨雪、防雹、消雨、消雾、防霜冻等，是对局部大气物理过程进行人工强力干预，避免或减轻局部气象灾害影响，着眼于短期小范围气象干预，与SRM有所不同。

CDR通过改变碳循环过程或工业过程，有计划地将CO2从大气中清除。如大规模植树造林、退耕还林、生物碳土壤碳捕获、生物能源结合碳捕获和封存、以及海洋施肥，大气中移除的CO2以有机或无机形式储存于陆地、海洋及地质储层中。生物清除CO2属于自然固碳过程，没有或较少副作用。特别值得关注的是碳捕捉与封存，存在不同观点，一部分支持并付诸实践，一部分反对认为得不偿失，其实碳捕捉技术本身并没有对错，挑战来自于实现碳捕捉与封存是否会造成额外能源消耗或排放，所以IPCC给出的方法是生物能源结合碳捕获和封存，利用可再生能源或工程废热实现碳捕捉封存。与太阳辐射管理、化学除碳等高科技方法相比，生物固碳既可打造绿水青山，又可实现低成本高效益CO2清除。

太阳辐射管理，好比给地球打遮阳伞或盖件有热反射功能的衣服，降低阳光对地球热辐射灼伤，而清除大气中的CO2，降低大气中温室气体浓度，好比给地球换件透气性好的衣服，地球表面产生的热量能快速释放出去，疏堵结合，让地球舒适工作生活。

图5 减缓气候变化的地球工程

碳达峰与碳中和，行业合纵与跨界连横

碳达峰要求最早出现在《巴黎协定》中，为实现全球气温升幅控制在工业化前2℃乃至1.5℃水平，缔约方应尽快达到温室气体排放的全球峰值。工业化前CO2自产自销，全球碳循环维持自然平衡，工业化打破了这种平衡，人类向大气中释放的CO2，经大气、海洋和植被扩散，在陆地生物圈、海洋生物圈、地质圈交换，对新增碳进行再分配，直到不同碳储存圈之间的交换接近新平衡，时间从一年、数万年到数十万年不等，不能进入循环的新增CO2在大气中游荡，逐年累积，温室效应由量变到质变，影响全球气候。

储存物质的空间可以理解为库，如水库、粮库、金库等，储存碳的空间称为碳库，陆地生物圈、海洋生物和地质圈是三个有效碳库。有意思的是，IPCC未将大气作为碳存储库，意味着大气只是运输CO2的快递小哥，专门负责接收与清除CO2，维持碳在大气、海洋生物圈、陆地生物圈和地质圈之间的平衡。因此，碳达峰可以理解为碳循环链上的各碳库储碳量不再继续增长，即入库量达到峰值并维持稳定（本文将大气视为碳库）。任何个体、组织、行业、国家、区域一体化组织乃至全球，其任何活动或过程中释放的CO2，都可以用入库量来衡量，入库量维持恒定不再增长，碳达峰目标就实现了，而入库量等于与出库量（碳汇），碳中和的目标就实现了。

碳达峰与碳中和，涉及能源供给、能源消费终端、农业林业和其他土地利用、人类居住区基础设施与空间规划，需要行业和国家政策引导，依靠技术进步、可再生资源及风光等宇宙能源开发利用，实现绿色低碳发展。有些行业注定无法实现零排放，如依赖化石能源的企业，跨界合作实现碳中和就成了必然，这种合作未必是你情我愿，需要通过碳配额、碳税等措施实现绿色公平。

碳达峰只是实现碳中和的过程事件，虽然任何企业、团体、行业都可实现碳中和，但孤立的碳中和乃至零排放并不具有减缓气候变化的实质影响力，需要整个产业链协同，如产品，从原料开采、零部件加工、成品生产、物流运输、终端使用到报废拆解，产业链上某个环节的低碳或零碳排放，可能是以另一个环节的高碳排放为代价，整个产业链碳中和才具意义。以交通运输为例，交通运输是服务性行业，放到全球碳循环的大生态圈看，也只是众多排放源中的一个，其碳排放主要取决于社会化分工下市场产品供应链，如运输工具、运输方式与能源结构，但这不意味着交通运输业碳达峰碳中和无可为，恰恰可以通过低碳交通需求规划，推动相关产业链低碳零碳发展，提高运输组织管理效能，合纵连横，实现交通运输业绿色低碳发展。

图6 全球碳循环路线图与平衡时间