全球变暖程度超出《巴黎协定》所设立的1.5℃限度越来越成为一件板上钉钉的事情。推动全球能源产业减排转型本就不是一件易事，其中牵扯到太多的利益纠葛和政治冲突。近年来随着疫情和战争冲击，忙于生存的人们更加无暇顾及未来的福祉。长痛不如短痛，与漫长的产业转型相比，一场人造且可控的“核冬天”看上去是一个更有诱惑力的捷径。

在核冬天的设想里，大量烟和微尘上升到对流层中上层并截断太阳辐射，引起地面上的漫长寒冷和黑暗。所谓太阳能地球工程，同样是通过各种手段对太阳辐射进行削弱，以期减缓乃至消除温室气体排放带来的全球变暖效应。

摘要 平流层气溶胶注入工程(SAI)是目前研究得最多的太阳辐射干预手段。SAI工程能够SAI工程可以部分抵消温室气体增加造成的温度上升、降水率增大等气候变化。SAI也存在一定负面效应，包括引起全球温度和降水率变化的分布。通过改进气溶胶注入点的分布或与高层卷云变薄工程混合进行，可以一定程度上改善负面效应。SAI工程实施后再突然终止，会造成快速的气候变化。目前的技术条件已初步具备部署SAI工程的能力，但是开展SAI工程存在较大的自然风险和社会风险。

1.概念背景

太阳辐射干预(solar radiation modification, SRM)，又称太阳能地球工程(solar geo-engineering)，指的是通过人为方法，大尺度改变地球系统的辐射平衡应对全球变暖。利用太阳辐射干预应对气候变化的基本出发点是通过增加地-气系统的反照率，减少到达大气和地面的太阳辐射（主要为短波辐射），其产生的负辐射强迫可以抵消（或部分抵消）温室气体增加产生的正辐射强迫1。在理想情况下，太阳辐射干预和净负CO2排放共同作用可以显著降低未来的气候风险。

图 1：不同情景下气候风险随时间变化趋势2

目前提出的太阳辐射干预方法主要包括向平流层注入气溶胶(stratospheric aerosol injection，SAI)、海洋低云亮化(marine sky brightening，MSB)、增加海洋和陆地表面的反照率(surface albedo enhancement，SAE)、高层卷云变薄(cirrus cloud thinning，CCT)等等。其中，平流层气溶胶注入是研究最多的方案，其基本设想是向平流层注入具有散射性质的气溶胶或气溶胶前提物质，将一部分太阳辐射阻挡在对流层和地表之上，属于短波辐射干预的方法。

2.气候系统对SAI响应的模式模拟

为全面评估平流层气溶胶注射工程干预气候变化的可能性，IPCC第六次评估报告(AR6)在模式模拟的基础上评估了平流层气溶胶注射工程等太阳辐射干预行为对气候系统和全球碳循环的影响3。基于模式模拟的研究表明，SAI工程可以部分抵消温室气体增加造成的气候变化（高信度）。但由于在全球分布上的差异，SAI工程无法完全抵消温室气体增加引起的气候变化（几乎确定），并表现出一定的负面效应。通过适当的设计，可能改善这一问题，从而同时实现多个温度变化减缓目标（中等信度）。SAI工程实施后再突然终止，会造成快速的气候变化（高信度）。

2.1.SAI可以部分抵消温室气体增加造成的气候变化

代表性浓度路径(RCPs)是一系列综合的排放情景，用作21世纪不同的人类活动模式影响下气候变化预测模型的输入参数，以描述未来气候系统的情况（表 1）。

表 1：不同RCPs的人类活动特征和气候系统特征(2100年)4

类型 人类活动特征 到2100年气候系统特征
RCP8.5 无气候变化政策干预，人口大幅增长，化石燃料消耗变大，耕地面积扩大并压缩林地面积 大气中CO2增至936ppm，CH4增至3751ppb，N2O增至435 ppb
RCP6.0 政府干预，控制人口增长，有限程度地减少温室气体排放，耕地增长对林地面积影响较小 总辐射强迫稳定在4.5W/m2，CO2增至538ppm，CH4略减少，N2O增至406ppb
RCP4.5 更强的政府干预，人口在控制下达峰并回落，使用可再生能源和碳捕捉系统，化石燃料使用率的不断减少，森林面积增加 2100年总辐射强迫稳定在4.5W/m2，大气中CO2增至538ppm， CH4减少，N2O增至372ppb
RCP2.6 全球范围内能源利用类型的改变，温室气体排放极低 辐射强迫降至2.6W/m2，CO2降至421ppm，CH4<2000ppb，N2O降至334ppb

在全球范围内，SAI可以抵消一部分温室气体增加造成的气候变化。通过模式模拟了以RCP8.5为背景，在2020年到2100年间将SO2注射到赤道附近约20km高的一个网格点中所引起的气候系统变化。结果表明，为将人类影响降低到RCP4.5情形，SO2注入量需要持续提升。在2050年、2075年和2100年所需要的注入量分别为5Tg/yr、10Tg/yr和20Tg/yr。5由图 2a可知，通过气溶胶注射工程，可将RCP8.5情形的大气顶层净辐射强度变化保持在与RCP4.5相似的水平上，在2100年减小1.5W/m2左右。图 2b表明，2100年近地面大气层的平均温度在气溶胶注射工程作用下降低了2K以上，尽管相较于RCP4.5情形仍略为温暖。这是因为在采取辐射干预手段之前，RCP8.5和RCP4.5不同的发展路径已经导致前期地球系统热量存储（例如海洋中）的差异，这部分热量差异随着时间推移而逐渐显现出来。除了SAI以外，MSB和CCT也能通过调整参数达到相似的效果。在降水方面，RCP8.5+SAI的情景将带来比RCP4.5更低的全球降水率。图 2d表现出RCP4.5和RCP8.5的温度和降水率逐年表现出线性增加的关系，CCT方案在降低变暖的同时加剧了降水率提升，而SAI和MSB不仅同时降低了温度变动和降水率变动，而且使得这种线性关系不再明显。

图 2：在2020~2100年应用SRM所引起的全球平均a)大气顶层净辐射强度变化，b)近地面大气温度变化，c)降水率变化，d)温度变动-降水率的变动关系5

在区域范围内，SAI能够部分缓解温室气体排放造成的影响。通过降低夏季的温度，平流层气溶胶工程将对高山冰川起到保护作用。以亚洲高原地区冰川为例，在RCP4.5的排放基础之上，在2020 ~ 2069期间采用平流层气溶胶注射对冰川分布的影响。研究者考察了两种SAI应用情况：G3是为了实现射入的短波辐射和温室气体强迫的平衡所需的平流层气溶胶注射量，G4则是以5Tg/yr的速率均匀注入。多模式模拟结果表明，在G3情形下，SAI工程尽管抵消了温室气体辐射强迫，从而阻止了气温上升，但是仍然不能完全阻止冰川消融——相较于RCP8.5而言的损失只减小了50%。到2069年时，G3情形的冰川区域还剩下72%，RCP8.5剩下30%。降水率下降对冰川的影响小于温度变化对冰川消融的影响。在2069年停止SAI工程之后，温度的急剧跃升导致冰川在2070 ~ 2089的消融速度高达0.17~1.1%yr-1，相比之下RCP8.5在这期间也仅仅只有0.66%yr-1。6

图 3：不同情景在2010 ~ 2089年间亚洲高山冰川的(a)总体积变化和(b)覆盖面积变化，实线和阴影是不同模式的平均，虚线是多模式集合平均温度和降水强迫的结果6

2.2.SAI引起全球温度和降水率变化的分布不均

在同样强度全球降温条件下气溶胶注射工程对温度和降水气候要素的空间分布有异于大气CO2浓度减少产生的气候变化的空间分布。一般而言，SRM工程倾向于使两极地区降温不足，而热带地区降温更多。这是因为硫酸盐气溶胶注射工程所带来的净强迫改变主要集中在热带地区。Crook等人在RCP4.5的基础上，模拟2020 ~ 2059年间以10Tg/yr的速率将SO2输入到赤道附近16 ~ 25km高度的平流层，发现SAI能够对热带地区产生显著的降温效果，而对于高纬度地区降温效果不显著。但是相比于沙漠或作物反照率增强(SAE)、高层卷云变薄(CTT)等工程，SAI已经是一种全球影响较为均匀的太阳辐射干预手段。和RCP4.5相比，全球大部分区域都更加低温（5%的显著水平上）。7

在降水方面，SAI对赤道附近的降水率分布产生强烈影响，尤其是在海洋区域。赤道南侧降水率大大减少，而赤道北侧则大大增加。这是由哈得莱环流圈的上升支向北移动所导致的。就陆地而言，亚马逊雨林、撒哈拉沙漠等区域将受到这一变化的显著影响。降水量减少的主要地区包括美国东南部、欧亚大陆的大部区域，降水量增加的主要地区包括美国西北部、欧洲西南部、非洲大部区域和澳大利亚等。7

图 4：SAI的(a)区域地表空气年温度变化和(b)区域降水率变化与全球年平均温度变化的比值，阴影表明与RCP4.5（2040 ~ 2059平均）相比在5%水平下不显著7

2.3.改进的SAI设计方案

通过适当的太阳辐射干预设计，同时实现多个温度变化减缓目标。例如，GLENS模拟（在RCP8.5背景下）的结果表明，通过调节在不同纬度向平流层注入SO2的速率，可以同时抵消温室气体增加引起的不同方面的温度变化。目前为止讨论到的SAI负面效应包括：热带地区降温过多，两极降温不足；全球降水分布模式改变。为了抵消这些负面影响，将SO2注入点设置成四个： 15°N(25km)、15°S(25km)、30°N(22.8km)和30°S(22.8km)。在每个注入点所需的速率如图 5所示。在这一情形中，可以实现以下三个目标：全球地表平均气温保持不变(T0，288.21K)；南北半球温度梯度保持不变(T1，0.59K)；极地‒热带温度梯度保持不变(T2，-6.01K)。该条件下，全球温度变动分布将变得更加平均。在大多数地区的平均温度变化低于±1℃，最大变化低于±2℃，而在2075年至2095年以及2010年至2030年间，RCP8.5的变化高达10℃。8

图 5：不同注入点和总体的SO2注入速率8

图 6：(a)RCP8.5的2075 ~ 95的平均温度和2010 ~ 30年平均温度之差，(b)RCP8.5+SAI的平均温度和RCP8.5的2010 ~ 30年平均温度之差，灰色表示和零无显著差异(p < 0.05)8

此外，Cao等人的研究^9]表明通过结合两种地球工程方法——SAI（提高短波辐射反射率）和CCT（使长波辐射逃逸到太空），有可能使全球平均（或陆地平均）温度和降水量同时恢复到工业化前的水平。但是在区域尺度上，SAI和CCT混合工程并不能更好地改善SRM气候和工业化前气候的相似性。通过寻找最佳空间非均匀混合方案可能在区域范围内更好地改善这个问题。

2.4.突然终止SAI工程会引起快速的气候变化

在以上提到的若干模式模拟研究中，均在某一时间点突然终止了太阳辐射干预工程，并对后续若干年内的气候系统响应进行持续模拟。从图 2可以看出，突然结束SAI工程将引起全球平均大气顶层净辐射、地表温度、降水率等气候因素的急剧上升。最终，全球均温和降水率将恢复到RCP8.5的状态。高山冰川的消融速度也将突然上升，甚至比同时期RCP8.5情形下更加迅速。

依据GeoMIP的G2实验，对SAI工程在50年后突然终止导致的气候变化分析9还表明，在区域范围内，终止SAI工程对于北半球高纬度地区的升温效应最为显著，北极区域的升温> 4℃；对南半球升温效应较小，但在南极区域也有1 ~ 1.5℃。在降水变化方面，终止SAI工程对中低纬度地区的降水量产生的影响尤为显著，并呈现出海陆差异：热带海洋地区降水大大增加，而拉美、巴西、非洲南北部等区域却出现降水率减少的现象。此外，高纬度地区温度上升和降水率增加还会使得极地海冰的数量（尤其是北极）急剧减少。

图 7：(a)在G2情形下终止SAI工程10后年平均近地表气温变动和(b)降水率变动，(c)1pctCO2情形下70年后的平均近地表气温变动和(d)降水率变动9

图 8：不同模式模拟下北极海冰的异常变动，实线基于GeoMIP-G2，虚线基于1pctCO2 9

3.进行SAI工程的成本和可行性

SAI工程被描述为“快速、廉价且不完美”的气候变化应对工具。基于飞行器的运输系统是进行平流层气溶胶注射工程的最合理方案。Smith等人对现有技术条件能否完成这样一项SAI工程进行了分析10：从15年后（基于科学和政治的考虑，过早开始进行SAI工程的可能性较低）开始，通过将材料部署到高达20km的高度，将人为辐射强迫的增加减少一半。设计基本注入点位于赤道南北15°和30°的纬度，第一年注入量为0.1Mt，随后以0.1Mt/yr增加。

在该目标要求下，以现有的民用和军用飞机性能，即使经过大规模改装，仍然不足以完成该任务。火箭运输虽可行，但是成本过于高昂。经过比较，为此设计开发一种新型的、专用的大载荷高空飞行器(SAI Lofter, SAIL)是一种技术上可行，成本也不昂贵的路线。在15年的早期部署中，平均每年投入的成本成本约为22.5亿美元/年，这包括了包括所有开发和直接运营成本。在开始施行SAI的第一年所需的航班数量约4000架次，随后以4000 yr-1线性增长。10

每年22.5亿美元究竟算不算多呢？我国2022年的GDP大约是183,212亿美元，假如我国单独行动开展这样的SAI工程，所需开销也只占据GDP的0.01%；这样的成本即使对于一个中等体量的发展中国家来说也并非难事（马来西亚2019年的GDP约3735亿美元，SAI工程所造成的开支不及其百分之一）。

SAI的低成本以及由此产生的“搭便车”特性通常会引起相当大的争议。导致这种不适的一个潜在问题是部署计划的假定“秘密驱动”属性。尽管SAI不是一种精确武器，但是仍然存在这样一种可能，即某一行动体在不顾及全球溢出效应的情况下，仅为地方利益而动用SAI工程。10几十个国家将拥有启动这样一个项目的专业知识和资金2，但是开展之后全球气候变化将面临巨大的不确定性。考虑到以上有关SAI工程对气候系统影响的不确定性和有效开展SAI工程所需要的大规模航行，由单个行动体擅自进行平流层气溶胶注入的全球风险远远大于其可能具有的正向效益。可能的风险包括：

  1. 气候系统响应方式的不确定性。目前不同的模式对于SAI工程的模拟结果仍然存在诸多差异（例如终止SAI工程后南极海冰面积的变化趋势、SAI对植物处理生产力影响等等）。
  2. 没有得到抵消SAI工程负面影响的最佳设计方案。目前已有的改进设计仅能部分抵消SAI的影响，而对于如何解决SAI对降水率等的变动没有确切答案。
  3. 行动主体能否在数十年（甚至百年）的跨度内持续推进SAI工程的不确定性。一旦由于自然灾害或社会因素，SAI工程被迫终止，将使得气候系统发生快速变化，包括快速升温等，进而引发一系列气象灾害和次生灾害。
  4. 难以解决SAI工程的外部性。推动SAI工程的行动体如何为受到负外部性影响的国家或地区（例如降水率变小会引起一些国家水资源紧缺）做出相应的补偿，仍有待商榷。

尽管我们已经对SAI工程为代表的各种太阳辐射干预手段都做了大量的理论计算模拟，但是真正开展太阳辐射干预还是显得过于冒险、疯狂。我们并不能确定这场人造的”核冬天“是否会像预料的那样完美，会更无法预料计划失控伴随而来的社会动荡和政治冲突——人为的灾难必然会带来指责与仇恨。

但愿我们最终不会走到不得不亲自遮挡太阳的地步。

  1. 曹龙. IPCC AR6报告解读：气候系统对太阳辐射干预响应[J/OL]. 气候变化研究进展: 1-22 [2021-12-19]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.5368.P.20210924.2123.002.html. ↩︎

  2. Elizabeth Kolbert. Under a White Sky: The Nature of the Future[M]. New York: Crown, 2021: 141-172. ↩︎ ↩︎

  3. IPCC. Climate change 2021: the physical science basis [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2021. ↩︎

  4. 气候预测中RCP与SSP之对比[EB/OL]. (2020-03-17) [2021-12-19]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/113793570. ↩︎

  5. Muri H, Tjiputra J, Helge O, et al. Climate response to aerosol Geoengineering: a multi-method comparison [J]. Journal of Climate, 2018, 31(16): 6319-6340. DOI: 10.1175/jcli-d-17-0620.1 ↩︎ ↩︎

  6. Zhao L Y, Yang Y, Cheng W, et al. Glacier evolution in high-mountain Asia under stratospheric sulfate aerosol injection geoengineering [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2017, 17(11): 6547-6564. DOI: 10.5194/acp-17-6547-2017 ↩︎ ↩︎

  7. Crook J A, Jackson L S, Osprey S M, et al. A comparison of temperature and precipitation responses to different Earth radiation management geoengineering schemes [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2015, 120: 9352-9373, DOI: 10.1002/2015JD023269 ↩︎ ↩︎ ↩︎

  8. Tilmes S, Richter J H, Kravitz B, et al. CESM1(WACCM) stratospheric aerosol geoengineering large ensemble project [J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2018, 99(11): 2361-2371. DOI: 10.1175/BAMS-D-17-0267.1 ↩︎ ↩︎ ↩︎

  9. Jones A, Haywood J M, Alterskjaer K, et al. The impact of abrupt suspension of solar radiation management (termination effect) in experiment G2 of the Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP) [J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2013, 118(17): 9743-9752. DOI: 10.1002/jgrd.50762 ↩︎ ↩︎ ↩︎

  10. Smith W, Wagner G. Stratospheric aerosol injection tactics and costs in the first 15 years of deployment[J]. Environmental Research Letters, 2018, 13(12):124001 (11pp). ↩︎ ↩︎ ↩︎