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《國家科學評論》（NSR）
在過去的一年裏，包括北京在內的中國北方大部分地區經歷了近年來可能是最炎熱的夏季，連續多日氣溫高達40℃。《國家科學評論》（NSR）編輯部組織了一個關於氣候變化的線上論壇，討論一個應對氣候變化的重要課題——地球工程。
與常見的以減排為首的方法相比，地球工程著重於采取更為積極主動的措施，以應對氣候變化。這些措施包括向平流層註入氣溶膠以增加太陽反射，向海洋中施加鐵肥以促進微生物生長，以及捕捉和液化二氧化碳並將其直接註入耗盡的油田。
該論壇由北京大學環境科學和工程學院朱彤教授主持，還有四位非常重要的專家參加。他們共同介紹了這些積極主動的措施的科學背景和實施情況，並討論了研究人員在當前階段預期的利弊。
朱彤：首先，我要感謝今天來參加這個論壇的嘉賓。眾所周知，地球工程學是一個正在全球範圍內引起關註的研究課題。盡管這個課題已經被討論多年，它仍然被認為是一個有爭議的話題。地球工程學的實施可能會引發復雜的經濟、生態和倫理方面的問題。
為了深入探討這個話題，我們邀請了這個領域內一些知名的專家，他們或者開展過相關研究活動，或者參與過地球工程方面的實際試驗。我們請到了北京大學的教授、中國科學院院士金之鈞教授，他的研究領域註重於二氧化碳的捕獲和儲存(CCS)；暨南大學的劉紹臣教授，他的研究專註於在大氣層的平流層註入氣溶膠；廈門大學的柴扉教授，他專門從事海洋鐵肥養殖方面的研究；北京大學的徐建華教授，她一直從事於地球工程相關的社會科學方面的研究。
向大氣層註入氣溶膠，這可行嗎？
朱彤：首先，劉教授，請您介紹一下平流層註入氣溶膠的研究。
劉紹臣：
根據美國和歐盟的報告，迄今所知的最有效和最經濟的地球工程的方法之一是向平流層註入氣溶膠，以增加太陽反射並減少地表加熱。正如朱教授所指出的，就像任何其他工程活動一樣，這個方法將同時帶來利益和負面效應。關鍵在於利益和負面效應之間的平衡。
註入氣溶膠的方法將是所有地球工程方法中見效最快的方法：它可以在一兩年內見效。另一個重要的優勢是，歷史上火山爆發噴射氣溶膠進入平流層的案例（如1991年的皮納圖波火山噴發），為科學家提供很多機會來定量的評估這個方法的有效性、利益和負面效應。當然，這個方法肯定會存在風險，但幸運的是，註入的氣溶膠會在一兩年內自然的從平流層消散。因此，如果這個方法會導致嚴重負面效應，註入活動的影響可以在一兩年終止。
菲律賓的皮納圖博火山在1991年噴發。在爆發之後的兩年中，全球溫度降低了約0.5℃，這大約是目前全球變暖幅度的一半。根據在中國和其他地方進行的測量，從酸雨和對平流層臭氧的損害方面來看，這個由火山爆發帶來的負面影響微不足道。
並且，在過去火山噴發導致的氣溶膠註入的效果和風險方面，我們已經具有定量的知識。目前的估計顯示，向平流層註入2千萬噸硫化物可以將全球溫度降低約1℃。從成本和註入技術上講，2千萬噸是相對可行、可接受的。如果我們繼續推進，一兩年後我們將看到效果。如果出了問題，我們可以停止註入，氣溶膠將在大約兩年內自然消散。
然而，正如我們稍後將討論的，這個方法目前在國際上面臨強烈的反對意見。主要反對意見是這個方法可能對正在推進的節能減碳方面的舉措帶來負面影響。盡管如此，根據『國家自主決定貢獻』（INDCs）的全球減排量計算出來預測，在本世紀末全球溫度上升有可能大幅超過2℃。因此，我們不能忽視地球工程這個選項。目前的現實估計是，到2100年溫度上升有可能達到4℃。
因此，我們不能忽視地球工程這個選項，我們需要一個有效的地球工程方法來減緩全球變暖並為減排方面的工作贏得寶貴的時間。我們建議向聯合國提交一份關於向平流層註入氣溶膠的可行性研究。如果聯合國能在利益和風險之間找到一個平衡，我們可以從相對較小的2百萬噸註入開始，以實現0.1℃的降溫為目標。我認為中國在推動這樣的大規模工程項目方面具有相當的優勢，這個工程也可能提高我們在應對氣候變化方面的世界地位。
向海洋中施鐵肥
朱彤：謝謝，劉教授。下一個話題是施鐵肥。柴教授是海洋方面地球工程學的專家。柴教授，請您介紹一下這個方面的研究進展。
柴扉：地球工程通常可以分為兩類：太陽輻射管理（SRM）和二氧化碳清除（CDR）。二氧化碳清除包括陸地和海洋兩種。在大規模碳匯和重新造林方面，陸地方法相對成熟。大多數海洋二氧化碳清除方法只是在過去幾年才開始受到關註。早期的方法之一是在高養分低葉綠素區域進行的海洋施鐵肥試驗。
首次開展的開放海洋實驗是在1992年的東赤道太平洋上進行的。在過去的30年裏，共進行了14項在高養分低葉綠素區域的海洋施鐵肥實驗，累積了大量新知識。所有實驗都表明，海洋施鐵肥是提高浮遊植物生長和增加初級生產力的有效方法。但是在碳清除效率和對海洋生態系統的負面影響方面我們仍然面對一些問題。
例如，有多少碳被運輸到500米或1000米以下？我們對這個問題沒有明確的答案。原因很簡單：在以前的研究中，我們沒有足夠的技術和工具來追蹤和測量碳排放到深海的情況。一些環境組織還強調了海洋施鐵肥的負面副作用，並希望完全停止海洋施鐵肥實驗。
現在，我們需要關註最新的觀測技術的發展，以跟蹤和測量從水表面到1000米以下及更遠的碳排放成效。通過整合傳感器技術、多種觀測平臺和數值模擬，持續的測量、報告和驗證工作將成為所有海洋二氧化碳清除方法的目標。現在是將海洋科學和環境科學與現代技術相結合的好時機。然而，要取得成功，我們需要與國際法律和倫理方面的組織合作，贏得公眾的信任。
與海洋施鐵肥相比，還有一些其他的方法相對比較年輕。例如，調節海洋堿度是一種基於化學的方法，可以改變海洋碳酸鹽系統，以減少海洋表面的二氧化碳分壓，它可能不會像施鐵肥那樣直接影響生態平衡。另外一個方法是大規模的大型藻類養殖。
在這個領域，中國對世界大型藻類生產總量的貢獻約為60%，我們主要將它作為一個食物來源。如果我們將大型藻類種植作為一個潛在的減碳方法，這個方法必須在遠海的深水區域進行。大型藻類只有沈入海底才能作為永久的碳儲存的方法。
與所有基於海洋的二氧化碳清除方法相比，施鐵肥是最成熟的。在過去的兩年中，國際社會已經重新總結了過去這一領域中的研究經驗，並成立了一個稱為『探索海洋鐵質方案』的組織（ExOIS：https://oceaniron.org/）。在這個組織中，我們討論了科學和技術的最新發展，以及法律、社會和倫理問題。
例如，誰應該負責這些海洋中的施鐵肥實驗？進行施鐵肥實驗的行為準則和最佳實踐是什麽？展望未來，我們正在分析多種實施施鐵肥實驗方案，以及這些方案在全球範圍內短期和長期的效用、效率、耐久性和影響等因素。中國的科學家在這個領域積累了豐富的知識，我們有能力參與全球合作，探索基於施鐵肥的海洋中的碳清除方法。
* 1億噸級的碳捕捉與封存：人類達到碳中和的兜底技術
朱彤：謝謝。現在，金教授，你想從你的角度發表一些評論嗎？
金之鈞：首先，我認為我們今天進行的論壇具有很大的意義和價值。其次，我想重復劉教授開始時說的：根據最新的預測，到本世紀末很難將溫度上升限製在2°C以下。我認為我們探索一些人為幹預氣候變化的方法是一個聰明的選擇。盡管我們面臨的工作量很大，但我們必須開始這個工作。
當朱教授邀請我參加這個論壇時，我非常願意參與。我從前面專家的發言中學到了很多東西。首先讓我來回答一個問題：在藻類生長後，是否可能成為一個永久固碳方法？根據我在石油和天然氣勘探方面的專業知識，答案毫無疑問是肯定的。我們今天開采的石油和天然氣的主要來源是古代海洋中的藻類。
因此，如果人類在未來停止開采並燃燒石油和天然氣，今天種植和儲存的藻類將永久的從大氣中去除二氧化碳。就個人而言，我對海洋施鐵肥持樂觀態度，前提是我們要關註可能出現的環境和生態方面的影響。幾年前，我的家鄉青島曾經遭受由滸苔引起的環境危機。
夏季時大量滸苔被沖上岸，腐爛後在沿海地區散發出嚴重的臭味，當地政府花了巨大資源來清除它。我們希望種植藻類並將其埋在海底，這需要在化學物理平衡和生態平衡方面進行廣泛的研究。
在論壇之前，我準備提出的方案是1億噸級的碳捕捉與封存。在我看來，這是人類達到碳中和的兜底技術。目前每年埋藏地下的二氧化碳數量不到1億噸，其中有4千萬噸用於提高石油和天然氣的開采效率。在「十四五」規劃期間，中國石化在勝利油田達到了百萬噸碳捕捉的能力，該項目目前正在運營中。
中國石化的下一步是實現500萬噸碳捕捉的能力，也旨在提高開采效率。因此，在短中期內，我們應該繼續朝這個方向努力。但從長遠來看，依靠利用石油工業副產品提供碳捕捉是不夠的。為了減緩氣候變化，碳捕捉的目標值應該是石油工業副產品數量的上千倍。當我們仔細分析如何大幅提高碳捕捉的能力時，我們看到兩個主導因素：第一個是通過技術進步降低成本；第二個是碳價格。
當碳價格高時，支付埋藏的成本比支付排放成本更便宜，人們會選擇埋藏。當碳價格低時，人們仍然會選擇支付排放。另一方面，當碳捕捉技術優化後，碳埋藏成本可以降到低於碳排放價格，碳埋藏變得經濟可行。目前，1噸碳捕捉的市場價格在300元到600元之間，我預計到2030年這個價格可能降至200元。
我們面臨的挑戰是通過擴大規模來進一步降低碳埋藏的價格，這就是我選擇1億噸目標能力的原因，這是價格因素。下一個問題是地點。對此，我們的答案是開采枯竭的油田。例如，沙特阿拉伯的格瓦爾油田是世界上最大的油田，現在已經接近枯竭，它估計具有100億噸的碳儲量。
中東並不是唯一適合碳捕捉的地區，俄羅斯、美國和中國都有適合的油田。我們的大慶油田儲量達到50億噸，當其儲量耗盡時，它可能成為一個重要的碳捕捉站點。我還看到了有關墨西哥灣油田的類似計劃。我鼓勵研究人員關註來自世界各地的類似提案。
我在與氣象學家的討論中還考慮到地球工程的另一種可能性。如果我們能成功的預測一個周末或一周內的天氣，就有可能避免極端天氣事件造成的重大損害。但是幾周到幾個月的中長期預測仍然非常困難。我們都聽說過人工降雨來緩解幹旱的試驗。
是否可能將降水的集中區域擴散到更大的範圍以減輕其強度和損害？我認為這也應該被歸類為地球工程的一部分。在地球工程方面我們是大有作為也必有作為。最近，我註意到在碳達峰和碳中和方面，減排得到了極大的重視。我認為這是嚴重的誤導。經濟發展是一項基本的人權。
地球上只有10億人居住在發達社會中，還有60億人正在追求更好的生活。沒有人能阻止他們發展經濟。因此，從全球的角度來看，經濟發展應該保持為主旋律，碳排放是不可避免的。我們應該投資於碳捕集與儲存和太陽輻射管理來減少二氧化碳和地球的溫度。
太陽輻射管理是雙刃劍
朱彤：謝謝金教授對碳捕捉及其在人類應對氣候變化中重要作用的精彩介紹。接下來，我們直接轉向地球工程所涉及的社會科學方面的問題。徐教授，請您介紹一下這個方向的研究工作。
徐建華：我很願意分享我在太陽輻射管理方面的研究和觀點。一個簡單的比喻可能有助於我們理解太陽輻射管理技術的復雜性：太陽輻射管理就像是給一個生病的病人開的處方藥。它可以緩解癥狀，但也會帶來副作用。在這方面，它與減排形成了鮮明的對比。
任何一個國家減少碳排放對整個世界都有益處。但是太陽輻射管理就不同了，它給全球帶來了總體利益，但也可能對某些地區產生負面影響。因此，它將引發關於公平的倫理問題。基本上，應用太陽輻射管理技術就像是在兩害相權衡中選擇較輕的一個。我們的研究報告是幾個國家的學者合作完成的。
其中我們使用了風險-風險權衡框架來分析應用太陽輻射管理技術的利弊，這可以作為促進對話和建立共識的基礎。在這個框架中，目標風險是由氣候變化引起的風險，幹預措施是減少目標風險的措施或政策，對沖風險是幹預措施的副作用。這個框架的基本結構並不復雜，但實施該框架並不容易。
以平流層註入氣溶膠為例，在該框架中需要做的一件事是確定與處方藥劑量相等的氣溶膠註入量和頻率。不同的註入量會導致不同的成本、效益和副作用，並且它們將在不同的國家和地區有不同的分布。所有這些都需要估計。我們研究報告中的示例將太陽輻射管理視為除了減排、碳清除和適應性措施之外的一種措施。
我們的初步分析表明，太陽輻射管理預計將迅速減少世界大部分地區與升溫相關的風險，例如減少極端天氣事件的頻率和強度，減緩海平面上升，減緩北極海冰和山地冰川的融化。
預計太陽輻射管理還將帶來意外的相反風險，例如降水的區域變化，高緯度地區酸沈降增加，平流層臭氧減少以及突然終止太陽輻射管理可能引發的潛在的沖擊。以太陽輻射管理為中心，學術界已經積累了廣泛的新知識，並且我們在不斷前進。
我想強調的是，應用平流層註入氣溶膠等太陽輻射管理技術面臨的情況與大多數全球環境問題不同。現有的國際條約大多限定了一個國家或地區采取的行動對全球社會有益，而太陽輻射管理技術在給全球社會帶來利益的同時也可能帶來不可忽視的副作用。我們需要製定全球機製來管理太陽輻射管理的研究和應用。
朱彤:謝謝您的介紹。我的後續問題是，雖然我們正在獲得新的知識，但在討論太陽輻射管理等前所未有的工程時仍存在相當大的不確定性。我們應該如何處理這個領域中的不確定性？
徐建華: 這是一個很棘手的問題。科學中的不確定性一直被支持派或反對派同時使用。某些技術的支持者可能會利用這些不確定性，他們可能認為我們在不確定性中總是需要做出決策，因為延遲決策會產生負面後果。太陽輻射管理的反對者也引用這些不確定性來支持自己的觀點。
他們認為，對這些技術的不確定性，在我們找到更好的理解之前，我們不能推進。我們需要在應用太陽輻射管理方面達成共識並製定決策機製。不管怎麽說，我們都需要進一步研究地球工程。此外，還需製定指導研究工作的行為準則。
中國為何較少關註地球工程？
如何改進？
朱彤:我想說的最後一點是，盡管地球工程在海外受到關註，但在中國相關的討論和研究仍然非常有限。所以，我想請各位專家簡要提出一些建議來解決這個問題。劉教授，您想先發言嗎？
劉紹臣:首先，國內研究人員應該組織對海外進展撰寫綜述。這會對於我們自己的工作起到非常有益的作用。其次，我認為我們應該利用我們國家高效的行政模式，在地球工程方面做出顯著貢獻。這將增強我們在應對氣候變化等問題上的國際話語權。
柴扉:今天我們討論了三個主要地球工程的方案：太陽輻射管理、施鐵肥和人工幹預天氣。我想強調我們需要清楚的劃分科學研究和工程實施，這一點必須對公眾闡明。同時承認這個過程中的不確定性和風險。
徐建華:我們需要交叉學科來整合地球工程中的自然科學和社會科學的因素。我們需要邀請哲學、倫理學和國際關系等學科的學者參與地球工程研究。
我之前提到的研究報告就是一個不同學科背景的學者合作研究的例子，其中自然科學和社會科學被整合起來討論太陽輻射管理技術的風險-風險權衡和治理問題。
此外，我認為中國的資助機構應該支持更多的地球工程項目。這將有助於推動國內在這一領域的研究工作。
金之鈞:我最後的建議是，我們今天的論壇討論應該被總結、傳播；最重要的是擴大規模。將來，我們可以組織規模更大的研討會，包括廣泛的演講和開放性討論。希望我們能逐步提高對這個課題的認識和研究團體的影響力，並取得實質性進展。
朱彤:我想感謝今天來自中國和國外的所有與會專家。正如我們都強調的，地球工程是一個重要且影響深遠的主題。在氣候變化的過程中，即使我們達到了碳峰值和碳中和的目標，預計的溫度上升可能超過4°C。我們現在正在目睹周圍溫度上升約1.5°C的影響。
而且我們現在知道，現在我們面臨的問題是，是否可能在減排的同時緩解氣候變化。作為科學家，我們有責任研究可行且有效的，並且負面效應比較緩和的地球工程措施。我們現在發現了有限規模的碳清除、太陽輻射管理和施鐵肥化等可能的方案。為了超越假設階段，進一步的討論和對話是形成共識的必要條件。
正如金教授和劉教授總結的那樣，像這樣的論壇討論應該在更大的範圍內進行。我們都期待未來與《國家科學評論》繼續合作，將這個激動人心的主題呈現給公眾。再次感謝大家今天的討論。---[文:朱禾/知識分子/The Intellectual]
