Hacking the atmosphere: Geoengineering gets a reality check

破解大气层：地球工程接受现实检验 | MIT Technology Review

气候与能源

破解大气层：地球工程接受现实检验

研究人员开始探索我们需要开发的工具和系统，以降低地球温度。

约翰·麦克尼尔 | 来自 IRIS AERO CORP. 的照片

作者

• 詹姆斯·坦普尔 档案页面

2026年6月17日

吉姆·弗兰克拉开办公室环绕式办公桌上的演示文稿封面，露出了一幅奇特飞机的插图，巨大的机翼从短粗的机身两侧延伸出去。

这架无人驾驶飞机飞行高度比商用喷气式飞机高出数千米，高到你可以看到地球的曲率。这正是开始人工冷却地球所需的飞机类型。这些巨大的机翼可以让飞机及其有效载荷在平流层飞行，大约在地表上方十几英里（或20公里）处，那里的空气要稀薄得多，密度仅为地表附近的5%。一旦到达该高度，飞机将释放一些材料，经过几个化学步骤后，这些材料可以将阳光反射回太空。

“如果你想在短期内到达20公里高度，这可能是最好的选择，”来自芝加哥大学的研究助理教授弗兰克说道。

弗兰克是少数但日益增长的科学家群体之一，他们专注于与太阳地球工程相关的工程挑战。太阳地球工程是一个有争议的想法，即我们可以通过有意识地干预气候系统来抵消全球变暖。

这个概念来源于火山。过去大规模的火山喷发通过将二氧化硫和其他化合物喷射到平流层，从而降低了全球温度，这些化合物会转化为散射阳光的颗粒。近年来数百项研究都表明，人类尝试模仿这一机制将迅速且高效地起作用——至少在气候模型的范围内是这样。

但这些计算机模拟只是对现实世界运作方式的近似。它们忽略了众多挑战。例如，目前尚不存在能够将必要负载运送到必要高度的飞机。或者，我们尚不清楚如何释放材料，使得大部分材料转化为微小的反射气溶胶，而不是聚集成团并从天空中落下。甚至，我们还不清楚在飞机上应该装载什么特定的物质，因为关于安全性、成本和效果的问题仍然存在。

在这些不断累积的未知因素中，越来越多的太阳地球工程研究正超越计算机模拟，深入到详细设计和实际工程工作，这些工作是在我们能够开展降温行动之前必须完成的。所需任务范围从发明高空飞机，到掌握精确的化学和释放机制以分散材料，再到构建监测基础设施，以确定这些措施是否真的有效。

我们是否应该对地球进行地球工程，这个问题没有明确的答案。它可能通过减少灾难性热浪、洪水、干旱和饥荒的危险，拯救数百万人的生命。但许多人担心，它太危险，甚至不能考虑，更不用说认真研究了，他们认为我们无法预测操纵如此庞大、复杂、相互关联的行星系统可能带来的螺旋式后果。

批评者认为，这一阶段研究的势头正在增强，这将使世界上某个人最终更有可能启动地球工程，无论还存在哪些未知因素，或对世界某些地区可能带来的危险。

“我认为这非常危险，因为我们对科学和技术的了解，”爱尔兰梅努斯大学气候正义教授 Jennie Stephens 表示。“投入越多，进展越快，部署的可能性就越大。”

但支持这项实际研究的人则认为，通过模拟我们如何实施一项太阳地球工程计划，将有助于加深我们对潜在益处和风险的理解，从而确保如果有人试图干预气候，他们至少可以以一种更知情和可能更安全的方式进行。

芝加哥大学气候系统工程倡议（CSEi）于 2024 年在著名地球工程研究员 David Keith 的领导下正式成立。

MIT 技术评论 | Justin Saglio

这仍然是一个非常小众的领域。目前正在进行的许多工作都集中在芝加哥大学的气候系统工程倡议（CSEi）上，该倡议于 2024 年在著名地球工程研究员 David Keith 的领导下正式成立。

Franke 在获得地球科学博士学位之前是一名专业工程师，他正在监督一系列相互关联的研究项目和合作，旨在解决许多工程上的不确定性。其中包括目前正在他桌上的设计图——用于地球工程计划初期阶段可能使用的飞机类型。

Franke 认为，更多的计算机模拟并不能回答该领域中仍然存在的重大问题，包括最引人关注的问题：可能会出错的“怪物”。

“我个人对额外的模型开发或更多的模拟能否令人满意地解决这些问题持怀疑态度，”他说。“因此，我对继续开发更多模型并不太感兴趣。”

对 Franke 来说，现在是下一步的时候了：“我们感兴趣的是，如果你真的想这么做，你实际上会怎么做。”

我们所不知道的

太阳地球工程通常被描绘成应对气候变化的一种相对便宜且容易的解决方案。但随着研究人员更仔细地审视其细节，他们发现存在相当多的不确定性、缺失的工具和尚未建设的基础设施。

这些因素可能不会成为阻碍，但我们仍需要时间和资金来开发实施太阳地球工程计划早期阶段所需的组件。从根本上说，这项研究并不是真正要启动某事，而是弄清楚要实现这一点需要什么。

一家年轻的旧金山非营利组织 Reflective 最近与该领域的科学家合作，试图弄清楚我们仍然不知道多少。

该过程始于描述该组织的“良好管理、适度”的情景，该组织汇集捐款人资金用于资助地球工程研究。这一情景设想是：到2035年，某个国家或一组国家开始小规模的地球工程部署，在南北极附近喷洒等量的二氧化硫或硫化氢——这些气体在平流层中应转化为反射性气溶胶。初始计划将释放足够多的物质，使温度降低约0.1°C，从而削减自工业时代开始以来全球升温约1.4°C中的一小部分。

南北极在这一情景和其他早期阶段的地球工程情景中占据重要位置，原因很简单：在极地地区，平流层从低至7公里的高度开始（而在赤道地区则约为18至20公里）。这使得更容易到达，现有飞机只需一些修改，就可以将大量载荷运送到那里。

但问题是，这种降温效果在最北端和最南端的纬度会更加明显。这是因为，除了其他复杂的机制外，热带平流层的较高温度会阻止在极地附近释放的气溶胶向赤道漂移。因此，在这些地区部署地球工程，对热带地区那些较热且较贫穷的国家的影响可能较为温和，而这些地区也是最容易受到气候变化影响的地区之一。

为了实现全球范围内的均匀且公平的降温，最终需要在更接近赤道的地区增加飞行活动。在接下来的十年左右，按照Reflective的情景，该项目将逐步扩大规模，转向在副热带地区飞行的新型飞机，并释放足够多的物质，以实现全球降温0.5°C。

研究人员随后探讨的问题是：如果我们想要实施这样的情景，还需要做哪些事情才能实现它？

结果是，还需要做很多事情。今年早些时候，Reflective发布了其SAI不确定性数据库（SAI代表“平流层气溶胶注入”），突出了各种科学未知数和六个工程障碍。

其中包括：弄清楚改装现有飞机以执行项目早期阶段的难度和成本。在极地部署还可能需要建设新的机场，建立新的航运路线或铁路以运输物资，并建造能够处理原材料的设施，例如通过燃烧元素硫来生产二氧化硫。

我们还需要建造更多的仪器，并将其通过气球、无人机或其他飞机送入平流层，以观察那里的基线化学成分、反射率和化合物的分布情况，并跟踪新物质释放后发生的变化。

最后，目前主要用于从太空观测平流层的卫星将在未来几年内陆续退役，这将导致“迫在眉睫的数据荒漠”，如2025年发表在《美国气象学会公报》上的一篇文章所警告的那样。虽然有几种新的仪器正在开发中或已准备好发射，但Reflective指出，在我们希望对基线条件有清晰了解的时刻，可能会出现观测数据的空白。

非营利组织的首席执行官达科塔·格鲁纳强调，该组织并不提倡使用太阳能地球工程。但她表示，现在开始解决工程上的不确定性非常重要，因为这可以对气候模型中的假设进行压力测试，帮助我们判断在计算机模拟中探索的场景是否在现实世界中可行。

她还表示，这样做也很重要，因为解决所有这些未知可能需要很长时间，而与此同时，气候变化正在持续加剧。“如果我们现在没有给予足够的关注，可能会措手不及，”格鲁纳告诉《麻省理工科技评论》。

一项发表于《地球未来》期刊上的2024年分析指出，开发用于首次部署所需的飞机和基础设施可能非常昂贵且耗时。该研究探讨了到2040年，一个围绕极地运行的地球工程计划，能够将地球最北端和最南端的温度降低2°C，需要哪些条件。结论是：这可能至少需要十年的工作和350亿美元的投资。

哈佛大学的研究员、该研究的主要作者韦克·史密斯也表示，研究人员现在需要推进工程研究，因为随着气候变化变得越来越灾难性，使用这项技术的冲动可能会变得越来越强。

“我担心的风险是在尚未充分理解这项技术之前就急于使用它，从而导致实施不当，”他说，随后补充道：“我们越早开始，几十年后在是否实施、如何实施以及何时实施等问题上，就能做出更好的决策。”

一种新型飞机

弗兰克办公桌上所展示的飞机目前仍只是一个概念，但满载时它可能能够飞越赤道上方平流层的边界。如果拥有270架这样的飞机，每年可以分散约100万吨的材料，足以使全球地表温度降低约0.26°C。

CSEi将设计该飞机的工作外包给了约翰·兰福德，一位知名的航空工程师和企业家。兰福德的公司Electra.aero此前曾与麻省理工学院航空与航天工程系合作，开发能够执行平流层长期科学任务的自主太阳能飞机。他现在正在推出一家新公司Iris Aero，专门生产这些飞机，这些飞机由一个覆盖太阳能板的连续机翼组成，并悬挂在一个小机身之上。

兰福德预计，这种太阳能飞机的主要初始商业应用将是野火监测和预测。但他表示，通过更换一套不同的仪器，这种飞机也可以用来监测在平流层中分散的材料可能如何改变那里的条件。

这种新型飞机是观测飞机的一种变体，增加了必要的空间和推力，以便将这些材料运送到平流层并释放。它具有更宽的翼展，并将太阳能板替换为一对劳斯莱斯AE 3007发动机。

该飞机还将配备一个可拆卸的油箱，其功能类似于半挂车的拖车。这将使得在飞行之间加载材料成为可能，并防止这些材料对飞机本身造成任何损害，其中一些材料具有腐蚀性，兰福德表示。

他说，他和团队已经完成了初步设计，目前正在开展更详细的工程和成本分析。他们计划在项目完成后公布研究成果。

“我们非常希望能制造出这种飞机的原型，并认为我们可以在相对较短的时间内完成这项工作，”Langford表示。“但这一切都取决于David的团队想做什么。”

项目

David Keith的团队CSEi仍在组建中。

芝加哥大学于2024年推出了这项研究计划，并承诺将再聘请10名教职员工，以增进对各种地球工程形式的科学理解，并探讨与政策、伦理和治理相关的复杂问题。截至发稿时，他们已聘用了其中的两人。

芝加哥大学气候经济学家、大学气候与可持续增长研究所创始主任Michael Greenstone表示，他们看到了一个机会，可以在这个领域发挥领导作用，尽管该领域尚未得到足够的学术关注，但其在应对气候变化危险方面具有巨大潜力。

Greenstone表示：“整体来看，大学在不研究地球工程的技术、社会、政治甚至人文学科方面，实际上是在犯学术上的错误。”

他帮助招募了Keith来领导这项计划。

62岁的Keith此前在哈佛大学担任应用物理和公共政策教授近13年，期间他领导建立了该校的太阳地球工程研究计划。更为人所知的是，他试图进行一项可能成为首次在平流层释放物质的太阳地球工程实验，即SCoPEx。但经过多年的努力和多次延迟后，研究团队最终在2024年初因环境和原住民团体的强烈批评，以及瑞典政府的最终干预，放弃了该项目。

Keith长期以来一直认为，研究人员应认真研究地球工程，因为它可能会显著减少气候变化带来的危险，从而在大规模上缓解死亡、破坏和痛苦。

他表示，芝加哥大学计划的总体目标是通过汇聚“足够多的独立教授和其他研究人员”，来“围绕气候工程建立一个广泛的学术研究社区”。

“太阳地球工程无疑具有复杂且可能危险的政治后果，但其他许多新兴理念和技术也是如此。”David Keith，地球工程研究员

他告诉我：“芝加哥大学是第一所真正试图以严肃方式将地球工程作为一个领域来建设的大型大学，使其不再仅仅依赖于一个人。”“这是一个巨大的承诺。”

Keith本人已成为一个有争议的人物，对某些人来说，他是地球工程的代表。他表示，现在他希望帮助建立一个更大、更可持续的研究计划，这个计划将超越他个人的参与。他告诉管理人员，他不应担任该计划的负责人超过五年。

“代际交接非常重要，”他说，并补充道：“我认为这非常重要，这不应该成为‘David Keith的个人秀’。”

CSEi 的研究人员现在正在探索 Reflective 在其分析中提出的几乎所有工程挑战。除了对新型飞机和原位观测的研究外，该团队还在设计小型“立方体”卫星，这些卫星配备了专门用于观测平流层的光学传感器。他们还在研究哪些材料最适合运送到平流层，以及如何最有效地释放这些材料。

目标是“提供可以被独立评估、批判性评估的公共信息，使政策制定者能够更清楚地了解哪些是可能的，哪些是不可能的”，Keith 表示。

正常化一个危险的想法

围绕太阳地球工程的讨论正在迅速超越学术和理论领域。一些初创公司，有些比其他的更认真，已经开始测试未来可能用于冷却地球的技术。

然而，批评者认为，太阳地球工程是技术解决方案主义的顶峰，它用高科技的创可贴来应对由早期技术引发的全球性危机，而不是解决根本原因。此外，他们认为，无法以全球公平的方式部署或治理它，因为它的任何使用都将对某些地区更有利，而对其他地区则可能不利。

即使太阳地球工程成功将全球平均气温降低约 1°C，这在不同地区意味着的却可能截然不同。

它可能使美国大部分地区和世界温带地区的农民保持繁荣，城市也得以安全。但较低的温度可能对俄罗斯提高农业生产力过于寒冷，而对北非的自给农业来说可能仍然过于炎热。

一些研究还表明，高水平的太阳地球工程可能在某些地区带来新的危险，可能改变季风降雨，减少农业产量，改变传染病的分布范围等。

这些复杂性引发了一系列棘手且具有争议的伦理问题。即使太阳地球工程在大多数地区比一个气候变化失控的世界带来更好的条件，如果它在少数地区引发致命的饥荒或洪水，它是否仍然可以被接受？决定是否可以部署它需要什么样的全球共识？我们又该如何确定将地球温度设定在何处，以及何时（如果有的话）关闭这项技术？

Stephens 认为，答案，就像世界上许多其他问题一样，最终将取决于财富和权力。拥有资源部署此类系统的国家、公司，甚至富裕个人，将有充分的动机将其调整到最符合自身利益的状态，而不顾及对其他人可能造成的影响。

“将是一些拥有大量财富和权力的人决定何时以及如何进行，谁应该受益，谁将被牺牲，”她说。“这就是我认为这项技术的任何进展都如此危险的根本原因。”

环境研究员兼政治科学家 Duncan McLaren 认为，转向实际工程研究需要对研究领域进行更多的监督。

他解释说，对于像 SCoPEx 这样的户外实验的许多批评者而言，主要关注点并不是环境或安全风险（这些风险很小），问题在于对一个可能减少减少温室气体排放压力的概念的正常化。

他说，无论研究进展是在论文中、在实验室里，还是在平流层中，都会带来类似的危险：让化石燃料行业和其他商业利益方声称存在一种更简单的解决方案，从而削弱气候行动的进展，这种解决方案不需要对我们的能源系统进行全面改造。3月份，得克萨斯保守派联盟研究协会发布的一份政策文件提出了这个观点，指出与“强制性转型”所带来的“惊人高昂的成本”相比，太阳地球工程的成本要低得多。

鉴于这种所谓的道德风险，麦卡伦表示，设计和工程工作应与户外实验一样，接受同等水平的科学监督，包括伦理审查、风险评估和公众参与。

“这应该更加严格，”他说，“研究人员想要做这件事应该面临更多的障碍。”

“下一步的伦理”

基思强烈反驳这一说法，他将对没有物理风险的开放学术研究进行监管的想法称为“深刻不自由主义”。

他在一封电子邮件中表示：“太阳地球工程确实可能带来复杂且潜在危险的政治后果，但其他许多新兴理念和技术也是如此。应对这些挑战的最佳机会，是公开和自由地进行讨论。”

基思支持将太阳地球工程技术保留在公共领域，并同意气候防御的第一道防线必须是迅速而深入地减少温室气体排放。然而，世界在减少气候污染方面进展甚微，二氧化碳在大气中可以存在数千年，而地球正在迅速变暖。因此，他认为我们可能需要采取其他措施来缓解日益增长的威胁。

鉴于该技术的潜在前景，他指出，限制该领域研究的门槛应该“非常高”。

在访问了孟加拉国被洪水摧毁的村庄后，基思在与纪录片《文明的C计划》导演的采访中强调了这一点。他说：“我认为人们必须迈出下一步的伦理。”“如果你真的要拒绝接触和了解一种可能拯救无数生命的技术——真实的生命，我们在过去几天里遇到的人——你必须非常确信这种技术会被滥用。”

粒子

芝加哥大学的助理教授王明义带我沿着走廊走进亨利·海因斯地球物理科学实验室的一间方形白色实验室。

他拉开入口处一台灰色海尔生物医疗冷冻柜的门，露出一根垂直悬挂、底部逐渐变细的透明流动管。

这是一个微型平流层，温度低于−50°C，内部充满了与我们上方约20公里处相同的氧气、氮气和其他空气分子混合物。一系列特氟龙和不锈钢管道通入该装置，使王明义和他的团队能够添加各种气体或颗粒，并观察它们的反应。

王明义是一位研究气溶胶形成过程的大气科学家，他现在正在探索哪些材料可能最有效于降低温度。

这幅插图展示了未来可能用于将地球降温材料送入平流层的高空飞机类型。

COURTESY OF IRIS AERO CORP.

大多数聚焦于太阳工程的建模实验都探索将硫酸添加到平流层的影响，因为火山爆发后最终到达那里的就是硫酸。

但仅仅将硫酸运送到那里并释放出来，成本高且复杂，因为硫酸很重且粘稠。因此，王和他的团队正在那条寒冷的流动管中进行实验，以确定哪些物质（包括酸的前体）最能产生理想尺寸的气溶胶，以反射掉阳光——以及如何最好地防止这些材料与现有粒子简单地聚集在一起并从平流层中沉降出去。

基思称王为“一颗新星”，他已找到了这个问题的一个新颖解决方案，尽管他目前还没有准备好透露全部细节。他和他的团队正在将实验结果输入他们开发的平流层羽流计算机模拟中。这些模拟反过来可以插入到大规模气候模型中，以改进对小尺度效应的模拟，从而增强我们对平流层化学的理解。

王表示，进行这项详细研究非常重要，因为到目前为止，气候模型只是假设你会最终得到合适尺寸的气溶胶。

“从科学角度来看，我们可能理解得相当不错，但从工程角度来看——我们真的知道如何正确地去做吗？”他问道。“这是一个大问题。”

下一步

当我开始报道CSEi时，我假设一些工程和设计工作将导致新的平流层实验提案，从SCoPEx留下的地方继续推进。

然而，基思坚持认为，他没有兴趣重历那次经历，因为那次实验作为更广泛社会关于太阳工程讨论的焦点，所承受的重量太大了。他也不认为该倡议中的其他“实际工程”工作会导向实地实验，至少在目前阶段是这样。

事实上，大部分工作集中在更进一步的步骤上：探索如果一个国家或一组国家最终决定启动一项地球工程活动，需要做些什么。弗兰克指出，我们已经有了可以到达平流层下限的气球和其他飞行器，以释放一定量的实验性二氧化硫。

“我们现在考虑的是：我们正在努力开发，我们认为，如果有人想开始进行太阳辐射管理（SAI），所需的工具。”他说。

他和基思都迅速强调，研究小组并不打算实际制造部署太阳工程所需的物理设备，甚至不包括兰福德公司设计的飞机。

事实上，芝加哥大学的大多数研究人员都强调，他们并不主张使用地球工程；他们进行研究是为了向公众和政策制定者提供有关其利弊的信息。

但经过几十年对这一主题的深入研究，至少基思在这一点上的想法已经发生了变化，他的公开评论也反映了这一点。

“作为一名科学家，我认为证据表明，早期部署——谨慎、半球平衡、缓慢、受监控的早期部署——其带来的好处大于风险。”他说。“我认为这一证据非常有力。”

基思补充说，如果世界上有某种全球公投决定是否启动太阳工程，他将投赞成票。

“我认为这个领域应该停止对使用‘部署’这个词感到如此羞愧，”他说。

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插图由 Rose Wong 提供

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