地球工程，如何拯救未來？

中國船級社 魏茂蘇

氣候變化與溫室氣體減排，是當(dāng)今世界爭議較少具有高度共識的話題，是另一個維度的人類命運共同體。CO2作為大自然的一個有機組成部分，一種古已有之的物質(zhì)，與大自然及人類和平共處，雖然不經(jīng)意間傷害過人類，但如果沒有了CO2，人類可能連嘆息的機會都沒有，為何發(fā)展到今天，欲圍而剿之？

為什么是CO2，導(dǎo)致了全球氣候變暖

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）基于直接測量和遙感測量，從大氣地表溫度偏暖、海洋上層變暖、冰凍圈積雪和積冰減少、海平面上升等，證實了自20世紀(jì)50年代以來氣候系統(tǒng)加速變暖。地球能量收支平衡的變化是導(dǎo)致氣候變暖的原因，而改變這種平衡的驅(qū)動因素是氣候變化驅(qū)動因子（Drivers of Climate Change），包括溫室氣體、氣溶膠、土地利用造成的反照率變化等自然和人為的物質(zhì)與過程。不同驅(qū)動因子對氣候變化的影響不同，用輻射強迫（RF，Radiative forcing）來量化評估，表示為在對流層頂部或大氣層頂部，向下輻射減去向上輻射得到的輻射通量值，單位為瓦/平方米（W/m2），正輻射強迫導(dǎo)致地表變暖，負(fù)輻射強迫導(dǎo)致地表變冷。

不同驅(qū)動因子輻射強迫值如圖1所示，相較于1750年的270年間，所有納入評估的驅(qū)動因子RF值，氣溶膠、土地利用造成的反照率變化RF為-0.15，屬降溫效應(yīng)，太陽輻射變化RF值為0.05，對氣候變化的影響很小，溫室氣體RF最大，其中CO2輻射強迫為1.68、甲烷為0.97、鹵代烴為0.18、氧化亞氮為0.17，CO2輻射強迫占56%，顯示了強大的溫升能力。人為因素導(dǎo)致的RF合計為2.21，是自然RF的44倍。圖1同時給出了工業(yè)革命以來，總?cè)藶檩椛鋸娖仍鲩L情況，1750-1950年200年間，RF僅增長0.57，1950-1980年30年 間，RF增 長 了0.68到1.25， 而1980-2011年30年間，RF增長了1.04到2.29，增速是前30年的1.53倍，顯示了人為因素對溫升的影響加快。

圖1 人為與自然驅(qū)動因子強迫值

工業(yè)革命以來，人類科技文明進(jìn)步、財富增長、生活質(zhì)量的提高，高度依賴化石能源消耗，1970-2010年時期，人類活動引起的溫室氣體排放總量持續(xù)增加，1970-2000年每年增加4億噸CO2當(dāng)量，2000-2010年 每 年 增 加10億 噸CO2當(dāng)量，后十年增速是前30年的2.5倍，1970-2010年溫室氣體總增量約為78%。由此看來，無論從輻射強迫大小，還是從排放總量來看，影響氣候變化的人為驅(qū)動因子，非CO2莫屬。

世紀(jì)末溫度控制目標(biāo)，1.5℃還是2℃

量化未來至世紀(jì)末溫升對自然、經(jīng)濟和社會的影響，是件復(fù)雜而困難的事情，涉及風(fēng)險評估與價值判斷。IPCC基于文獻(xiàn)評估和專家判斷，選取5個關(guān)切理由(RFC，Reasons for Concern)建立氣候評估模型，以1986-2005年時期(近期)全球平均溫度為基礎(chǔ)，采用置信水平（L、M、H、VH分別代表低、中、高、非常高）作為評估標(biāo)準(zhǔn)，評估氣候變化對人類、經(jīng)濟和生態(tài)系統(tǒng)的影響。5個關(guān)切理由包括，RFC1-獨特和受威脅系統(tǒng)（Unique and threatened systems）；RFC2-極 端 天 氣 事件（Extreme weather events）；RFC3-影響分布（Distribution of impacts）；RFC4-全 球 綜 合 影 響（Global aggregate impacts）和RFC5-大尺度獨特事（large-scale singular events），如圖2。

圖2 氣候變化導(dǎo)致的風(fēng)險評估

與工業(yè)化前相比，人類活動已造成全球地表溫度升高約1.0℃，如果保持目前增速，2030—2052年全球溫升可能已達(dá)1.5℃。從1.5℃升至2.0℃，區(qū)域氣候特征差異將更加明顯，大多數(shù)陸地和海洋平均溫度升高、居住區(qū)域極端高溫增多、區(qū)域強降水增多、區(qū)域干旱和降水不足概率增加。而控制全球溫升在1.5℃，可以降低海平面升高0.1米，降低陸地、海洋、淡水生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性及物種損失與滅絕，及其對服務(wù)人類功能的影響。

隨著全球溫度升高，與氣候有關(guān)的人類健康、糧食安全、安全生產(chǎn)活動風(fēng)險將增加，無論是1.5℃還是2.0℃，都會對自然、環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生不利影響，人類活動對自然的影響，當(dāng)然以不影響為好，兩害相權(quán)取其輕，最好不要打擾南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林里的蝴蝶。

氣候減緩路徑，關(guān)乎自然、安全與發(fā)展

未來至世紀(jì)末氣溫變化，與社會和經(jīng)濟發(fā)展、氣候系統(tǒng)的無序性及自然變率、排放趨勢、人為排放與氣候系統(tǒng)的相互影響相關(guān)。基于一系列人為強迫情景，IPCC設(shè)計了簡單氣候、中等復(fù)雜、綜合氣候以及地球系統(tǒng)等模式來模擬氣候變化。代表性濃度路徑或典型濃度路徑（RCPs，Representative Concentration Pathways）是世界氣候研究計劃框架下的一套新情景，根據(jù)人口、經(jīng)濟及技術(shù)發(fā)展、以及政策選擇，為人類未來社會設(shè)計的不同發(fā)展情景，這些情景與各種氣候政策或無氣候政策排放情景（SSPs，Shared Socio-economic Pathways）相配合，用于評估不同政策選擇可能帶來的氣候變化。

RCP通常指到2100年之前的濃度路徑，IPCC將其表述為時間序列上一組包括了所有溫室氣體、氣溶膠、化學(xué)活性氣體的排放與濃度，以及土地利用/土地覆蓋狀況的情景。典型強調(diào)的是每個RCP只提供導(dǎo)致特定輻射強迫特征的一個情景，路徑強調(diào)的是隨著時間推移達(dá)到這個結(jié)果（特定輻射強迫特征）的軌跡。IPCC設(shè)計了RCP2.6、RCP4.5和RCP6.0、RCP8.5 4個情景，數(shù)字代表其輻射強迫值（RF，W/m2），用相對于1750年總輻射強迫近似值表示，RCP2.6為低強迫水平的減緩情景，2100年前達(dá)到峰值；RCP 4.5和RCP 6.0是兩個中等穩(wěn)定情景，2100年后達(dá)到恒定；RCP 8.5是高排放情景，2250年后達(dá)到恒定。本世紀(jì)中葉，除RCP2.6情景的其他3個情景，全球表面溫度變化有可能超過1.5℃；本世紀(jì)末全球表面溫度在RCP4.5情景下多半可能超過2℃，RCP6.0和RCP8.5情景下會超過2℃，2100年之后仍將持續(xù)變暖，并且不具有區(qū)域一致性。

共享社會經(jīng)濟路徑(SSP，Shared Socio-economic Pathways)，指在沒有氣候政策干預(yù)的情況下，到2100年社會經(jīng)濟可能的發(fā)展，分為SSP1、SSP2、SSP3、SSP4和SSP5五個共享模式，人口發(fā)展規(guī)模從70億到130億不等，結(jié)合收入、技術(shù)、平等、貿(mào)易、資源與消費模式評估未來氣候變化的適應(yīng)與挑戰(zhàn)。SSP理念正在作為新的排放和社會經(jīng)濟情景得到發(fā)展，逐漸替代BAU(business as usual)， SSP與RCP自由組合，為氣候影響和政策制定提供了一個綜合框架，為學(xué)界采用。

顯然不同濃度路徑導(dǎo)致不同的溫升結(jié)果，對地球生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)、人類賴以生存的糧食生產(chǎn)、社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生不同影響。人口和經(jīng)濟規(guī)模持續(xù)增長影響了氣候，氣候變化又導(dǎo)致颶風(fēng)、區(qū)域性高溫干旱、冰凍暴雨洪災(zāi)、糧食減產(chǎn)絕產(chǎn)等災(zāi)害頻繁發(fā)生，反過來威脅人類生存與健康。生存還是發(fā)展，這是個問題，為未來，故人類需要規(guī)劃發(fā)展之路，降低對環(huán)境的影響。火星很美麗，但未知與挑戰(zhàn)比規(guī)劃地球未來要困得的多，藍(lán)色星球仍是人類現(xiàn)在未來美好家園。

減緩氣候變化的地球工程，遮陽防曬與散熱

如何減緩增量溫室氣體對氣候的影響，IPCC擬議了地球工程又稱氣候工程，包括太陽輻射 管 理（SRM，Solar Radiation Management）和CO2清除（CDR，Carbon Dioxide Removal）通過干預(yù)地球系統(tǒng)以抵消氣候變化給地球造成的不利影響。

SRM通過調(diào)整地球輻射通量控制地球能量收支，方法有兩類，一是減少到達(dá)地球的陽光輻射量，二是提高地球?qū)﹃柟獾姆瓷渎剩斯は蚱搅鲗幼⑷霘馊苣z和云增亮是太陽輻射管理的代表性技術(shù)。SRM理論上是可行的，但最終形成的區(qū)域氣候改善，受能量流動、大氣循環(huán)和天氣影響，可能以影響其他區(qū)域氣候為代價，干擾全球氣候系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)，自家門前雪掃干凈了，別人家瓦上又結(jié)新霜，存在政治倫理風(fēng)險。人工增雨雪、防雹、消雨、消霧、防霜凍等，是對局部大氣物理過程進(jìn)行人工強力干預(yù)，避免或減輕局部氣象災(zāi)害影響，著眼于短期小范圍氣象干預(yù)，與SRM有所不同。

CDR通過改變碳循環(huán)過程或工業(yè)過程，有計劃地將CO2從大氣中清除。如大規(guī)模植樹造林、退耕還林、生物碳土壤碳捕獲、生物能源結(jié)合碳捕獲和封存、以及海洋施肥，大氣中移除的CO2以有機或無機形式儲存于陸地、海洋及地質(zhì)儲層中。生物清除CO2屬于自然固碳過程，沒有或較少副作用。特別值得關(guān)注的是碳捕捉與封存，存在不同觀點，一部分支持并付諸實踐，一部分反對認(rèn)為得不償失，其實碳捕捉技術(shù)本身并沒有對錯，挑戰(zhàn)來自于實現(xiàn)碳捕捉與封存是否會造成額外能源消耗或排放，所以IPCC給出的方法是生物能源結(jié)合碳捕獲和封存，利用可再生能源或工程廢熱實現(xiàn)碳捕捉封存。與太陽輻射管理、化學(xué)除碳等高科技方法相比，生物固碳既可打造綠水青山，又可實現(xiàn)低成本高效益CO2清除。

太陽輻射管理，好比給地球打遮陽傘或蓋件有熱反射功能的衣服，降低陽光對地球熱輻射灼傷，而清除大氣中的CO2，降低大氣中溫室氣體濃度，好比給地球換件透氣性好的衣服，地球表面產(chǎn)生的熱量能快速釋放出去，疏堵結(jié)合，讓地球舒適工作生活。

圖5 減緩氣候變化的地球工程

碳達(dá)峰與碳中和，行業(yè)合縱與跨界連橫

碳達(dá)峰要求最早出現(xiàn)在《巴黎協(xié)定》中，為實現(xiàn)全球氣溫升幅控制在工業(yè)化前2℃乃至1.5℃水平，締約方應(yīng)盡快達(dá)到溫室氣體排放的全球峰值。工業(yè)化前CO2自產(chǎn)自銷，全球碳循環(huán)維持自然平衡，工業(yè)化打破了這種平衡，人類向大氣中釋放的CO2，經(jīng)大氣、海洋和植被擴散，在陸地生物圈、海洋生物圈、地質(zhì)圈交換，對新增碳進(jìn)行再分配，直到不同碳儲存圈之間的交換接近新平衡，時間從一年、數(shù)萬年到數(shù)十萬年不等，不能進(jìn)入循環(huán)的新增CO2在大氣中游蕩，逐年累積，溫室效應(yīng)由量變到質(zhì)變，影響全球氣候。

儲存物質(zhì)的空間可以理解為庫，如水庫、糧庫、金庫等，儲存碳的空間稱為碳庫，陸地生物圈、海洋生物和地質(zhì)圈是三個有效碳庫。有意思的是，IPCC未將大氣作為碳存儲庫，意味著大氣只是運輸CO2的快遞小哥，專門負(fù)責(zé)接收與清除CO2，維持碳在大氣、海洋生物圈、陸地生物圈和地質(zhì)圈之間的平衡。因此，碳達(dá)峰可以理解為碳循環(huán)鏈上的各碳庫儲碳量不再繼續(xù)增長，即入庫量達(dá)到峰值并維持穩(wěn)定（本文將大氣視為碳庫）。任何個體、組織、行業(yè)、國家、區(qū)域一體化組織乃至全球，其任何活動或過程中釋放的CO2，都可以用入庫量來衡量，入庫量維持恒定不再增長，碳達(dá)峰目標(biāo)就實現(xiàn)了，而入庫量等于與出庫量（碳匯），碳中和的目標(biāo)就實現(xiàn)了。

碳達(dá)峰與碳中和，涉及能源供給、能源消費終端、農(nóng)業(yè)林業(yè)和其他土地利用、人類居住區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施與空間規(guī)劃，需要行業(yè)和國家政策引導(dǎo)，依靠技術(shù)進(jìn)步、可再生資源及風(fēng)光等宇宙能源開發(fā)利用，實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展。有些行業(yè)注定無法實現(xiàn)零排放，如依賴化石能源的企業(yè)，跨界合作實現(xiàn)碳中和就成了必然，這種合作未必是你情我愿，需要通過碳配額、碳稅等措施實現(xiàn)綠色公平。

碳達(dá)峰只是實現(xiàn)碳中和的過程事件，雖然任何企業(yè)、團體、行業(yè)都可實現(xiàn)碳中和，但孤立的碳中和乃至零排放并不具有減緩氣候變化的實質(zhì)影響力，需要整個產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，如產(chǎn)品，從原料開采、零部件加工、成品生產(chǎn)、物流運輸、終端使用到報廢拆解，產(chǎn)業(yè)鏈上某個環(huán)節(jié)的低碳或零碳排放，可能是以另一個環(huán)節(jié)的高碳排放為代價，整個產(chǎn)業(yè)鏈碳中和才具意義。以交通運輸為例，交通運輸是服務(wù)性行業(yè)，放到全球碳循環(huán)的大生態(tài)圈看，也只是眾多排放源中的一個，其碳排放主要取決于社會化分工下市場產(chǎn)品供應(yīng)鏈，如運輸工具、運輸方式與能源結(jié)構(gòu)，但這不意味著交通運輸業(yè)碳達(dá)峰碳中和無可為，恰恰可以通過低碳交通需求規(guī)劃，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈低碳零碳發(fā)展，提高運輸組織管理效能，合縱連橫，實現(xiàn)交通運輸業(yè)綠色低碳發(fā)展。

圖6 全球碳循環(huán)路線圖與平衡時間