多云天气有望使地球降温

故事说，起初，地球是空无一物的，黑暗笼罩着深渊的表面。几千年后，一位名叫詹姆斯·洛夫洛克的独立科学家开始思考这种原始的安排：他想象了一个名为雏菊世界的虚构星球，上面铺满了黑白相间的雏菊。淡色的花朵反射阳光，而暗色的花朵吸收光和热。随着太阳光线越来越强，花朵的平衡发生了变化，稳定了地球的温度。

洛夫洛克推测，类似的过程可能在漫长的地质时期内维持了地球的温度。他认为地球的系统可以自我调节，并在 20 世纪 70 年代提出了后来被称为盖亚假说的假说。1987 年，国会听证会结束后不久——在听证会上，罗德岛州的一位共和党参议员得出结论：“科学证据……告诉我们，我们遇到了问题”——洛夫洛克不再满足于隐喻。他与一组大气科学家一起，建立了一个不那么假设的模型，其中海洋中的藻类数量影响云的发展，这与他的雏菊效应类似。

很快，一位云物理学家又向前迈进了一步。1990 年，曼彻斯特理工学院教授约翰·莱瑟姆 (John Latham) 建议，可以故意提高海洋上空低空云层的反射率，以补偿温室气体排放导致的地球变热。2002 年，莱瑟姆概述了后来被称为海洋云增亮的过程，他建议船只可以向大气中喷洒海盐，额外的颗粒将有助于水蒸气凝结。这样一来，云层中的水滴数量就会增加——就像白色雏菊一样，将更多的阳光送回太空。

自莱瑟姆首次提出云层增亮理论以来的 30 年里，大气中碳的变暖效应增加了 40% 以上。随着气温升高，干旱、野火和极端降雨等全球事件的变化速度比科学家最初预测的要快。随着气候危机的加剧，问题变得更加紧迫：改变云层真的能给地球降温吗？

在帕洛阿尔托研究中心修剪整齐的场地上，一顶高大的白色活动帐篷突然打断了屋顶的低矮轮廓。即使对于这家位于硅谷的研发公司来说，帐篷内的实验也是一次登月计划。一个巨大的风扇开始旋转，工程师们正在测试专门用于测量微小气溶胶的仪器。然后有人打开压缩空气泵的阀门，随着一声响亮的呼呼声，喷嘴开始喷洒海水。帐篷里充满了薄雾，加州的阳光透过薄雾照进来。“就像置身于云层之中，”华盛顿大学大气物理学家兼高级研究员 Sarah Doherty 说。水滴干得很快，但它们所含的盐晶体却悬在空中，直到空气尝起来像泪水。

受洛夫洛克和莱瑟姆关于维持全球温度稳定的想法的影响，一小群来自世界顶级科技公司的退休物理学家和工程师每周都会聚集在这里，目标是开发一种可以从船上喷洒海水来照亮海洋云层的系统。他们被亲切地称为“老海员”，许多人已经 70 多岁，有些人已经 80 多岁了。“我们正式变老了，”机械工程师兼应用物理学家阿尔芒·诺伊克曼斯说，但“气候变化不会就此消失。”

诺伊克曼斯在惠普公司帮助发明了第一代喷墨打印机，在那里，他遇到了洛夫洛克，当时这位客座科学家是这家科技巨头的顾问。洛夫洛克后来让诺伊克曼斯了解了莱瑟姆关于云增白的设想。在他的职业生涯中，诺伊克曼斯花了很多时间尝试设计能够喷出均匀大小液滴的墨粉喷嘴。今天，他正在运用这些经验来生成直径在 30 到 100 纳米之间的微小盐晶体，比打印头上的孔小几个数量级。大气科学家已经了解到，云形成在称为云凝结核的粒子周围，这有助于水蒸气凝结并反射阳光。调整盐颗粒的尺寸会使它们变成额外的核：太小，颗粒就不起作用；太大，它们不仅需要更多的能量才能喷到空中，而且还会产生相反的效果并引发降雨，导致云层流失。

最适合进行修补的云是低空云，称为层积云，它们自然出现在较冷的海洋上空，例如加利福尼亚和智利海岸外的太平洋。由于层积云覆盖了地球约五分之一的海洋，因此使它们变亮可能会产生巨大影响。华盛顿大学一位科学家在 2021 年建立的模型表明，使层积云的反射率提高 16% 可以大致抵消增加一倍的二氧化碳，从而为世界争取更多时间来减少排放。

事实上，灰尘、污染物和海洋喷雾中的盐分等物质已经产生了这种影响。例如，船舶排放的废气有助于水蒸气凝结。这使得主要航道沿线的云层反射性更强。但随着烟囱和航运燃料变得越来越清洁，这一线希望开始消失。

总体情况要暗淡得多。2022 年 9 月发表在《大气化学与物理学》上的一项研究利用卫星观测发现，气溶胶的冷却效应（包括它们与云的相互作用）自 2000 年以来已下降了 30%。这实际上将最近二氧化碳排放造成的变暖程度放大了一半，莱比锡大学气候科学家、主要作者约翰内斯·夸斯写道。

云研究的潜力还远远超出气候工程。这些常见的奇迹对全球气温有着巨大的影响，但仍是大气中了解最少的元素之一。增亮为研究人员提供了一种新颖的方法来进行受控实验，即有意引入粒子并研究其影响。结果可以提高预测的准确性并指导潜在调解的进展。多尔蒂说，联邦政府对这项和其他干预措施的资助也将推动基础科学的发展。

随着人们对气温升高的担忧日益加深，老水手们并不是唯一致力于反射更多阳光和减缓气候变化的人。学术界和政府高层越来越多地讨论这类策略，通常称为太阳辐射管理或地球工程。想法包括去除吸收长波辐射并使地球变暖的卷云，以及——受火山喷发冷却效应的启发——向平流层注入硫酸盐或其他化合物（如碳酸钙）来反射光线。

一些研究人员对这些计划持谨慎态度，担心它们会破坏生态系统进程，加剧海洋酸化等问题，或引发全新问题。但“老水手”们将这一努力视为保险措施。在减排方面没有取得真正进展的情况下，许多科学家现在认为，这一做法必须加以探索。

他们越来越多地警告不可逆转的临界点——比如思韦茨冰川即将崩塌——这迫切需要找到控制危机的新方法。气温上升得如此之快，以至于 2022 年 9 月《科学》杂志上的一篇论文预测，即使减少排放，关键的地球功能也可能受到干扰。“我希望我们永远不必使用海洋云增亮，”多尔蒂说，“但我只是看不到我们走上避免危险的气候变暖水平的道路。”

诺伊克曼斯对云的研究最初只是一项临时工作。2000 年代后期，他开始召集对应对气候变化感兴趣的聪明人。苏丹舒·贾恩是一名退休电气工程师，在 2020 年赢得圣克拉拉市议会席位之前，他从事计算机芯片设计工作已有 25 年。他在一次筹款活动中遇到了诺伊克曼斯，想看看他在做什么。“我从未离开过，”他回忆道。“他就是这样的人。”

随着这群精力充沛的退休人员不断壮大，并获得了“海水”的绰号，成员鲍勃·奥蒙德（Bob Ormond）在一家生产自动水处理系统的公司工作，他借了一间位于附近桑尼维尔的公司办公室的房间给他们。2009 年左右，比尔·盖茨给了他们 30 万美元的种子资金。诺伊克曼斯回忆说，当他们花光这笔钱后，“每个人都免费工作，费用由我支付。”

作为硅谷的长期企业家，Old Salts 夫妇得到了他们的人脉关系的帮助。有一次，他们需要人造金刚石薄膜来制作喷嘴。“我用这些薄膜换了几盒脆饼，”Neukermans 说。

为了获得大气科学方面的专业知识，他们向华盛顿大学多尔蒂等人寻求合作。新添加的物质帮助他们了解到，并非所有云对添加剂的反应都一样：有些云已经达到最大亮度，或者受到其他过程的严重影响。层积云的液滴浓度往往较低，因此添加充当核的盐粒可以增加它们的反射率。如果较少的阳光照射到它们下方吸热的暗水，则可以最大限度地发挥冷却效果。

这项研究究竟如何从实验室转移到海洋干预措施上，目前仍处于规划的早期阶段。但其想法是，一个能够喷洒合适大小盐晶体的金发姑娘校准喷嘴将从位于海洋云层下的船上持续运行。“要大规模地做到这一点，你需要在广阔的区域部署数千艘船，”多尔蒂指出。“但只要这个系统保持运转，你就会有稳定的海水供应。”

最初，老水手们的技术遇到了许多障碍：早期的尝试堵塞了喷嘴，海水腐蚀了设备。但随着像热穹顶这样严峻的新天气词汇进入词汇表，人们对他们的工作的兴趣激增。2015 年，气候干预的想法得到了足够的重视，美国国家科学、工程和医学院发表了一份报告，探讨了可能的策略。加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所的杰出教授林恩·拉塞尔 (Lynn Russell) 的职业生涯一直在研究气溶胶和云，并担任报告委员会成员，她说，她觉得讨论的重点是是否应该继续进行这项研究。

到 2019 年，老盐兵们搬出了借来的办公室，搬进了帕洛阿尔托研究中心。在这里，他们终于可以使用机械车间等设施，以及 PARC 提供的专业知识。PARC 的母公司施乐公司总经理肖恩·加纳 (Sean Garner) 说：“阿尔芒希望年轻人也参与进来。”在新址，团队尝试了一种新方法：设计了一个泡腾喷嘴，通过单个通道泵送空气和盐水。这会将液体推向两侧，并压缩空气，使其以音速离开喷嘴。空气被释放到压力低得多的环境中，使周围的水环爆炸，形成那些难以捉摸的微小液滴。

杰西卡·梅德拉多 (Jéssica Medrado) 是 PARC 的一名年轻机械工程师，她正在与 Old Salts 合作，她说，该系统最终证明能够持续产生合适大小的液滴，他们现在正试图提高其效率，从而减少所需的能量。梅德拉多对这个项目充满热情；她来自巴西，那里的气候变化危险越来越明显。最近，在她父母家附近，一名妇女被洪水冲进街道排水沟后溺水身亡。“人们不应该那样死去，”她惊恐地说。即使团队遇到障碍，这样的故事也让她充满动力。

2021 年，美国国家科学院发布了第二份地球工程报告。这一次，他们毫不犹豫：建议美国开展增亮研究，并制定了设计和管理这些项目的计划。斯坦福伍兹环境研究所所长克里斯·菲尔德参与了这份报告的撰写，他说，地球的轨迹让他“更愿意考虑更广泛的选择”。加州大学圣地亚哥分校的拉塞尔也认为，自 2015 年评估以来，研究这类策略的必要性只增不减。不过，即使这项技术能够开发出来，她也担心风险。“明智的想法是减少碳排放，”拉塞尔说。“海洋云增亮，或任何类型的气候工程，都是一个愚蠢的想法——但它可能不像什么都不做那么愚蠢。”

最终， PARC 团队需要在户外测试其设备。尽管他们找到了附近适合试验的工业地点，但在现实世界中测试时却遇到了阻力。

“人们误解的一件事是我们距离部署任何这些系统还有多远，”施乐公司的加纳谈到气候干预时说。“科学在这里的作用是减少不确定性，并为决策者提供工具，以便他们能够决定将来如何使用它们。”

到目前为止，只有一个增白云项目在室外开展。2020 年，澳大利亚南十字星大学的研究人员迈出了第一步，作为紧急努力的一部分，以减轻海洋温度上升对大堡礁的影响。他们只测试了诺伊克曼斯建议的船上原型喷嘴喷出的盐颗粒是否可以在大气中被检测到。试验成功了，接下来研究人员希望扩大规模，冷却白化珊瑚上方的海水。“我很高兴他们正在紧急处理珊瑚礁，”加纳说，但他指出，这不是一个以层积云闻名的地区，这意味着它的增白潜力可能很低。

2021 年，一支由哈佛大学资助的团队希望进行一项户外实验，以推进其自己的太阳能地球工程研究。与 Old Salts 的努力不同，该研究的重点是将硫酸盐等颗粒引入平流层。研究人员计划在瑞典北部部署一个气球驱动的缆车和设备，作为测试增亮气溶胶的第一步。但萨米土著委员会写了一封信批评该项目，称这些计划“构成了真正的道德风险”，并补充说该技术“存在灾难性后果的风险”。一个咨询委员会随后裁定应推迟试验。

每种气候干预策略都有其自身的好处和风险。平流层气溶胶注入背后的科学原理——大型火山喷发就是一个例证——人们对此了解颇深。但拉塞尔表示，这些气溶胶可以持续一年或更长时间，而且一些拟议的化合物（如硫酸盐）可能会产生毒性作用。一些科学家还警告说，如果政府突然停止干预，由此产生的“终止冲击”可能会导致气温急剧反弹，从而加速变暖。

海洋云增白研究也遭到了批评。尽管盐会在一两周内从大气中消散，但老盐人承认，这种方法可能会产生意想不到的后果。添加盐水可能会损害当地的生态系统，如果大面积添加，产生降水效果，还可能重新分配降水——也许会大幅改变。“我们不会不守规矩，”贾恩谈到他们的努力时说。“我们实际上是在说，‘让我们在你们做出一堆不守规矩的努力之前，先把治理和良好的、同行评审的科学落实到位。’”

如果海洋增白和其他项目继续推进，科学家就必须与社区成员就风险展开坦率的对话。“如果你事先知道全球平均气温下降会导致菲律宾更容易出现干旱，你会怎么做？”斯坦福大学的菲尔德问道。作为自 2007 年以来政府间气候变化专门委员会报告的撰稿人，他理解考虑到地球的发展轨迹，人们寻求采取严厉干预措施的动力。但他认为，在研究人员或政府可以决定停止进一步努力的关键时刻，纳入干预措施至关重要。“比如说，事后你得知干预可能会导致印度季风部分减弱——你可能需要一个出口坡道，”他解释道。

菲尔德认为，至少从技术上来说，最初的干预措施很容易停止。“人们将太阳能地球工程视为一条岔路，一旦踏上这条岔路，就必须全力以赴，”他说。“从高层来看，情况可能确实如此，但如果我们到了想要部署这种东西的地步，那么启动和停止它相对容易。”老水手们认为，进行这项研究很重要，以便在任何可能的部署之前确定安全参数。

美国国家科学院现在建议美国制定一项计划来解决所有这些问题，包括行为准则、实验许可制度以及一个专家委员会，以帮助在国际层面做出艰难的决定——本质上是提供护栏。要做到这一点需要资金：“该计划的合理初始投资在 5 年内总计在 1 亿至 2 亿美元之间，”美国国家科学院在其 2021 年报告中总结道，尽管作者指出，这应该只是国家气候研究预算的一小部分。

目前，气候干预研究的资金是零散的。例如，致力于气候研究的非营利组织 SilverLining 已拨款 300 万美元用于研究缓解措施。最近的联邦支出法案包括为美国国家海洋和大气管理局 (National Oceanic and Atmospheric Administration) 提供 1300 万美元用于研究平流层。其中一些资金用于建立基线信息，包括有关臭氧层的信息，臭氧层是吸收太阳大部分紫外线辐射的区域。该机构正在部署高空气球来测量平流层中反射光线的气溶胶粒子。这些数据必将增进我们对云层实际运作方式的了解。

这是气候变化预测的关键信息。模型通常无法确定哪些云会随着温度升高而增大或缩小——这是当前变暖估计值差异如此之大的主要原因。“这是与气候相关的最大不确定性之一，”多尔蒂说。自从卫星开始跟踪云层以来，海洋增亮所针对的类型一直是天空中不变的现象，“但随着地球变暖，就无法保证了。”

与此同时，在加州，该团队希望扩大自己的测试范围。他们希望在明年在控制较少的户外条件下试用其喷嘴系统。诺伊克曼斯仍在实验室工作，尽管最近的健康问题有时让他长时间站立会感到疼痛。“他真的很痛苦，但他还是来了，”贾恩说。这场大流行凸显了每个人的死亡率。“我们很着急。我们没有时间。”

最近的一个下午，诺伊克曼斯放下手中的计算，开始思考他的十个孙子孙女，以及他留给他们的世界。“我们所做的一切都会产生后果，”他叹了口气说道。“我们必须尝试一切——我们不知道什么方法会奏效。”

这个故事最初发表在《大众科学》高刊上。阅读更多 PopSci+ 故事。