（来源：麻省理工科技评论）
吉姆·弗兰克（Jim Franke）掀开办公桌上一份演示文稿的封面，露出一幅古怪飞机的插图：短粗的机身上伸出巨大的机翼。
这架无人飞机飞行的高度比商用客机高出几千米，高到能看见地球的弧度。要开始人工冷却地球，你需要的正是这种飞机。那些超大机翼能让飞机和它的载荷在平流层保持飞行——距地面约 20 公里的高空，那里的空气非常稀薄，密度可能只有地面的 5%。到达高度后飞机释放材料，经过几步化学反应，这些材料会把阳光反射回太空。
“如果近期想到达 20 公里的高度，这大概是最靠谱的方案。”芝加哥大学助理研究教授弗兰克说。
弗兰克属于一个人数不多但在增长的群体——专注于太阳能地球工程（solar geoengineering）工程挑战的科学家。太阳能地球工程是一个有争议的想法：人为干预气候系统来抵消全球变暖。
这个概念的灵感来自火山。历史上大规模火山喷发曾经让全球降温，原理是把二氧化硫和其他化合物喷射到平流层，在那里转化为能散射阳光的微粒。近几十年来数百项研究表明，人类模仿这个机制应该能快速有效地起作用，至少在气候模型的框架内是这样。
但计算机模拟只是对现实的近似，它忽略了大量实际问题。比如能把足够多的材料运到足够高的飞机还不存在；我们也不确定怎么释放材料才能让大部分变成微小的反光气溶胶，而不是结成团掉下来；甚至该往飞机上装什么材料都还没定论，安全性、成本和效果都有待解答。
面对这些层层叠叠的未知，越来越多的太阳能地球工程研究正在走出计算机模拟，深入到详细的设计和实际工程工作中去——这些工作是在真正实施降温行动之前必须完成的。任务从发明高空飞机，到掌握散布材料的精确化学过程和投放机制，到建设监测基础设施以便知道这一切到底有没有用。
我们到底应不应该对地球进行工程改造？这个问题没有明确答案。它可能通过减少灾难性热浪、洪水、干旱和饥荒的危险而拯救数百万生命。但很多人认为连认真研究都太危险了，因为我们不可能预测操纵如此庞大、复杂、相互关联的地球系统会引发什么连锁后果。
批评者认为，这个阶段的研究势头越强，世界上某个地方的某个人最终真的启动地球工程的可能性就越大，不管还有多少未知和风险。
“我确实认为这非常危险，因为我们对科学和技术已经有足够的了解，”爱尔兰梅努斯大学气候正义教授詹妮·斯蒂芬斯（Jennie Stephens）说，“投入越多、进展越远，被实际部署的可能性就越大。”
但支持做这些实践研究的人认为，把实施太阳能地球工程的方案推演一遍，会加深我们对潜在收益和风险的理解。万一真有人试图调节气候，至少能让他们在知情的前提下行动，做法也可能更安全一些。
这仍然是一个非常小众的领域。目前正在进行的大部分工作集中在芝加哥大学的气候系统工程倡议（CSEi），该项目 2024 年在知名地球工程研究者大卫·基思（David Keith）的领导下正式启动。
弗兰克在获得地球科学博士学位之前是一名职业工程师。他正在牵头一系列相互关联的研究项目和合作，目的是解决工程方面的诸多不确定性，这包括他桌上那些可用于地球工程初始阶段的飞机概念渲染图。
弗兰克认为，再多的计算机模拟也回答不了这个领域剩下的大问题，包括最让人担心的那个“噩梦”——万一出了问题会怎样。
“我个人怀疑更多的模型开发或更多的模拟能让人满意地解决这些问题，”他说，“所以我对继续跑模型没太大兴趣。”
在弗兰克看来，该走下一步了：“我们想搞清楚的是，如果你真的要做这件事，具体该怎么做。”
我们不知道的有多少
太阳能地球工程经常被描绘成一种便宜又简单的气候变化解决方案。但研究者越深入细节，就发现越多的不确定性、缺失的工具和尚未建设的基础设施。
这些未必是无法克服的障碍，但要实施哪怕是最初阶段的太阳能地球工程，我们都需要时间和资金来开发必要的组件。这些研究的核心不是要真的启动什么行动，而是搞清楚启动需要什么条件。
旧金山一家年轻的非营利组织 Reflective 最近跟该领域的科学家合作，试图弄清楚我们到底还有多少不知道的。
这个过程从勾画一个场景开始。Reflective 汇集捐款资助地球工程研究，它描述了一个“管理良好、规模适中”的场景：2035 年某个国家或国家联盟启动小规模地球工程部署，在南北两极附近各喷洒等量的二氧化硫或硫化氢——这两种气体在平流层中应该会转化为反光气溶胶。初始阶段释放的材料量足以使气温降低约 0.1°C，削掉工业时代以来约 1.4°C 全球升温中的一小部分。
南北两极在这个和其他早期地球工程方案中占据重要位置，原因很简单：平流层在极地最低只有 7 公里高，而赤道附近是 18 到 20 公里。这意味着更容易到达，现有飞机做一些改装就能把大量载荷运上去。
但有一个问题：降温效果在最南端和最北端纬度会更明显。因为热带平流层的较高温度基本上会阻止在两极释放的气溶胶飘向赤道。所以只在两极部署地球工程，对那些更热、更穷、也更容易受气候变化影响的热带国家来说效果会比较弱。
要均匀地、公平地给全球降温，最终需要在更靠近赤道的地方也增加飞行。在 Reflective 的场景中，接下来十年左右项目会扩大规模，改用新型飞机在亚热带上空飞行，释放足够的材料实现 0.5°C 的全球降温。
研究者接下来要回答的问题是：如果我们想执行这样的方案，还需要做什么？
答案是：非常多。今年早些时候 Reflective 发布了它的 SAI 不确定性数据库（SAI 是“平流层气溶胶注入”的缩写），列出了多种科学未知和六项工程障碍。
其中包括：搞清楚改装现有飞机来执行项目初始阶段的难度和费用。在极地部署还可能需要建新机场、开辟新的航运通道或铁路来运输物资，以及建设能处理原材料的设施，比如燃烧单质硫来生产二氧化硫。
我们还需要制造更多仪器，用气球、无人机或其他飞行器送到平流层，观测那里的基线化学成分、反射率和化合物分布，并追踪新材料释放后发生了什么变化。
最后，目前观测平流层的主要卫星将在未来几年退役。2025 年一篇发表在《美国气象学会公报》上的论文警告说，这可能造成“即将到来的数据荒漠”。几台新仪器正在研发或已准备好发射，但在我们最需要清晰了解基线状况的时候，观测可能出现空档。
Reflective 的 CEO 达科塔·格鲁纳（Dakota Gruener）强调她们不是在鼓吹使用太阳能地球工程。但她认为现在就着手解决工程上的不确定性有必要——气候模型里跑出来的方案建立在大量假设之上，只有把工程细节一个一个落实了，才能知道那些方案在现实中到底行不行。
格鲁纳认为，这件事也因为另一个原因很紧迫：解决所有这些未知可能需要很长时间，而气候一直在变暖。“如果我们现在不给予足够关注，到需要的时候可能措手不及。”格鲁纳告诉《麻省理工科技评论》。
2024 年发表在《地球的未来》（Earth's Future）期刊上的一项分析估算了开发初始部署所需的飞机和基础设施可能有多贵、多耗时。研究探讨了如果要在 2040 年前建成一个围绕两极运行、能让最高和最低纬度降温 2°C 的地球工程系统需要什么条件。结论是：至少需要十年的准备和 350 亿美元的投资。
这项研究的第一作者、哈佛大学研究员韦克·史密斯（Wake Smith）也认为研究者现在就需要推进工程研究，因为随着气候变化越来越灾难性，使用这项技术的冲动只会越来越强。
“我担心的风险是在我们还没理解它之前就需要用它，然后用得很糟，”他说，“我们越早开始，几十年后就越能做出更好的决策——要不要做、怎么做、什么时候做。”
一种新型飞机
弗兰克桌上那架飞机目前还只是概念设计，满载时可以刚好飞到热带平流层的门槛以上。270 架这样的飞机组成的机队每年可以散布约 100 万吨材料，足以让全球地表温度降低约 0.26°C。
CSEi 把设计工作外包给了知名航空工程师和企业家约翰·兰福德（John Langford）。兰福德的公司 Electra.aero 此前跟 MIT 航空航天系合作开发过自主的太阳能动力飞机，可以在平流层执行长时间科学任务。目前，他正在分拆出一家新公司 Iris Aero 来生产这些飞机——由一整块连续机翼覆盖太阳能板、悬挂在一个微型机身上方。
兰福德预计这种太阳能飞机最初的商业用途是野火监测和预报，但换一套仪器就可以用来监测散布到平流层的材料怎样改变了那里的条件。
为地球工程设计的新型飞机是观测飞机的变体，增加了携带材料到平流层并释放它们所需的空间和推力。它的翼展更大，太阳能板换成了两台劳斯莱斯 AE 3007 发动机。飞机还包括一个可拆卸的储罐，功能类似半挂卡车的拖车。这样可以在两次飞行之间装载材料，也能防止某些有腐蚀性的材料损坏飞机本身，兰福德说。
他说他和团队已经完成了初步设计，正在做更详细的工程分析和成本分析，完成后打算公开发表。“我们很想造一架原型机，觉得可以比较快地做到，”兰福德说，“但一切取决于大卫的团队想怎么做。”
这个项目
大卫·基思的团队 CSEi 还在组建中。
芝加哥大学 2024 年发布了这个研究倡议，承诺增聘 10 名教职人员来推进对各种地球工程形式的科学理解，以及探讨政策、伦理和治理方面的棘手问题，截至发稿时已聘用了两位。
芝加哥大学看到了在一个没有得到足够学术关注、但有潜力应对气候变化危险的领域中带头的机会，气候经济学家、大学气候与可持续增长研究所创始主任迈克尔·格林斯通（Michael Greenstone）说。
“整体而言，大学界在地球工程的技术、社会、政治乃至人文层面没有做充分研究，这是学术上的失职。”格林斯通说。他帮忙把基思招了过来领导这个项目。
62 岁的基思此前在哈佛当了近 13 年的应用物理和公共政策教授，创建了哈佛的太阳能地球工程研究项目。更广为人知的是他曾努力推动可能是第一个在平流层释放材料的太阳能地球工程实验 SCoPEx。但在多年的工作和多次延迟之后，研究团队在 2024 年初最终放弃了这个项目——环保和原住民团体的批评不断升级，瑞典政府最终也介入干预。
基思长期主张研究者应该认真研究地球工程，因为它可能大幅减少气候变化的危险，减少大规模的死亡、破坏和苦难。他说，芝加哥项目的总目标是通过汇集“足够多的独立教授和研究专业人员”来“围绕气候工程这个广泛领域建立一个学术共同体”，从而扩大这个领域。
“芝加哥大学是第一所认真尝试把这个方向建设成一个学科的大型大学，让它不再围绕一个人转，”他告诉我，“这是一个巨大的承诺。”
基思本人已经成了一个两极分化的人物，在某些人看来就是地球工程的代言人。他说自己现在想帮助建立一个更大的、可持续的研究项目，一个在他离开之后仍然存在的项目。他跟行政层说他领导这个项目不应该超过五年。
“代际交接很重要，”他说，“我真的觉得这不能变成‘大卫·基思个人秀’。”
CSEi 的研究者正在探索 Reflective 分析中列出的几乎所有工程挑战。除了新型飞机和原位观测的工作之外，团队还在设计配备了专为观测平流层优化的光学传感器的小型“立方体”卫星。他们也在研究什么材料运到平流层最实际，以及怎么释放效果最好。
目标是“产生可以被独立评估、批判性评估的公开信息，让决策者更好地了解什么是可能的、什么是不可能的。”基思说。
把一个危险的想法正常化
围绕太阳能地球工程的争论正在迅速超越学术和理论层面，少数初创公司已经开始测试有朝一日可能用来给地球降温的技术。
但在批评者看来，太阳能地球工程是技术至上主义的极端表现——用一块高科技创可贴贴在一场由早期技术造成的全球危机上，而不是解决根本原因。他们还认为不可能以全球公平的方式部署或治理它，因为任何使用都会对某些地区比其他地区更有利。
即使太阳能地球工程成功地把全球平均温度降低了 1°C 左右，对不同地区的意义也完全不同：它可能让美国大部分地区和世界温带地区的农民继续繁荣、城市保持安全。但降低后的温度对俄罗斯来说可能太冷了，不利于提高农业产出；对北非来说则可能仍然太热，无法维持自给自足的农业。一些研究还表明高强度的太阳能地球工程可能在某些地区制造新的危险——改变季风降雨、降低农业产出、改变传染病的分布范围等等。
这些复杂性带来了一长串棘手的、充满分歧的伦理问题。即使太阳能地球工程让地球上大部分地区的状况比不加控制的气候变化好，但如果它同时在少数地区引发了致命的饥荒或洪水，这还可以接受吗？应该需要什么样的全球共识才能决定启动它？我们又该怎么决定把地球温度设在哪里——以及什么时候（如果有那一天的话）关掉这项技术？
斯蒂芬斯认为答案跟世界上很多事情一样，最终取决于财富和权力。拥有部署这种系统的资源的国家、企业甚至富有个人，会有一切动机把它调到对自己最有利的状态，不管对其他人意味着什么。
“决定何时部署、怎么部署、谁受益、谁倒霉的一定是那些拥有大量财富和权力的人，”她说，“这就是我认为这项技术的任何进步都很危险的根本原因。”
环境研究者和政治学家邓肯·麦克拉伦（Duncan McLaren）认为，研究转入实际工程设计意味着这个领域需要更多的监督。
他解释说，对于 SCoPEx 这样的户外实验，很多批评者主要担心的不是环境或安全风险（那些风险很小），而是把这个概念“正常化”会减轻减排的压力。
他说任何研究进展都有类似的风险，不管发生在论文上、实验室里还是平流层中。风险在于：化石燃料行业和其他商业利益集团会借此宣称“有更简单的方案正在开发，不用大规模改造能源系统”，给减排行动泄劲。今年 3 月德克萨斯保守联盟研究所发布的一份政策报告就在推进这个论点，拿太阳能地球工程远低于“强制转型”的“惊人成本”来说事。
鉴于这种所谓的道德风险，设计和工程工作应该跟户外实验受到同等程度的科学监管——包括伦理审查、风险评估和公众参与，麦克拉伦说。“要求应该更严格，研究者说要做这类工作应该面临更多的门槛。”
“伦理上的下一步”
基思对此强烈反对，他谴责“应该管制不会造成任何物理风险的开放学术研究”这种想法是“根本上反自由的”。
“太阳能地球工程确实有复杂的、潜在危险的政治后果，但很多其他新兴思想和技术也是如此，”他在邮件中说，“应对这些挑战的最好机会是公开自由地辩论。”
基思完全赞成让太阳能地球工程技术留在公共领域，也同意气候防御的第一道防线必须是快速深度减排。但全球在削减碳排放上几乎没有进展，二氧化碳在大气中可以存留几千年，地球正在快速升温。所以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。鉴于这项技术的潜在前景，限制该领域研究的门槛应该“非常高”，他说。
在访问了孟加拉国被洪水摧毁的村庄之后，基思在一部记录他工作的纪录片《文明的 C 计划》中接受采访时强调了这一点。“我认为人们必须走出伦理上的下一步，”他说，“因为如果你真的要阻挡人们获取和了解一项有可能拯救大量生命的技术，你得非常确信这项技术会被滥用。”
微粒
芝加哥大学助理教授 Mingyi Wang 是一位研究气溶胶如何形成的大气科学家，现在正在探索什么材料对降温最有效。
他带我走过走廊，来到亨利·海因兹地球物理科学实验室的一间方形白色实验室。他拉开门口一台灰色海尔生物医学冰柜的门，露出里面一根垂直悬挂、底部渐细的透明流管。这是一个微型平流层——冷却到零下 50°C 以下，充满了你在我们头顶 20 公里处会发现的同样的氧气、氮气和其他空气分子。一系列特氟龙和不锈钢管道通入这个容器，让 Mingyi Wang 和团队可以加入各种气体或微粒，观察它们如何反应。
大多数太阳能地球工程的模型实验研究的是向平流层添加硫酸的效果，因为火山喷发后最终到达那里的就是硫酸。
但把硫酸直接运上去释放既贵又麻烦，因为它又重又黏。所以 Mingyi Wang 和团队正在那根冰冷的流管中做实验，看什么物质——包括硫酸的前体——最能产生理想尺寸的反光气溶胶，以及怎么防止材料跟已有的微粒结团后从平流层掉下来。
基思称 Mingyi Wang 是“年轻的明星”。Mingyi Wang 已经找到了一个新颖的解决方案，但还没准备好公开全部细节。他和团队正把实验结果输入他们开发的平流层羽流计算机模拟中。这些模拟又可以嵌入大规模气候模型，改善它们对小尺度效应的模拟——从而加深我们对平流层化学过程的理解。
Mingyi Wang 说做这种细致的研究很重要，因为气候模型以前都是直接假设你最终能得到正确尺寸的正确气溶胶。
“从科学上我们也许理解得还不错，但从工程角度——我们真的知道怎么正确地做吗？”他问，“这是一个大问题。”
接下来会怎样
开始报道 CSEi 的时候，我以为一些工程和设计工作会催生新的平流层实验提案，接上 SCoPEx 中断的地方。
但基思坚持说他对重温那段经历没有兴趣。SCoPEx 成了围绕太阳能地球工程的更广泛社会争论的焦点，承受了太大的压力。他也不认为该倡议中的其他“实践工程”工作在现阶段会指向野外实验。
很多工作其实着眼的是更远的一步：探索如果某个国家或国家联盟最终决定启动地球工程，需要做哪些准备。弗兰克指出我们已经有气球和其他飞行器能到达平流层的下沿，释放实验量的二氧化硫之类的材料。
“我们现在的想法是：我们在开发工具，以备将来有人想开始做平流层气溶胶注入。”他说。
他和基思都赶紧补充说研究团队不打算实际建造部署太阳能地球工程所需的硬件——甚至包括兰福德公司正在设计的飞机也不造。
事实上，芝加哥大学的大多数研究者都强调他们不是在主张使用地球工程，他们做研究是为了向公众和决策者提供关于收益和风险的信息。但在密切研究这个话题几十年之后，至少基思本人的想法已经发生了变化，他的公开发言也反映了这一点。
“作为科学家，我认为证据表明，早期部署——谨慎的、南北半球平衡的、缓慢的、受监测的早期部署——收益大于风险，”他说，“我认为这方面的证据非常强。”基思还说如果有一场关于是否开始的全球公投，他会投赞成票。
“我觉得这个领域需要不再羞于说‘部署’这个词了。”他说。
https://www.technologyreview.com/2026/06/17/1138743/hacking-atmosphere-geoengineering-reality-check/