改變大氣成分，是否可讓地球冷卻下來？–地球工程 (Geo-engineering)面面觀

改變大氣成分，是否可讓地球冷卻下來？–地球工程 (Geo-engineering)面面觀
國立臺灣師範大學附屬高級中學地球科學科洪逸文老師/國立台灣師範大學地球科學系陳正達教授責任編輯

「全球暖化」已經是一個超越科學的議題，不僅一般社會大眾與政治人物紛紛提出各式因應之道，就連科學家也構想出許多大膽解決暖化的方法。這些藉由人為手段，有目的、大規模地改造地球環境的方法，就稱為「地球工程」(geo-engineering) 方案。這些方案都是為了讓地球冷卻下來，其中包括：在太空放置大量的反光裝置，以降低地球接受到的太陽輻射；將海水噴注到低層大氣，形成水霧甚至進而蒸發氣化，以求在海洋上空的對流層形成大量的雲層來反射太陽輻射；將鐵化合物倒入海中幫助浮游生物成長，以求透過浮游植物的生物泵(biological pump)，吸收並減少大氣中的二氧化碳；直接將要排放到大氣中的二氧化碳捕獲，並封存在不同的儲存庫，如礦場、地殼與海洋等，這種技術簡稱為碳捕捉與封存（Carbon Capture and Sequestration，CCS）。

2009 年英國East Anglia大學Lenton與Vaughan對17種冷卻地球的方案進行分析，評估的標準是計算輻射驅力 (radiative forcing) 的冷卻潛力。這些方法中約有一半是跟改變大氣層與地表面的反射率 (reflectivity) 有關，例如造雲，或以塑膠片、白漆敷在沙漠、城市屋頂上等。另外則是改變地球的碳循環 (carbon cycle)，以利二氧化碳的吸收，例如栽植林木、海中施肥以增加吸收二氧化碳的藻類、或開發從大氣吸收二氧化碳並儲存於地下的方法與機器。但最有效的是將硫酸鹽注入平流層與在外太空設置反光鏡兩種方法，模擬結果顯示它們都可在 2050 年前將地球的氣候回到工業革命前的狀態。姑且不論太空設置反射鏡，因為需要極龐大的經費。那將硫酸鹽注入平流層是否可行呢？

1995 年因研究臭氧層而得諾貝爾獎的保羅‧庫儒正 (Paul Crutzen)，他在 2006 年 8 月的《氣候變遷》(Climatic Change)  期刊上撰文呼籲大家要正視地球工程，提出了以人工方式在平流層注入硫酸鹽微粒，以期能形成雲來降低陽光的入射量，冷卻日益發燒的地球。在自然界中已有實例可以支持他的觀點，那就是  1991 年六月菲律賓呂宋島的皮納圖波火山 (Mount Pinatubo) 爆發，將約一千七百萬噸的二氧化硫送入平流層。這些含硫化物的懸浮微粒(aerosol)又隨著大氣的水平運動散佈至全球各地，導致那一年量測到的北半球年均溫下降了攝氏 0.5 至 0.6度，而全球年均溫也降低了 0.4 度。所以他所提出的方法，不過是一種「人造的」火山作用，但這一論點卻點燃了科學界的大論戰。

科學家估計，如果想要補償21世紀預期增加的二氧化碳所帶來的增溫效應，我們每年必須注入一百萬到五百萬噸的硫酸鹽到平流層。然而平流層多了這麼多的硫酸鹽會不會有問題呢？除了降低大氣溫度外，會不會有其他副作用呢？以皮納圖波火山為例，其實際產生的影響十分複雜。當時的氣候模式預測，由於地表的日照減少，這種火山爆發產生的硫酸鹽霧會降低水的蒸發，進而導致全球降雨量減少。觀測到的雨量確實減少了，但降幅遠多於科學家的預期，且各地受到的影響並不一致，有些地方的雨量卻不減反增。Trenberth和Dai 因此在 2007 年撰文闡述皮納圖波火山對水循環的影響時，提出了警告：如果地球工程方案貿然將硫酸鹽注入平流層中，可能會為地球帶來旱災。

另外一個可能的影響是會減緩臭氧層的修復，甚至讓臭氧洞再度重現。在 1987 年簽訂蒙特婁公約後，臭氧洞的問題似乎現出一現曙光，然而為了要解決暖化的問題，所採取的硫酸鹽注入平流層的地球工程方法，則讓人們又要開始擔心紫外線過量的問題。雖然硫酸鹽不會直接摧毀臭氧，但是硫酸鹽在低平流層所產生的異相化學作用，會形成許多氯分子，進而被活化、光解，開始摧毀臭氧分子，一如南極的極區平流雲的作用。所以 Simone Tilmes 等人在 2008 年發表一篇文章探討極區臭氧濃度變化與注入平流層的硫酸鹽間的關係，主要是利用臭氧洞與氯分子活化間的經驗式加上電腦模擬。結果發現如果依照規劃的數量注射硫酸鹽進入平流層，在未來的數十年間，北極極區的臭氧會減少 1/4 甚至到 3/4，南極的臭氧洞還需要 30-70 年來恢復，甚至更久。再者，注入的硫酸鹽粒子的體積大小也會造成不同的模擬結果，體積越小，影響越大！但不管哪一種體積，都會帶來更寒冷的冬天，這同時也會增強極區臭氧被摧毀的機會。

或許誠如莎士比亞在《哈姆雷特》劇中所寫的：To be, or not to be, that is the question. 正是我們在面對與解決全球暖化，所面臨的兩難處境吧！

參考文獻:
宣大衛與范振暉，(2007)，二氧化碳的捕獲與封存。地質雜誌，26：2，中央地質調查所。
Sourish Basu，姚若潔譯，(2007)，把鐵加入海中可以抗暖化？科學人，69，11月號，遠流。
David Biello，周坤毅譯，(2009)，開始掩埋溫室氣體。科學人，94，12月號，遠流。
Crutzen, P.J. (2006). Albedo enhancement by stratospheric sulfur injections: a contribution to resolve a policy dilemma? Climatic Change, 77: 211–220.
Trenberth, K. E., and A. Dai (2007), Effects of Mount Pinatubo volcanic eruption on the hydrological cycle as an analog of geoengineering, Geophys. Res. Lett., 34, L15702, doi:10.1029/2007GL030524.
Simone Tilmes et al. (2008). The Sensitivity of Polar Ozone Depletion to Proposed Geoengineering Schemes, Science, 320: 1201-1204.
Tim Lenton & Nem Vaughan (2009). The radiative forcing potential of different climate geoengineering options, Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 9: 2559-2608.