科学家们正在认真考虑曾经被视为激进概念的通过平流层气溶胶注射（SAI）使太阳变暗，但哥伦比亚大学的一个研究团队警告称，现实情况远比模型所显示的更为复杂。他们的研究揭示了物理、地缘政治和经济制约因素如何可能破坏即使是出于最善意意图的给地球降温的尝试。从难以预测的季风扰动到材料短缺和光学效率低下，每一步都会带来新的风险。
"即使气候模型中对SAI的模拟很复杂，它们也必然是理想化的。研究人员模拟的是完美尺寸的完美颗粒。在模拟中，他们可以精确地在想要的地点放置想要的数量。但当你开始考虑我们实际所处的情况，与那种理想化情景相比，就会发现那些预测中存在大量不确定性，" 哥伦比亚气候学院和哥伦比亚工程学院的大气化学家、气溶胶科学家V. Faye McNeill说。
"如果你试图这样做，可能会发生一系列事情——而我们想说明的是，可能结果的范围比任何人至今意识到的都要广泛得多。"
探索太阳地球工程的可能性边界
在发表于《科学报告》的一项研究中，McNeill和她的团队研究了使SAI在现实中比理论上复杂得多的物理、政治和经济障碍。他们回顾了现有研究，以了解SAI的结果将如何取决于其实施方式和地点的细节。关键因素包括颗粒释放的高度和纬度、一年中的时间以及注入大气中的物质总量。
在这些变量中，纬度似乎影响最大。例如，集中在极地附近的SAI努力可能会扰乱热带季风，而赤道附近的释放可能会改变急流并干扰全球空气环流。
"这不仅仅是向大气中注入5太克拉克硫的问题。在哪里以及何时进行都很重要，" McNeill说。这些可变性表明，如果SAI要实施，应该以集中、协调的方式进行。然而，考虑到地缘政治现实，研究人员认为这不太可能。
来自火山的教训
大多数研究SAI的气候模型都假设使用硫酸盐气溶胶，类似于火山喷发产生的化合物。例如，1991年皮纳图博火山喷发后，全球气温在几年内下降了近一摄氏度。这一事件常被引证为SAI可以暂时给地球降温的证据。
但火山活动也凸显了风险。皮纳图博火山的喷发扰乱了印度季风系统，减少了整个南亚的降雨量，并导致臭氧层消耗。人为释放硫酸盐也可能产生类似的副作用，包括酸雨和土壤污染。这些担忧促使科学家们研究其他可能更安全的材料。
寻找更好的材料
提议的替代品包括矿物质，如碳酸钙、α-氧化铝、金红石和锐钛矿型二氧化钛、立方氧化锆，甚至金刚石。虽然很多注意力集中在这些材料散射阳光的效果上，但其他基本问题——例如它们的可用性和实用性——却较少被探讨。
"科学家们讨论使用候选气溶胶时，很少考虑实际限制可能会如何限制你每年大量注入这些物质的能力，" 哥伦比亚大学的气溶胶科学家、这篇新论文的第一作者Miranda Hack说。"许多被提出的材料并不是特别丰富。"
例如，金刚石的光学性能很好，但过于稀缺和昂贵，无法使用。立方氧化锆和金红石型二氧化钛理论上可以满足需求，但哥伦比亚团队的經濟模型表明，随着需求增加，生产成本会飙升。只有碳酸钙和α-氧化铝足够丰富，可以大规模可行使用，但两者在分散过程中都面临严重的技术问题。
小颗粒，大问题
要使SAI发挥作用，颗粒必须保持非常小——尺寸小于一微米。然而，矿物替代品倾向于聚集在一起形成更大的聚集体。这些较大的团簇散射阳光的效率较低，并且在大气中的表现难以预测。
"你不会拥有这些完美的光学特性，而是会得到差得多的东西。与硫酸盐相比，我认为我们不一定会看到所讨论的那种气候效益，" Hack说。
充满不确定性的策略
根据研究人员的说法，围绕SAI的许多未知因素——从部署物流到材料性能——使得这项技术比之前认为的更加不确定。当政策制定者和科学家讨论太阳地球工程的未来时，应该清楚地承认这些挑战。
"当你审视太阳地球工程时，一切都关乎风险权衡，" 哥伦比亚商学院的气候经济学家、与气候学院密切合作的Gernot Wagner说。考虑到SAI的现实复杂性，他说，"它不会像这些论文中99%所建模的那样发生。"
该研究还将哥伦比亚电化学能源中心联合主任Daniel Steingart列为合著者。该团队共同强调，虽然SAI可能看起来像是应对全球变暖的一个有吸引力的快速解决方案，但实际冷却地球的道路可能比看起来要危险和不可预测得多。