科学家们正严肃看待通过平流层气溶胶注入（SAI）遮蔽阳光这一曾经激进的概念，但哥伦比亚大学的一个团队警告称，现实远比模型显示的要复杂得多。他们的研究揭示了物理、地缘政治和经济方面的制约因素如何可能破坏哪怕是初衷最良善的地球降温尝试。从不可预测的季风紊乱，到材料短缺和光学效能不足，每一个步骤都带来了新的风险。
“即使气候模型中对平流层气溶胶注入（SAI）的模拟非常复杂，它们也必然是理想化的。研究人员模拟的是尺寸完美的完美颗粒。而且在模拟中，他们可以精确地按照自己的意愿，在想要的地方投放想要的数量。但是，当你开始考虑我们实际所处的状况，并将其与那种理想化的情况进行比较时，就会揭示出那些预测中存在的大量不确定性，”哥伦比亚气候学院和哥伦比亚工程学院的大气化学家及气溶胶科学家V. Faye McNeill说道。
“如果你尝试这样做，可能会发生一系列事情——我们要论证的是，可能结果的范畴比迄今为止任何人所意识到的都要宽泛得多。”
探索太阳地球工程的局限性
在一项发表于《科学报告》的研究中，McNeill和她的团队审视了物理、政治和经济障碍，这些障碍使得SAI在现实中远比理论上复杂。他们回顾了现有研究，以了解SAI的结果将如何取决于部署方式和地点的细节。关键因素包括颗粒释放的海拔和纬度、一年中的时间以及注入大气的物质总量。
在这些变量中，纬度似乎具有最大的影响。例如，集中在极地附近的SAI行动可能会扰乱热带季风，而在赤道附近的释放可能会改变急流并干扰全球大气环流。
“这不仅仅是将5太克硫送入大气层的问题。在何处以及何时进行操作至关重要，”McNeill说。这些可变性表明，如果实施SAI，应该以集中、协调的方式进行。然而，考虑到地缘政治现实，研究人员表示这不太可能实现。
来自火山的教训
大多数研究SAI的气候模型假设使用硫酸盐气溶胶，类似于火山爆发产生的化合物。例如，当皮纳图博火山于1991年爆发时，全球气温在数年内下降了近一摄氏度。该事件常被引用作为SAI可以暂时冷却地球的证据。
但火山活动也凸显了风险。皮纳图博火山的爆发扰乱了印度季风系统，减少了南亚的降雨，并导致了臭氧消耗。人造硫酸盐释放可能会产生类似的副作用，包括酸雨和土壤污染。这些担忧促使科学家研究其他潜在更安全的材料。
寻找更好的材料
提出的替代方案包括碳酸钙、α-氧化铝、金红石型和锐钛矿型二氧化钛、立方氧化锆等矿物，甚至包括钻石。尽管人们关注这些材料散射阳光的能力，但其他关键问题——如它们的可获得性和实用性——却较少被探讨。
“科学家们在讨论气溶胶候选物的使用时，很少考虑实际限制可能会如何限制每年实际注入大量这些物质的能力，”哥伦比亚大学气溶胶科学家、这篇新论文的主要作者Miranda Hack说。“许多被提出的材料并不是特别丰富。”
例如，钻石的光学性能会很好，但过于稀缺且昂贵，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，但哥伦比亚团队的经济模型表明，随着需求增加，生产成本将飙升。只有碳酸钙和α-氧化铝储量足够丰富，可以大规模使用，但两者在分散过程中都面临严重的技术问题。
微小颗粒，巨大问题
为了使SAI奏效，颗粒必须保持极小——尺寸小于一微米。然而，矿物替代品倾向于聚集成较大的团聚体。这些较大的团簇散射阳光的效率较低，且在大气中的行为难以预测。
“你得到的不是那些完美的光学特性，而是更糟糕的东西。与硫酸盐相比，我认为我们不一定能看到讨论中的那种气候效益，”Hack说。
充满不确定性的策略
研究人员表示，围绕SAI的许多未知因素——从部署后勤到材料性能——使得该技术比此前认为的更加不确定。当决策者和科学家讨论太阳地球工程的未来时，应明确承认这些挑战。
“当你审视太阳地球工程时，这完全关乎风险权衡，”哥伦比亚商学院气候经济学家、气候学院密切合作者Gernot Wagner说。鉴于SAI复杂的现实情况，他说，“它不会以99%的论文所建模的那种方式发生。”
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。团队共同强调，虽然SAI看起来可能是应对全球变暖的一个诱人的快速解决方案，但实际冷却地球的路径可能比看起来要危险和不可预测得多。