“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理想颗粒。在模拟中，他们将确切数量的颗粒投放到他们想要的地点。但是，当你开始考虑我们的实际情况，并将其与那种理想化的情景进行比较时，就会发现那些预测中存在大量的不确定性，”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——我们要指出的是，可能出现的后果范围比迄今为止人们所认识到的要宽得多。”
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，这些障碍使得现实中的 SAI 比理论上复杂得多。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具体细节。关键因素包括颗粒释放的海拔高度和纬度、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。你在何处以及何时进行投放都很重要，”McNeill 说。这些变数表明，如果实施 SAI，应以集中、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，类似于火山喷发产生的化合物。例如，1991 年皮纳图博火山喷发时，全球气温在几年内下降了近 1 摄氏度。这一事件常被引用为 SAI 可以暂时冷却地球的证据。
但火山活动也凸显了风险。皮纳图博火山的喷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
拟议的替代材料包括碳酸钙、α-氧化铝、金红石型二氧化钛、锐钛矿型二氧化钛、立方氧化锆，甚至金刚石等矿物。虽然这些材料散射阳光的能力受到了广泛关注，但其他关键问题——如其可获得性和实用性——却较少被探讨。
“科学家们在讨论气溶胶候选材料时，很少考虑到实际局限性可能会限制每年实际大量注入它们的能力，”哥伦比亚大学气溶胶科学家、这篇新论文的第一作者 Miranda Hack 说，“许多被提议的材料并不是特别丰富。”
例如，金刚石的光学性能会很好，但因过于稀缺和昂贵而无法使用。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建模表明，随着需求增加，生产成本将急剧上升。只有碳酸钙和 α-氧化铝储量足够丰富，可以规模化应用，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 1 微米。然而，矿物替代品往往会聚集成较大的团块。这些较大的团块散射阳光的效率较低，且在大气中的行为难以预测。
“你得到的不再是那些完美的光学特性，而是某种糟糕得多的东西。与硫酸盐相比，我认为我们不一定能看到之前讨论的那种气候效益，”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——使得这项技术的不确定性比之前认为的还要大。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 现实情况的复杂性，他说，“它的实际发生方式不会像 99% 的论文模型所模拟的那样。”
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 看起来像是应对全球变暖的一个诱人速效方案，但实际冷却地球的途径可能比看起来要危险和不可预测得多。