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工程师用云层增亮来阻止北极融化

云船

云增亮船的艺术家呈现。索尔特的版本将在大西洋部署。

爱丁堡大学
一个颜色渐变的圆圈,显示“覆盖气候”

这个故事最初出现在whowhat why.并作为全球新闻合作组织“立即报道气候”的一部分在此再版,该组织旨在加强对气候事件的报道。

斯蒂芬·索尔特(Stephen Salter)在苏格兰爱丁堡的机械车间里研究鸡蛋搅拌器形状的风力涡轮机时,接到了一个奇怪的电话。线的另一端是云物理学家约翰·莱瑟姆与一个不寻常的观察:如果海水注入层积云——低级,蓬松的,灰色的,看起来像花椰菜——让他们只有2%的光明,他们会反映出足够的阳光使地球的温度上升。莱瑟姆把这个概念命名为“海洋云增光”。

一件需要莱瑟姆的想法来工作,他呼吁索尔特的原因,是唯一能够在超精细喷雾喷射海水的喷嘴。这似乎为索特,波浪能的先驱谁被任命为大英帝国的成员,他的贡献到野外一个简单的请求。可能是什么棘手的约像喷墨打印机已经使用了一个小工具?

“是啊,是啊,没问题,我可以很容易地做到这一点,”索尔特说回忆。他是一个有点过于乐观当年,他笑着补充道。

萨尔特接到莱瑟姆的电话已经17年了,莱瑟姆已经去世了,但他即将拿到承诺的第一款喷管。不仅是喷嘴:索尔特还设计了一艘携带喷嘴的船,配备了运行喷嘴所需的所有电子部件和机械附件,至少作为一个原型。

莱瑟姆的想法也在科学界的其他领域流行起来。总部设在华盛顿大学的海洋云增亮项目与该州国家实验室合作;支持气候变化研究的非营利组织SilverLining;以及著名的帕洛阿尔托研究中心,以更好地理解气溶胶对云的影响。

悉尼大学和悉尼海洋科学研究所的另一项合作旨在帮助严重白化的大堡礁生存下去,直到全球碳排放量下降。领导的一个团队成员丹尼尔·哈里森,悉尼大学的海洋学家,完成两个实地考察测试喷嘴性能与额外的工作,发现液滴大小,他们会很快就能照亮他们的第一个云层和评估对珊瑚礁的影响在小范围内。

“我们关系很好,”索尔特在谈到研究小组之间的合作时说。“我想可以这么说,我们是友好的竞争对手。”

在索尔特看来,海洋云层的增光是防止北极海冰在夏季完全消失的一种方法。四分之三的北极海冰已经融化。索尔特说:“我们的问题确实令人担忧。”但他仍然希望他的项目能有所帮助。

在公海

索尔特很快指出,他站在别人的肩膀上,用与他通常敦促网络研讨会主持人跳过他的简历、展示他的设计一样的手势。他的工作是基于Sean Twomey首次描述的一种现象。Sean Twomey是一位爱尔兰的大气物理学家,他在20世纪70年代飞过海洋云层,收集云层中的一些水滴,并测量它们的反照率,即当阳光击中云层时反射回太空的部分。Twomey发现,对于等量的水,许多小水滴比几滴大水滴反射更多的太阳辐射。这被称为托米效应。

索尔特拿出两个透明的玻璃瓶,很容易地复制了这种现象。一个装满了直径4毫米的玻璃球,另一个装满了小100倍的珠子。正如Twomey所假设的,微小的,几乎是粉状的玻璃粒子看起来比较大的球体要白得多。正如索尔特所指出的,当云的水滴足够大到可以变成雨时,云就会变黑,因此有了防弹物理学术语“黑色风暴云正在聚集”。

Twomey早期的工作也解释了云滴是如何在没有微观对接站的帮助下形成的。它们需要一个原子核——一个尘埃或其他气溶胶的微粒,而不仅仅是吸附在空空气上并变大的东西。每一滴云里都包着一粒种子。周围漂浮的原子核越多,液滴就会越多。

这就是索尔特介入的地方。他正在设计带有喷嘴的船来利用托米效应。乍一看,索尔特的技术似乎很简单,至少对那些拥有喷墨打印机、还记得上世纪60年代的大型计算机并能想象驾驶蒸汽朋克帆船的人来说并不陌生。

索尔特的计划喷雾船的核心是喷嘴冲压成的硅晶片。它们采取海洋水和水滴直径放电它0.8微米,约比人的红血细胞小10倍。然后每个液滴是由大气湍流进行天空 - 空气层由于高度之间的温度差的恒定搅动 - ,直到它到达低洼云。由于沿途各大洋液滴蒸发,它揭示了它的无形货物:10-14克盐是自由的种子云滴高处。车程约从海洋表面到云层一个小时。

其看不见货物,10-14克盐即自由种子云滴高处。

喷嘴嵌在一个安装在一艘形状像导弹的船的桅杆上,狭窄和圆柱形。这艘船没有使用传统的帆,而是由弗莱特纳旋翼推进,看起来有点像停用的烟囱。索尔特说,弗莱特纳旋翼在20世纪20年代从丹泽(Danzig)到苏格兰的一场比赛中击败了传统的风帆而名声大噪,但它们的使用因大萧条而停滞不前,直到最近才作为减少长途航运油耗的一种方式重新开始使用。在索尔特的飞船上,汽缸指向天空,仿佛除了节省5%到20%的燃料外,还有什么惊人的事情即将发生。

按照设计,这艘船本身并没有接触到海洋表面。它装有水翼,可以将船体提离水面。没有了水的阻力,船的飞行速度超过了漂浮速度。“当我第一次画这些时,人们认为使用水翼是荒谬的,”索尔特说。“但现在所有的美洲杯帆船赛都使用水翼艇,现在也有世界各地的比赛在进行,大约一半的船都使用了水翼艇。所以它不像刚开始的时候那么荒谬了。”

船体提供插座插件墨盒,以满足各种需要。有电池槽、柴油槽、真空泵槽、高效微粒空气过滤器槽、脱盐装置槽、超滤膜槽、液压滑块槽、油-水压力交换器槽以及这些装置的一些备件槽。

他解释说:“这就像20世纪60年代大型机的想法,你有一个大盒子,里面有很多滑动插座和卡片,可以把它们滑到背板上。”更换墨盒使得在某个部件出现故障时很容易排除故障,而不需要为了一个油炸的微芯片而在整个身体中搜索。

“这是哲学。当我们真正理解了这一切,我们可能会把所有的东西放在一个引擎室,得到一个稍微轻一点的东西。但这是一种能够很快纠正错误的方法,实际上只需要几分钟。”

他绘制了大部分零件的二维示意图,并希望将它们转换成三维计算机模型,以便更好地估计重量和抗应力。他很快就能把设计发给制造商,并制作出实体复制品了。

索尔特的设计居然存在,真是令人惊讶。来自政府或慈善家的财政支持几乎为零。他之前的两项创新遭遇了类似的干旱:索尔特鸭,最早和最有效的wave-to-energy转换器在实验室环境中,沉没时否认资金试点测试,和他的苦行僧,tripod-like探测器能够明显的杀伤人员地雷explosive-ridden巴尔干半岛,在到达市场之前为缺钱而死。由于云层能照亮一切,但却没有被科学主流所接受,索尔特并不指望他的项目能吸引很多资金。相反,他的喷嘴和船的蓝图来自于他的退休基金和每天7小时、每周7天的工作计划,即使现在他已经80多岁了,他仍然保持着这一计划。

一个原因进行

尽管缺乏资金,萨尔特还是得到了离北极海冰最近的科学家们的鼓励,这些科学家们正在研究北极的每一个压力脊、融化洞、冰舌和冰花之间的动态相互作用。Peter Wadhams其中最主要的是,剑桥大学的极地海洋物理小组,一直领导超过40极地探险在核动力潜艇由皇家海军,在战时道格拉斯DC-4飞机改装双壳体的破冰船和冰漂流营地。

“他非常担心如果我们失去冰会发生什么,”索尔特说。“他可能比任何人都更了解北极。他一直是我最大的支持。”在他早期的北极航行中,Wadhams是第一个量化海冰变薄的人。“我想是1990年,我第一次意识到冰盖正在发生严重的变化,”他说。“从那以后,它加速了,真的。”

如果目前的趋势继续下去,预计到2033年,北极的夏季将完全无冰,比之前的预期早了几十年。国家冰雪数据中心(National Snow and Ice Data Center)保存了42年的卫星记录,该中心主任马克·塞雷兹(Mark Serreze)说,该中心认为,夏季海冰的每一个新低都是“棺材上的又一颗钉子”。随着棺材慢慢封闭,专家们注意到相关生态系统的连锁反应:本月,科学家们发现了大西洋洋流崩溃的早期预警迹象。大西洋洋流在赤道和北纬之间传递热量,从而调节飓风和干旱的强度。

当索尔特在网络研讨会上展示他的海洋云增亮进展时,他展示了基林曲线.这是大气中二氧化碳浓度持续时间最长的记录,显示了从1958年到现在的时间轴。夏威夷的莫纳罗亚天文台(Mauna Loa Observatory)收集了这些数据,并将其绘制出来。全球各地的天文台网络已经证实了二氧化碳浓度的长期增加。

索尔特稍微修改了时间线,但效果很明显。他还列出了历年来举行的气候会议的日期:里约热内卢地球峰会,1992年;《京都议定书》,1997;哥本哈根,2009;巴黎,2015年。每次会议结束后,基林曲线非但没有下降,反而保持上升趋势,截至8月19日达到415ppm。COP26,接下来的联合国气候变化会议将在11月在格拉斯哥,苏格兰,不到50英里索尔特爱丁堡的机械工厂,他已经想象事件只是一个无能修改林曲线波动,一个引人注目的提醒,接受科学和国家政策之间的脱节。

基林曲线图

基林曲线由斯克里普斯海洋学研究所在加州大学圣地亚哥分校维持全球大气中二氧化碳浓度的日志。

斯克里普斯海洋学研究所

日益加深的气候危机催生了越来越多的海洋云增亮和类似形式的地球工程的研究。国会2019年的综合支出法案授予美国国家海洋和大气管理局400万美元,用于评估太阳干预气候的潜力。一年后,SilverLining向全国各地的大学提供了300万美元的拨款,以解决有关雾滴大小和注射位置的实际问题。美国国家科学、工程和医学研究院(National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine) 3月份的一份报告敦促国会投资2亿美元,以更好地了解太阳能地球工程的可行性和风险。

这些个别项目不协调,但有一个共同的看法,即太阳地球工程应该是放在桌子上的一个选项“以防万一”。对他而言,索特没有看到海洋云增亮的灵丹妙药;这是越买垂死北极的时间,直到依赖化石燃料的经济体克服其惯性和全身的碳减排起飞的方式。然而,批评者认为这是一个转移,由化石燃料公司征用,以代替减少碳排放,并提供政治家的借口给一传最严重的罪犯的退出策略。

前路坎坷

索尔特依然强劲,虽然他有他的忧虑的份额。他计划给他喷船舶很快实验室的测试组件,但与爱丁堡大学的管理撞头。缠斗是在新的安全标准,可能来自于独立工作,禁止他和过去的6时。“有摩擦的建筑,”他说。“我可能找到移动我的车间出来,这将是一个相当困难的事情的地方。”

在任何情况下,他的项目可能很快需要一个团队。除了建船,也有气候模式运行,现场测试组织,严肃募集资金。“我曾尝试之前运行这是钱用完了一个项目,这是非常,非常紧张,”索尔特说。“你人抵押贷款和家庭的饲料。你担心他们。我真的不想再这样了。”

为了推进他的项目,索尔特最近请剑桥气候修复中心来看看他的设计。该中心成立于2019年,旨在推进减排、大规模温室气体减排和修复受损气候系统的研究,同时也在思考如何让政治和金融行为者对其发现做出回应。索尔特的工作与气候系统修复相吻合,该中心很高兴接手这项工作。

“他发表了他的设计在2013年或2014年,但它从来没有建成,”休·亨特,在剑桥大学工程学教授和中心的副主任。"So we want to build one. And not just one. We want to build a few, to optimize this, see if we can get it to work. It’s the ‘at scale’ bit which is tricky. It’s all very well to make a few clouds, but to make millions of clouds over a couple decades, that’s where it gets tricky."

云

海洋层积云像这样,拍下南美洲的西海岸,是索尔特要亮,使得它们反射更多的太阳光到大气中,从而降低全球气温的类型。积云是由区域中最常见的类型的云,占地约五分之一的地球表面。

美国国家海洋和大气管理局

该中心还为自己制定了一个雄心勃勃的、尚未开始的计划,以深入研究建模,从微小的水滴形成规模到水滴在云阵列中的相互作用,再到它们对全球气候系统的影响。能够运行这些cpu密集模拟的超级计算机就安装在英国国家气象局,它就在埃克塞特大学的隔壁,亨特在那里研究大气化学。

“我们气候修复中心正在做的事情,”亨特说,“就是对气候和云层进行建模,试图确保海洋云层增亮的预期效果能够实现,而不会产生不可接受的负面后果。”我们真的必须确定。”

“这里将是副作用,”阿兰Gadian,在利兹大学和索尔特的去到的一切事物气候建模大气科学家强调。他的模拟在覆盖海洋表面5%的地区,云层变亮,这种情况将使北极地区变冷,但在西非的毛里塔尼亚和塞内加尔海岸附近地区,以及靠近加勒比海的中美洲国家,会产生更强烈的飓风。后面的研究其中包括加利福尼亚、秘鲁和纳米比亚海岸的云层变亮,显示亚马逊盆地的降雨量显著减少。作者写道,如果这些影响无法得到纠正,那么海洋云增白“就永远不应该使用”。

政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change)最近发布的第六次评估报告(Sixth Assessment Report)强调,尽管海洋云变亮有可能为北极和其他生态系统降温,但这些区域性方法“在响应的力度和后果方面存在很大的不确定性”。

何时何地部署海洋云增白剂的问题将对科学(如何以最小的副作用实现有效性)和治理(如何确定谁将参与决策过程)都构成挑战。一方面离不开另一方面,而亨特确信,要成功地部署增云技术,需要不断提高并持续多年的后勤能力。他说:“在没有真正与当地社区进行充分的适当接触和充分的适当参与的情况下,你不能只是漫步进去,开始给云层增亮。”

目前对海洋云层增光以恢复北极海冰的治理充其量是模糊的。北极理事会定期召集8个国家讨论北极事务,尽管土著社区作为所谓的“永久参与者”参加讨论,但他们不允许就决议投票。

更复杂的是,船只实际上不会部署在北极,因为那里没有合适的云层,而是在大西洋,那里最有可能是在任何国家直接管辖之外的国际水域。长期的副作用使最初的区域性行动变成了全球性的干预。

为了吸引观众只是这种讨论,提高地球工程的轮廓,中心气候维修计划了一系列的研讨会十一月领导到COP26。"And what most people do, people who want to try and have an impact," Hunt said, "is put events on around the COP meeting. Because we don’t expect the COP meeting itself, inside, around the negotiation tables, that’s not where there’s going to be discussions about marine cloud brightening. No one’s going to talk about it."

索尔特申请出席COP26会议,但被拒绝了。他对被拒绝并不感到惊讶。他犹豫了一会儿,似乎很困惑,当被问及20年前接莱瑟姆电话时,他是否对年轻时的自己有过警告。“不,没有。我已经知道有很多反对的声音,”他回答说,听起来与其说是苦涩的,不如说是饱经风霜、铁石心肠的。

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