11月22日,以“厉害了,是抽象!”为主题的2025菠萝科学奖颁奖典礼在杭州举行。本届颁奖礼上,最天马行空的研究之一莫过于荣获抽象奖的“往天上撒钻石改善全球变暖”。
全球气候变暖主要是由于温室效应不断积累,导致地球大气(层)系统吸收与发射的能量不平衡,能量不断在地球大气系统累积,从而导致温度上升。气候变暖的原因很多,但主要与人类的生产生活活动有关,如焚烧化石燃料,砍伐森林,汽车尾气排放等。全球变暖会使全球降水量重新分配、冰川和冻土消融、海平面上升等,不仅危害自然生态系统的平衡,还影响人类健康甚至威胁人类的生存。
全球变暖问题严峻,目前人类主抓的是“减排”和“固碳”,即降低大气的保温作用,以此减缓气候变暖。但是,大气的直接热源是大地,而大地的温度来自太阳辐射,故而直接管理太阳辐射(即减少太阳辐射),也是为地球降温的一大措施。比如,火山喷发带来的“遮阳伞”效应——大量硫酸盐气溶胶反射阳光导致降温,给了科学家启发,即平流层气溶胶注入计划(SAI)。不过,硫酸盐气溶胶可能带来臭氧消耗、平流层变暖等副作用。
注意:对流层大气中的水汽和二氧化碳等,可强烈地吸收地面辐射。地面辐射释放的能量,除极少一部分透过大气返回宇宙空间外,绝大部分(75%—95%)都被截留在对流层大气中,使大气增温。所以说,地面是对流层大气主要的直接热源。大气吸收地面辐射增温的同时,也向外辐射能量。大气的温度比地面还低,所以大气辐射也是长波辐射。大气辐射的一部分向上射向宇宙空间,大部分向下射到地面。射向地面的大气辐射,其方向与地面辐射相反,故称为大气逆辐射。大气逆辐射又把热量归还给地面,这就在一定程度上补偿了地面辐射损失的热量,对地面起到了保温作用。
19世纪初的印尼坦博拉火山爆发,其火山灰硫化物生成的硫酸盐气溶胶,将部分太阳辐射隔离在地球大气层外(类似遮天蔽日),导致地球气温变低,形成长期冷却效应,地球随后进入小的冰冻期。这场火山爆发,让法国拿破仑的百日王朝因天气恶劣(火山喷发导致电离层发生变化,成云致雨,因而欧洲频繁下雨),主力部队迷路,错失歼敌良机,最终出现了历史上有名的“滑铁卢大败”,拿破仑彻底失势。这场火山爆发,让中国(清嘉庆年间)极度寒冷,自然灾害频发,且鲜有光照(光合作用弱),农作物(粮食)减产,民生日苦(饥荒)的同时,加剧了社会矛盾,影响了社会稳定——从康乾盛世进入没落动乱。
往天上撒钻石改善全球变暖,即通过向中层大气注入微小颗粒来人为冷却气候,这些颗粒能将太阳辐射反射回太空。为了减少负面副作用,科学家探索了替代硫酸气溶胶的材料。其中,钻石是最佳材料之一。模拟研究发现,每年向平流层注入约500万吨、150纳米大小的合成金刚石颗粒,理论上可在45年内降低全球温度约1.6℃。金刚石因其高反射性、低污染和稳定性而表现优异。但他们并非提议真去撒钻石颗粒,而是寻找具有类似理想特性的材料——每年200万亿美元的成本堪称“天方夜谭”。
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