扯不断理还乱：天文学与气候问题

编译 费文绪

2020年8月，美国加州熊熊燃烧的山火烧毁了利克天文台的建筑物，历史悠久的望远镜幸免于难

加州山火让天文学家失眠了

2020年8月，当美国加州熊熊燃烧的山火一路逼近圣何塞附近历史悠久的利克天文台（Lick Observatory）时，加利福尼亚大学天文台台长克莱尔·麦克斯（Claire Max）通过摄像头目睹了火焰向天文台建筑物和望远镜的边缘蔓延的现场。最终，消防员控制了火势。尽管山火摧毁了两栋闲置的建筑物，并摧毁了几栋房屋，正在工作的望远镜只是镜面上落了一点烟尘。“我们真的很幸运。”管理利克天文台的麦克斯说，加州沿海地区一直经历着干旱和山火的循环反复，“但是，人们完全有理由说，全球变暖并没有让情况有所好转。”

天文学家遇到了气候问题。全球变暖不仅增加了山火的发生率，增加了对天文台构成威胁的飓风的强度，而且气候变化可能使更高的温度、湿度和湍流空气靠近山顶栖息，从而影响天文台的观测视野。天文学家自身也加剧了气候问题，因为他们乘飞机去往偏远的天文设施基地观察或参加会议，并使用非常耗能的超级计算机进行宇宙模拟。荷兰莱顿大学的天文学家列奥·伯切尔（Leo Burtscher）说：“我们是问题的一部分，而不是解决方案的一部分。”

天文学家工作等于碳排放飙升

2020年9月发表在《自然-天文学》（Nature Astronomy）上的6篇论文描绘了上述担忧。其中一项研究是关于会议的碳成本，直接源自2019年在法国举行的欧洲天文学会（EAS）会议，该会议是在温度超过45℃的创纪录高温天气期间召开的。伯切尔说：“我们在没有空调的地方开会，整个有趣的会议期间一直在流汗。”会议讨论了气候变化和每个参会代表产生的碳排放，这激发了伯切尔和他的同事去估量代表参会造成的碳排放。所有参会代表总共增加了将近1 900吨二氧化碳当量的碳排放，平均每位参会代表约1.5吨——大致相当于印度居民的人均全年碳排放量。

无疑，其他科学领域的大型会议也会产生类似数量的碳排放，但是天文学家的工作习惯也很“重碳”（carbon heavy）。6项研究中的另一项研究发现，澳大利亚天文学家每人每年产生37吨二氧化碳当量的碳排放，其中60%来自超级计算机的使用。澳大利亚西澳大学的亚当·史蒂文斯（Adam Stevens）是该论文的主要作者，他表示：“我们对超级计算机竟有这么大的碳排放感到惊讶，我们每个人过去都以为飞行是主要的碳排放来源。”发表在《自然-天文学》上的一篇类似研究成果分析了德国马克斯·普朗克天文学研究所（MPIA）的天文学家2018年的碳排放量，显示了较低的总体碳排放量（每个天文学家18吨），其中航班飞行贡献了最大的碳排放。该论文的作者说，德国对可再生能源的使用更多，也许可以解释这种差异，但MPIA天文学家的碳排放量仍然达到普通德国人的3倍。

气候问题摆不平，天文观测难进行

天文学家助推的气候变暖反过来威胁到他们观测的视野。在另一篇论文中，MPIA的福斯廷·坎塔卢贝（Faustine Cantalloube）及其同事从欧洲南方天文台（ESO）管理的智利帕瑞纳天文台（Paranal Observatory）获得了30年的气象记录。他们发现那里的平均温度上升了1.5℃，超过了前工业时代以来全球平均温度上升1℃的幅度。坎塔卢贝说，这已经给帕瑞纳天文台的甚大望远镜（VLT）造成麻烦。该望远镜由4个独立的8.2米口径反射镜组成。白天，冷却系统开始运转，以保持望远镜穹顶内部的温度与日落时外部空气的温度相同，避免夜间打开穹顶时内外温度差异造成湍流。当白天温度超过16℃时，冷却系统将无法正常工作。“穹顶冷却系统不够好，”坎塔卢贝说，“在建造这个望远镜的20世纪90年代，我们不曾料想，2020年气温会如此之高。”

温度的升高也增加了表层（望远镜上空数十米处的空气）的湍流。研究人员发现，自20世纪80年代以来，表层湍流一直在上升，尽管尚未影响到观测，情况仍然令人担忧，坎塔卢贝说：“非常接近地面之处显然发生了什么。”

人们预料：更暖的气候也会增加湿度，从而导致云层覆盖增加，这对天文学家来说是一个明显的问题。水蒸气本身可以阻挡红外线和微波辐射，这也是智利阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列望远镜（ALMA）的观测重点。坎塔卢贝的分析表明，到目前为止，帕瑞纳或ALMA的湿度尚未增加。气候模型的精细度还不足以准确预测天文台未来的湿度变化。ESO大气科学家安吉尔·奥塔罗拉（Angel Otárola）说：“我们必须密切关注，气候变化是否会增加天文台所在区域的湿度。”

从摄像头上看着熊熊山火逼近利克天文台，天文学家失眠了

减少碳足迹的N种方式

天文学家正采取措施减少他们的碳足迹。6项研究的另一项研究中，莱顿大学的西蒙·兹瓦特（Simon Portegies Zwart）呼吁改变计算策略。兹瓦特说，天文学家应该避免使用传统计算机，而应该使用依赖更高效图形处理器的计算机，尽管它们更难编程。天文学家还应该放弃流行的编程语言，例如Python，转而使用高效的编译语言。兹瓦特计算得出，Fortran和C ++等语言的碳效率比Python高100倍以上，因为它们所需的操作更少。MPIA的克努德·扬克（Knud Jahnke）认为，另一种选择是在冰岛或者富含可再生能源的其他国家建造超级计算机，因为冰岛蕴含的地热能不会产生碳排放，而且寒冷的气候可以降低机房的制冷需求。

世界上其他主要天文台也纷纷采取行动。ESO于2016年为旗下的智利拉西拉天文台（La Silla Observatory）建造了太阳能阵列，并于2019年签署了光伏电站协议，以帮助冷却正在帕瑞纳附近建造的极大望远镜（ELT）。夏威夷的凯克和双子星望远镜（Keck and Gemini telescopes）以及澳大利亚默奇森射电天文台（MRO）也安装了太阳能阵列。为了减少天文学家的空中旅行，越来越多的望远镜开始采取远程观测。麦克斯说，加利福尼亚大学在其各地的校园建立了远程观测室，这样研究人员无需前往利克和其他望远镜所在地就能实现远程观测。自从新冠肺炎疫情以来，远程观测方案已扩展到家用笔记本电脑，麦克斯称为“睡衣观测”——顾名思义，你穿着睡衣在自己家里用笔记本电脑就可以远程连接望远镜进行天文观测。她说：“如今，飞往夏威夷实地观测的日子屈指可数。”

会议是另一个时机成熟的改革对象。美国天文学会（AAS）可持续发展委员会主任、阿拉斯加大学安克雷奇分校的特维斯·雷克特（Travis Rector）表示：“虚拟会议的减排潜力令人兴奋。”由于新冠肺炎疫情，今年的EAS会议改为虚拟会议，曾计算2019年会议碳成本的研究团队对2020年的会议作了新的分析。基于对与会代表和组织者的计算机和互联网使用情况的调查，他们计算出整个会议的碳排放量为582千克二氧化碳当量，不到2019年会议碳排放总量的1/3000。该研究论文的作者、欧洲空间局（ESA）高级顾问马克·麦考瑞安（Mark McCaughrean）认为：“这么显著的减排效果确实值得我们驻足思考。”

EAS正在研究未来会议采用的混合模式，比如，距离较远的参会者将以虚拟方式参会。雷克特说，AAS的合约承诺了数年的面对面会议，但他希望合约到期后学会将转向虚拟会议。他相信，各个学会之间将互相学习怎样做得更好。

2020年10月，利克天文台的工作人员清理了火场周围的灌木丛和树木，以降低将来发生火灾的风险。伯切尔认为，天文学家也需要行动起来。他说：“这是一个符合道义的决定，也是一个务实的决定。我们需要做出改变，才能继续从事我们的天文研究事业。”

资料来源Science