以科技力量 应对气候变化

俞之凡

数千颗小型卫星组成太空太阳能发电站的艺术构想图

一个漂浮在太空中的巨型太阳能发电站，正向地球发射着巨大的能量，这听起来像是科幻小说里的情节。这个最早由俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基于20世纪20年代提出来的设想，确实一直是科幻作家们主要的灵感来源。

而在一个世纪后的今天，科学家们正在将这一理想变为现实，目前已取得了巨大的进展。欧洲航天局正在筹集资金为这个项目提供支持，并预测我们从太空获得的首个能源将是太阳发出的“能量光束”。

气候变化是我们这个时代最大的挑战，从全球气温上升到天气模式的变化，全球各地已经感受到气候变化的影响。要克服这一挑战，就需要彻底改变我们的能源生产方式和消费模式。

近年来，可再生能源技术发展迅猛，效率提高，成本降低已成为一种趋势。阻碍发展的一个主要障碍是风能和太阳能都不能提供持续的能量供应，这类新能源发电厂只有在有风或阳光明媚的时候才能产生能量，但我们需要的是每天24小时不间断地供电且可大规模储存能源的可再生能源。

太空中的太阳能发电站

目前，一种可行的解决办法是在太空中建立太阳能发电站，它可以24小时直面太阳，而地球大气层也会吸收和反射一些太阳光，这样大气层上方的太阳能电池就可接收到更多的阳光，产生更多的能源。

但要克服的关键挑战之一是如何组装、发射和部署这样的大型结构物。一个太阳能发电站的面积可能要达10平方千米（相当于1400个足球场），使用的轻质材料也是关键因素，因为最大的开支是用火箭将空间太阳能站发射到太空的费用。

其中，一种可行的解决方案是开发一个由数千颗小型卫星组成的集群，这些卫星聚集在一起集成一个大型太阳能发电机。2017年，美国加州理工学院的研究人员概述了一种模块化太阳能发电站的设计，由数千块超轻型太阳能电池板组成。

而利物浦大学的研究人员则打算利用3D打印技术，将超轻型太阳能电池印刷到太阳帆上。太阳帆是一种可折叠、轻量化、高反射的薄膜，可利用太阳辐射压力的影响，在无燃料的情况下推动航天器前进。研究人员正在探索如何在太阳帆上嵌入太阳能电池，建立大型无燃料太阳能发电站。科学家们还在考虑如何利用太空资源制造太空太阳能发电站，比如月球上的材料。

另一个要考虑的问题是如何将能量传输回地球。一个构想是将太阳能电池的电能转换成能量波，利用电磁场将其传输到地球表面的天线上，然后再将电波转换回电能。日本宇宙航空研究机构的研究人员已经做出了设计方案，并演示了采用这项技术的轨道飞行器系统。

未来几十年内，太空太阳能发电站将有望建成。

此外，我国的研究人员也设计了一个被称为“欧米茄（Omega）”的系统，计划在2050年前投入使用。该系统可向地球电网提供2GW的电力，如果利用地面上的太阳能电池板产生如此巨大的能量，那么就需要600多万块才行。

未来，一些小型的太阳能卫星，比如那些为月球车提供动力的卫星，可能会更快地投入使用。在全球范围内，科学界正致力于太空太阳能发电站的研发，希望有朝一日它们能成为我们应对气候变化的重要工具。

實施碳去除来阻止气候变暖

大自然为地球配备了几个巨大的“海绵”，或称“碳汇”，它们可以帮助人类对抗气候变化。这些天然海绵可以起到吸碳的作用，能有效地将其从大气中去除。

那么，我们能从大气中抽出足够的碳来阻止气候变化吗？在过去2年里，经济学家萨宾·福斯领导的研究小组一直在寻找这个问题的答案。萨宾·福斯的任务是寻找哪些是最有希望、最可行的除碳战略。

众所周知，森林是地球的天然碳汇。树木可以从大气中吸收大量温室气体二氧化碳（CO2）进行光合作用，即一种利用太阳能量将二氧化碳和水转化为糖和氧气的化学反应。据《科学》杂志2019年的一项研究表明，种植1万亿棵树可以储存大约2250亿吨碳，相当于工业革命开始以来，人类释放到大气中二氧化碳总量的约2/3。

非赢利组织碳180的陆地生态学家、首席科学家简·泽里科娃认为，农业合理用地管理是另一种风险相对较低的自然碳去除方法，如提倡实行作物轮作和轮牧等策略，增加光合作用的吸碳能力等，让这些碳最终存储在土壤的根系组织里。美国国家科学院的研究人员还发现，土壤中的碳储量足以以较低成本抵消美国每年净排放量的10%，即约6.32亿吨的二氧化碳。

植树造林是储存多余二氧化碳的方法之一。

肉类是更大的碳足迹食物。

农业生产是应对气候变化的一大挑战。

但萨宾·福斯认为，基于如植树造林等自然的除碳方法，可能与粮食生产等其他政策目标有所冲突。随着规模的扩大，这些战略需要大量已开发的土地。

这也是为什么更多基于技术的去碳方法如此至关重要的原因。例如，通过化学方法直接从空气中提取二氧化碳，这些被捕获的二氧化碳可被注入地下。据国际能源机构统计，目前全球共有15家直接从空气中捕捉二氧化碳的工厂。此外，还有一种可通过捕获二氧化碳生产生物能源的方法。有机物质燃烧产生的热量或燃料被称为“生物能源”，植物和树木生长形成碳汇，而捕获二氧化碳生产生物能源的方法就是将燃烧产生的二氧化碳将被收集并储存于地下。

但这些技术都还没有大规模推广应用，其主要原因是代价昂贵，清除二氧化碳的费用估计高达400美元/吨，而且每一种技术都需要大量的研究和支持才能实施。但简·泽里科娃认为，美国可以将碳去除方案组合起来，协同工作，具体方案是：土地的合理利用和管理可用于中西部农业地区;太平洋西北部的玄武岩岩石有利于矿化处理;西南部油田已具备了进行地下碳储存的技术。

归根结底，每个国家都必须制定自己独特的二氧化碳减排组合战略，因为没有任何一项单独的干预措施能够成功。萨宾·福斯的研究表明，在热带地区，植树造林和再造林是最有成效的举措。而在反射率更高的北纬地区，碳捕获和生物质提取是较为有效的技术干预策略。

当前，全球科学家的共识是：我们需要立即停止进一步的碳排放。但萨宾·福斯指出，由于碳排放已融入了我们的日常生活和基础设施中，碳去除更为重要。

食品行业应对气候变暖的策略

吃什么食物会影响到我们的身心健康，并对我们所生存的星球的健康也会产生深远的影响？据《科学》杂志上的一项新研究表明，世界食品工业在2020年至2100年间将产生13560亿吨二氧化碳。即使其他所有产生二氧化碳的工业突然停产，这些二氧化碳也足以使全球升温超过2℃。

应对全球气候变暖，出路究竟在哪里？科学家们提出了5项改变我们生产、供应和消费食物的策略。这几项方案结合起来，将使食品生产过程中产生的二氧化碳排放量减少18%，甚至让食品行业变成负碳行业。这5项策略分别是：全球采用植物性饮食，如地中海饮食;将个人食物消费减少到健康推荐量;利用遗传学和其他技术提高作物产量;食物浪费现象减少一半;使用如肥料和食品添加剂等技术。

树木是最好的天然碳汇。

为什么食品行业要有所改变？这是因为粮食生产过程中向大气释放温室气体，农牧业为求发展砍伐森林，食品生产燃烧化石燃料，所有这些加起来，食品行业每年排放的二氧化碳当量超过35万亿吨。因此，减少与食品生产加工相关的碳排放，对于实现《巴黎协定》设定的防止全球变暖的目标至关重要。

那么，食品行業该怎么做呢？研究表明，某些饮食习惯可能比其他饮食习惯更环保。例如，美国和中国的田间试验表明，改进施肥方法和调整作物可以减少温室气体排放，提高亩产量，减少森林砍伐。同时，减少食物损失可以帮助更多人吃到更有营养的食物。如果饮食结构和热量消耗得到改善，那么罹患肥胖症、糖尿病、心脏病或过早死亡的概率都有可能降低。

然而，改变我们的饮食文化绝非易事。有研究人员警告道，如果我们选择忽视或推迟这些改变，那么留给我们的解决方案只会变得更加难以实施。因此，现在开始实施这些策略对我们个人和地球的健康而言，将会是双赢。

美国宇航局戈达德空间研究所（GISS）的气候科学家凯特·马维尔，利用超级计算机和卫星研究全球气候变化的趋势。她发表了很多关于气候变化的演讲和著述。她对地球的未来和气候危机抱有一种谨慎的乐观态度，她相信，作为人类，我们掌握着自己的命运，我们应该共同努力，防止最坏情况的发生。

她认为，在很大程度上，我们不知道天气会变得多热，因为我们并不清楚未来会发生些什么，我们也不知道到本世纪末二氧化碳浓度和温室气体浓度会是什么样子的。但是，我们不能消极等待，我们必须积极行动起来，我们可以塑造我们想要的未来。科学加行动，未来会更美好。

知识链接：

碳汇是一种可以吸收并储存大气中二氧化碳的自然系统，地球上主要的自然碳汇是植物、海洋和土壤。植物从大气中吸收二氧化碳用于光合作用。当植物死亡和分解时，其中一部分二氧化碳被转移到土壤中。海洋是二氧化碳的主要碳储存系统，海洋生物也会吸收这些气体进行光合作用，一些二氧化碳就会溶解在海水中。陆地和海洋的碳汇吸收了人类活动约一半的二氧化碳排放量。

由于森林砍伐等人类活动，吸收部分温室气体的这些自然碳汇的吸碳能力可能正在变弱，甚至停止吸碳。如今，科学家们正在寻求新的途径，设计人工隔离二氧化碳或将二氧化碳储存起来的新技术、新途径。