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胆大包天的环境工程

2005-08-09 12:21 作者:吴戈 2005年第28期
改变初始状态后,模拟的“伊尼基”飓风从95公里外绕过了考爱岛

改变初始状态后,模拟的“伊尼基”飓风从95公里外绕过了考爱岛;处理二氧化碳的过程就像在雪地上如何抹掉旧脚印而不留下新脚印;在能制造可控的地震前,需要地下断层形状和摩擦力的精确数据。

干预飓风

7月8日~9日,登陆古巴的飓风“丹尼斯”造成直接经济损失14亿美元以上,影响到800万人。7月15日减弱为低气压的强台风“海棠”在不到一天之内,造成台湾农业损失30亿元,闽浙两地820万人受灾,直接经济损失80.93亿元。18日,飓风“埃米莉”以每小时约160公里的速度登陆墨西哥,引起纽约原油期货价格震荡。全球每年80~100个热带风暴平均造成约1.5万到2万人死亡,经济损失高达60亿~70亿美元。

在卫星和高速计算机的帮助下,对台风这样的自然现象,人类可以清楚地预报和监测它从产生到消亡的全过程,对它的到来却无能为力。军事高科技读物列出的种种骇人的“气象武器”和“地球物理武器”也只是诱灾有意,消灾无术。人工控制天气的话题甚至在科幻小说里也不太流行,因为控制的手段和细节难以想象。

严格地说,可以科学探讨的只能是人工“干预”而不是“控制”天气。早在1948年,美国通用电气公司科学家文森特·谢福和伯纳德·冯·尼古特就分别发现了用干冰和碘化银人工降雨的技术,有限地小范围干预天气——包括阻止简单灾害性天气——成为可能,比如通过催雨防止冰雹的形成。但对飓风这样的大规模天气系统,人类拥有的能量就无法抗衡了。一场飓风每天释放的能量相当于美国每天发电量的8000倍。以思维大胆而著称的美国科幻小说家,《侏罗纪公园》的作者迈克尔·克莱顿在他的《龙卷风》(Twister)中,也只设想了提前15分钟准确预报龙卷风。

目前,气象学家已经清楚热带气旋(在大西洋和东太平洋地区称飓风,西太平洋地区称台风)的成因。热带海洋不断蒸发形成的暖湿空气上升后,其中的水蒸气遇冷凝结,形成云层和降水,同时释放出潜热,使失去水分后的空气变得更轻,上升得更高,外围暖湿空气不断填补由此形成的低压区,使这一过程不断增强。在地球自转作用下,气旋开始转动,最终形成台风/飓风。登陆后,它会失去暖热水汽来源,强度迅速减弱。

干预飓风的最初想法可以追溯到20世纪60年代初美国政府的“雷霆风暴”工程。其思路集中在运用当时惟一实用的影响天气方法——云层催化技术,向风暴眼壁外第一道雨带抛撒碘化银颗粒,增强这里的降雨,消耗掉海面附近的暖湿空气,使已形成的风暴眼半径增大,削弱飓风的强度。但这项计划的效果并不理想,因为风暴中并没有多少过冷水蒸气。

70年代对混沌理论的研究给大气科学带来很大促进。混沌系统对初始条件极其敏感,表面上无足轻重的随机输入可能迅速产生难以预测的结果。“亚马逊流域的一只蝴蝶扇动翅膀,就可能掀起密西西比河流域的一场飓风”,这就是著名的“蝴蝶效应”。

飓风对初始条件的敏感本是预测的难度所在,但这种敏感也很可能成为干预飓风的关键。随着近十年计算机模拟技术的成熟,风暴复杂的发展过程已经能用数值方法模拟出来。在NASA的资助下,美国马萨诸塞州AER(大气与环境研究)公司首席科学家罗斯·霍夫曼在模拟中尝试改变了飓风的部分参数,结果发现:大多数干预烟消云散,只有能诱发自我增强的干预才能增强到使飓风产生强烈的回应。

霍夫曼模拟的对象是1992年8月和9月分别席卷佛罗里达州南部和夏威夷考爱岛的“安德鲁”和“伊尼基”飓风。计算表明:初始温度改变十分之几度,最终风暴中心附近可上升2℃,风速改变3~5公里/小时,中心附近风速可改变32公里/小时。在模拟中,经过干预的“伊尼基”飓风虽然表面并无变化,但在6小时内开始转道向西,在预计路线以西95公里处绕过了考爱岛。经过人工干预的“安德鲁”飓风最大风速从原来的三级降为普通的一级。而真实的“安德鲁”是美国历史上造成经济损失最大的一次自然灾害,损失250亿美元。

霍夫曼认为,从可行性考虑,干预飓风的方法以改变温度较为可行。具体手段包括:在空中撒布碘化银等增雨剂,精确引导云催化,剥夺飓风眼壁扩大和增强所需的水分;在飓风将要经过的海面上布置一层可生物降解的油膜,降低海水的蒸发速度,直接限制飓风所能获得的能量;还可以用在轨道上的空间太阳能电站,将电能以微波形式向下传送,波长被调整到最适于飓风中的水分子吸收,引起水分子振动,加热周围的空气,使飓风强度减弱或转移方向。当然,改变飓风方向还需要避免危害邻国。如果被恶意利用,则成为气象武器。

目前预计,人工干预飓风可能在10~20年内开始小规模实验。如果成功,世界各国也许可以考虑联合采取措施。我国科学家也有人提出:热带气旋发展成台风需要五六个必要条件,因此热带海洋每年生成的气旋只有10%成为台风,如果人为地破坏形成条件,或许可以减弱台风。

处置二氧化碳

在刚刚推出不久的新作《恐惧之国》(State of Fear)中,迈克尔·克莱顿再现异类本色,书中支持地球变暖结论的只有一个律师和一个醉鬼,而反对者俨然是个英雄,一群环保主义者更被描写成疯子,打算引发一系列自然灾害,以数万人的死亡来证明地球变暖趋势的存在,最终落入食人族刀下。

实际上,就在2004年夏季,阿拉斯加鲑鱼头一次没有回到出生地产卵,因为原来的河流变成了小溪;英格兰和苏格兰附近海域却发现了海马等亚热带海洋生物;北极熊因为浮冰大量消融而困在北极圈边缘的岛上。过去40万年,二氧化碳在大气中的浓度约为180~280 ppm(表示每百万个空气分子中二氧化碳分子的数量),但最近1800年由于大量燃烧矿物燃料,二氧化碳浓度到2004年已达到前所未有的379ppm。据政府间气候变化专门委员会(IPCC)预计,如果不加控制,到2100年这个浓度将达到650~970ppm,将使全球气温升高1.4℃到5.8℃,海平面将上升9~88厘米。目前在研究的1103种动植物到2050年将有1/3面临灭绝,全球一共将有100万个物种因气候变化而消失。

从2001年3月起,布什政府就不支持减排二氧化碳的《京都议定书》,他们更愿意考虑采取一些牛仔风格的生猛手段来减少二氧化碳。当年9月,美国气候变化技术计划总统委员会邀请二十几位科学家参加了“快速或严重气候变化的反应方案”研讨会,与会的包括劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的一些专家,他们在长期试验核武器的过程中,对用“地球工程”手段影响气候颇有见解。该实验室的物理学家,美国全球变化研究计划的高级科学家米切尔·马科克拉肯说:“我们无意中已经改变了气候,为何不有意地平衡一下呢?”

一个办法是将二氧化碳储存在地下。从2000年7月开始,加拿大萨斯卡彻温省东南角韦伯恩城外方圆181平方公里的油田实施了世界上最大规模的碳埋藏行动——韦伯恩工程。一根伸到地下1219米深处的钢管每天向地下泵入5000吨加压的液化二氧化碳,一方面将石油从多孔的岩石中挤出来,同时将二氧化碳存入地下。这些加压到超临界状态的二氧化碳密度极大,黏性强,更像是液体,应该能在地下储存数千年。该项目由加拿大石油天然气公司EnCana和石油技术研究中心合作,投资1300万美元,已经处理了600万吨二氧化碳,相当于燃烧5亿加仑汽油产生的后果。到2033年该工程将储存2500万吨二氧化碳,项目经理迈克尔说:“相当于680万辆汽车一年不上路。”

存在了数百万年的地下盐水层能储存更多的二氧化碳。人类每年向大气排放约280亿吨二氧化碳,地质学家估计地下盐水层和地下水能容纳200万亿吨,但危险在于:今后勘探油气资源时可能使某个盐水层失压,二氧化碳还可能通过地下岩石的自然裂缝缓慢渗出,在地下室或地窖内汇聚,威胁人员安全。麻省理工学院能源与环境实验室的霍华德·赫尔佐格说:“问题是集中的二氧化碳并不多,还有太多的二氧化碳气体散布在空气中,收集、压缩和运输都需要资金,美国等多数国家都没有法律要求燃烧石油燃料的电站承担这项义务。”

1999年3月,哥伦比亚大学地球工程中心的物理学家克劳斯·拉克勒就提出建造巨大的过滤器,像捕蝇纸一样捕获二氧化碳分子,再用氢氧化钠或氢化钙等化学物质将其吸附,最后将二氧化碳分离储存,化学物质可循环使用。亚利桑那州全球研究技术公司的艾伦·莱特与拉克勒合作研制的风清洗机将在两年后完成。拉克勒计算:一个大屏幕等离子电视大小的装置每年可捕捉25吨二氧化碳,相当于每个美国人每年给大气增加的数量,约60米高,50米宽的工业化装置每年能留住约90000吨。矛盾的是,分离二氧化碳的过程本身也需要来自矿物燃料的能量。赫尔佐格说:“要捕获人类增加到大气中的所有二氧化碳,需要的清洗塔将占满至少相当于一个亚利桑那州的面积。”

2002年1月5日,新西兰斯克里普斯海洋学研究所的研究船“雷弗勒号”在南大洋海面倾倒了约2724公斤铁粉,以检验海洋学家约翰·马丁十年前提出的假说:“给我半船铁,我就能给你制造一个冰期。”南大洋矿物质和营养丰富,却奇怪地缺少海洋生物,马丁的结论是这片海洋“贫血”(缺铁),制约了浮游生物的生长。加铁,刺激消耗二氧化碳的浮游生物的生长,或许能使地球冷下来。这次行动的首席科学家,加州莫斯·兰丁海洋实验室主任肯尼斯·科尔认为:试验成功地证明了少量的铁就能促使浮游生物大量生长。估计只需一磅铁(0.454公斤),就能催生足以吸收100000磅二氧化碳的浮游生物。“即使这个过程的效率只有1%,也只需要一毛钱(美元)就能消耗掉半吨碳。”但科学家对大规模试验仍非常谨慎,因为对深海环境还了解太少。虽然这是目前最简单最便宜的减少二氧化碳的方案,但科尔也承认:仍然不清楚这对海洋其他方面和食物链的连锁反应,一个担心是大量浮游生物在消耗二氧化碳的同时也会挥霍其他营养成分,而由深海洋流从南大洋带向北方的富于营养的海水是很多鱼类的命脉。“我们可能无意中使海洋变得荒芜”,科尔说。

美国西部名胜大峡谷其实是世界上最大的二氧化碳贮藏室之一。数亿年前这里是大海,富含二氧化碳的海水缓慢地与其他化学物质反应,形成碳酸钙(石灰石),也就是今天大峡谷岩壁上的那些粉红带,有的厚达150米以上。但这个自然过程实在太慢,亚利桑那州立大学的金水材料科学实验室试图加速这个过程,他们将经过压缩、加热的二氧化碳与蛇纹岩、橄榄石混合,在碳酸氢钠的催化作用下,转化为与石灰石相似的碳酸镁。这个方案只是一个良性自然过程的加速,但处理每吨二氧化碳约70美元的成本还是太高,而且加热过程也要燃烧矿物燃料。

另一类方案是直接对付阳光。全球海洋上空每天都有约1/3被层积云覆盖,科罗拉多州国家大气研究中心的约翰·莱瑟姆1990年就提出:将海上层积云的反射率只增加3%,多反射掉的阳光就能解决全球变暖。为此,英国爱丁堡大学工程设计教授史蒂芬·索尔特设计了由GPS控制的无人风力船,能在热带海域扬起海水,为云层增加细小的盐粒,形成更多小水滴,使云层更白。每艘船利用4副18米高的弗莱特纳旋翼行驶,其顶部的叶轮将海水水雾喷向空中。索尔特估计:要解决全球变暖,“也许需要5000~30000艘这样的船只”。这个想法原来被认为荒诞不经,现在也开始得到一些认同,它的优点是容易精确调节,但缺陷是盐粒子太小,有可能只适合形成层积云而无法形成雨云,会给下风方向带来干旱。

用镜子反射阳光是最具野心的方案,劳伦斯·利弗莫尔实验室的物理学家洛厄尔·伍德经过10年研究,提出的方案是:用直径仅百万分之一英寸的铝线编成间距千分之一英寸的网,它并不阻挡而是过滤阳光,使一些红外辐射无法到达地球大气,植物的光合作用不受到影响。它的优点是运转不需要成本,将太阳辐射偏转掉1%,就能稳定气候,这需要面积达155万平方公里的网,虽然也可同时使用几个小一些的网,但把这样大的东西送入轨道仍是极大的挑战,还不用说巨大的成本,因此它最好是在其他手段失败时采用。

释放地震

2004年12月26日8时58分49秒,印度洋板块与亚欧板块的碰撞将数百万年积聚的能量从苏门答腊岛海面以下17万米的地下释放出来,相当于2.5万颗长崎原子弹,这次海啸在夺去20多万生命的同时,甚至永久缩短了地球自转周期。

对大气层,不管办法是否有效,人类至少有更多观测,也有很多施加影响的余地,但对地震和海啸,目前主要的办法还是加强监测和预报。20世纪90年代初,美国和日本就在太平洋建立了海底地震监测网,现在的问题是全球监测的覆盖面不够,2004年海啸发生前印度洋就基本没有监测点。英国伦敦学院的比尔·麦圭尔提出警告:非洲海岸外的拉·帕尔马岛上的库布雷·维伊加火山如果喷发,相当于纽约曼哈顿岛面积的岩石就会溅入大西洋,激起相当于300层楼高的大海啸,26米高的巨浪9个小时内就会冲到佛罗里达州的卡纳维拉尔角。夏威夷大学的科学家说,12万年前在太平洋曾发生过类似情景,当时莫纳罗亚火山将近500立方公里的岩石溅入海中,掀起250米高的海啸。科学家们建议,在非洲海岸某些地方建立监测点成本不算太高,但可能挽救美国。利用干涉测量合成孔径雷达(InSAR)和GPS定位技术,已经可以随时监测重要地区陆地的细微形变,这是地质断层断裂或火山爆发的前兆。

其实,对地震的控制也有大胆设想。40年前,工程师们就知道向地下井中注入液体,偶尔会引发小地震,因为水润滑了岩石表面。此后出现了大量向断层内注水来释放地震能量的设想,支持者认为:地震是断层中积累的应力的突然释放,如果能让这种应力用更长的时间,通过一系列更小的震动来释放,结果就不会有那么大的破坏。引发地震总比无法预料的地震安全,因为当地公众和救援人员可以有准备。

不过,地质学家警告:用一群小地震代替一次大地震实际上可能更危险。美国地质勘测局地震灾害组的首席科学家威廉·埃斯沃斯指出:“里氏震级的每一级地震能量都会成倍增加,大约要1000次6级地震,才能缓解掉一次8级地震的能量。另一个难题是很多断层直到地震发生时才被发现。”加州理工学院的地球物理教授托马斯·阿伦斯说:“小地震可能很容易失控。”在能制造可控的地震前,需要地下断层形状和摩擦力的精确数据,哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测台副主任阿瑟·勒纳-拉姆说:得到这些数据还是“一个近期无法解决的成像难题”。

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