解决雾霾和全球变暖的简单方案：热气球烟囱逆温层排烟尘

                                  杨学祥，杨冬红

解决全球变暖的简单方案

同人于野评论 Super Freakonomics   2009-12-18 02:18:41

Super Freakonomics 这本书刚刚出版不久，是 Freakonomics （中文译为《魔鬼经济学》）的续集。书中用了整整一章来说明一个道理：特别复杂的大问题也许存在一个特别简单廉价的解决方案，而且历史一再证明了这一点。比如说只要医生常常洗手，就可以大大降低产妇的死亡率；提高撞车之后的存活率，安全带比安全气囊要廉价得多也有效得多，等等。

然后两位作者在最后一章宣布，全球变暖，也有一个简单而廉价的方案。

回到1970年代，那个时候之所以科学家担心全球变冷，是因为二氧化硫污染。二氧化硫可以在大气平流层停留一年，在那里它们跟水蒸气结合形成云，从而遮挡阳光。但此后各国减少了硫排放，变冷问题解决了。

二氧化硫的作用在1991年再一次得到证实。当年，菲律宾的皮纳图博火山爆发，火山灰直上天空22英里，导致两千万吨二氧化硫进入大气平流层并散开。结果是两年之后，全球温度平均降低了0.5 摄氏度。

所以解决全球变暖的最简单办法是往平流层排放二氧化硫。这个想法并不好听，“排放”，“二氧化硫”，都不是什么好词儿。但提出这个解决方案的不是写书的“魔鬼经济学家”，而是位于西雅图近郊的 Intellectual Ventures （IV）公司的几位科学家。

实际上，往平流层放二氧化硫并不是什么新方案，以前早就有人想当过，只是难度很大，因为你不想大规模的放，否则会污染大气。要点是怎么点穴式的放，直接放到平流层。IV 公司的方案就是这样。

这个方案说，鉴于全球变暖主要影响两极，应该重点往极地上空放二氧化硫。只要每年往北极上空的平流层投放10万吨，就足以解决北半球的变暖问题。这点量是微不足道的，因为每年已经有两亿吨二氧化硫进入地球大气。

关键是怎么直接送到平流层。IV 的方案是“garden hose to the sky”—用一根非常长，也就是18英里长，非常轻的管子。这跟管子被一系列气球带动，好像一串珍珠一样，带入平流层。地下这头，只要燃烧硫，把取得的二氧化硫液化，然后靠管子里面一系列的抽水泵把液态二氧化硫抽上去。

这个方案还特别便宜。拯救北极的话，需要两年时间和两千万美元搭建设备，然后每年运行费用是一千万美元。即使是拯救全球，也只需要一亿五千万美元的搭建费用和每年一亿美元的运行费。

二氧化硫法得到了诺贝尔奖得主 Paul Crutzen （1995年，化学奖，获奖研究是臭氧空洞）的支持。二氧化硫会破坏臭氧层，但 Crutzen 2006 年在 Climatic Change 上发表的一篇论文说，向平流层释放二氧化硫，“is the only option available to rapidly reduce temperature rises and counteract other climatic effects.”而他估计这点排放对臭氧层的影响非常小。

所以这的确是一个特别简单的方案。这是一个直接对地球动手的方案，以至于被称之为“地质工程”(Geo engineering) 。

https://book.douban.com/review/2869511/

https://www.douban.com/group/topic/10427410/

实际上，我们并不需要这样的高额的代价来解决全球变暖问题。我们在2016年12月31日提出，用倒置火箭排霾的锅炉烟筒混合系统将烟尘排送到逆温层和平流层，同样可以起到遮蔽阳光的降温作用，这是同时解决雾霾污染和全球变暖的最廉价方法。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1025474.html

现在，我们设计了更廉价的方案：利用烟囱排出的烟尘和热量，驱动热气球携带可折叠耐火软烟囱升到逆温层或平流层，将烟尘直接排放到高空，取得遮蔽阳光的阳伞效应，与此同时，降低地表的雾霾浓度，达到一石二鸟和两全其美的廉价效果。

驱霾新装置：热气球烟囱逆温层排烟尘

　　通常大气对流层内的气温是随高度呈递减速关系。但是在某些特殊条件下，如在空气下沉、辐射冷却、空中热气流流向地面、近地层扰动等因素的影响下，高层气温反而高于低层气温，这种现象称为逆温。逆温的类型有辐射逆温、下沉逆温、湍流逆温、平流逆温和锋面逆温。出现逆温现象的一层气体，称为逆温层。

在逆温层内，空气密度随高度增加而迅速减小。逆温层的物理特征是气体状态稳定，对气体上下对流过程有抑制作用。对流层内的逆温层高度通常在100-200米上下。

由于逆温层对空气对流有强烈的抑制作用，所以极其不利于大气污染物的扩散。由于大量气溶胶粒子和水汽积聚在逆温层下面，因此近地面层极易形成烟雾。

如果我们能将烟尘送到逆温层之上，加快烟尘的扩散，就可以减轻烟尘对地表空气的污染。热气球烟囱逆温层排烟尘系统是利用烟囱排出烟尘的热量，由热气球将锅炉排放的烟尘送到逆流层之上，既充分利用煤炭的热能，又减轻了烟尘对地表的空气污染，使煤炭也变为清洁能源。

热气球的功能简介

热气球是用热空气作为浮升气体的气球，用于航空体育、摄影、旅游等。18世纪由蒙哥尔费兄弟发明。其实，流传于民间中国古代发明的孔明灯远远早于18世纪。

一个严重的教训是，由于没有得到中国权威的认证，热气球的发明时间一直停滞在18世纪，孔明灯已经被世界遗忘。希望史学家能恢复历史的本来面目，还孔明灯一个公正的评价。

四大发明是指中国古代对世界具有很大影响的四种发明。即造纸术、指南针、火药、活字印刷术。此一说法最早由英国汉学家李约瑟提出并为后来许多中国的历史学家所继承，普遍认为这四种发明对中国古代的政治、经济、文化的发展产生了巨大的推动作用，且这些发明经由各种途径传至西方，对世界文明发展史也产生了很大的影响。孔明灯也应该位列第五。

空气是有质量的物质。相同体积的空气，温度不同，它们的密度、质量也不同。这就像水和冰，水结成冰后密度变小。把冰块按入水底，它总漂上来，就是因为冰比水密度小的缘故。气球升空的原理简单地说就是：球囊内空气被加热后密度变小，质量轻于球囊外相同体积的冷空气，于是球囊产生浮力而升空（像冰块在水中上浮一样）。对航空器而言，我们把这一浮力叫做升力。比如一个标准的AX—7级的热气球，它的球囊体积为2180立方米（77000英尺3），在海平面气温15℃时，该球囊内空气总质量为2670公斤。燃烧器将球囊内空气加温时，囊内空气膨胀，密度变小，膨胀后多余的空气从气球底口排出。囊内2180立方米的热空气达到100℃时，质量变为2070公斤，比相同体积的冷空气（15℃）轻了600公斤，此时气球产生了600公斤的升力。如果气球飞行总质量小于600公斤，气球就可以上升了。

国内普遍使用的是七型热气球，最大直径17米，高23米，体积约2180立方米，最高飞行高度可达7000米。

平流层（stratosphere），亦称同温层，是地球大气层里上热下冷的一层，此层被分成不同的温度层，当中高温层置于顶部，而低温层置于低部。它与位于其下贴近地表的对流层刚好相反，对流层是上冷下热的。在中纬度地区，平流层位于离地表10公里至50公里的高度，而在极地，此层则始于离地表8公里左右。

在逆温层内，空气密度随高度增加而迅速减小。逆温层的物理特征是气体状态稳定，对气体上下对流过程有抑制作用。对流层内的逆温层高度通常在100-200米上下。

因此，热气球将耐火的可折叠软烟囱带到逆温层是没有问题的。

热气球烟囱逆温层排烟尘简图

    希望得到科学网网友和相关部门的支持和帮助，尽快使本设计走出书斋，解决当前的雾霾困境。