《Science》全球变暖最新发现与热气球烟囱逆温层排烟尘

    一项由中外科学家完成的突破性研究于2019年1月17日在线发表在国际顶级期刊《Science》上，该研究阐明了空气污染对全球变暖的抑制作用。

    2017年，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。

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《Science》全球变暖最新发现：小颗粒有大影响

2019-1-18 05:59   

一项由中外科学家完成的突破性研究于2019年1月17日在线发表在国际顶级期刊《Science》上(http://science.sciencemag.org/content/early/2019/01/16/science.aav0566?rss=1)，该研究阐明了空气污染对全球变暖的影响。

全球变暖可能导致的气候变化，直接影响的人类生活方式。由人为排放的温室气体引起全球变暖是目前的共识，因此需要向可再生能源过渡以减轻这些排放带来的影响。然而，时至今日，全球变暖的量化评估仍存在很大的不确定性，变暖的幅度在1.5到4.5度之间，而每增加一度就会带来更大的风险。

此研究指出人类活动排放产生的气溶胶颗粒污染对地球降温作用可以部分抵消温室气体引起的全球变暖。研究表明，气溶胶通过对云的影响从而产生的气候系统冷却作用比以前评估的要大得多。气溶胶是悬浮在空气中的微小颗粒，可以由自然形成（如沙漠尘埃），也可人为形成（如自化石和非化石燃料的燃烧、交通运输以及各种工业排放产生的烟雾， 即灰霾）。气溶胶作为云凝结核，当空气抬升和冷却时，水蒸气凝结在气溶胶颗粒上并形成云滴。云是通过空气抬升和冷却的气象过程形成，但云的微物理结构很大程度上由气溶胶决定。当空气中存在大量气溶胶颗粒物，所形成的云是有大量的小云滴组成的，云滴越小通过碰并产生的云滴的时间越长。因此，被污染的云含有更多的云水、存在时间更长、覆盖范围更大，从而将更多来自太阳的能量反射回太空，导致地球降温效应。

在这项研究之前，由于无法将云的抬升的影响与决定云的属性的气溶胶的影响分离，因此无法准确评估气溶胶对云的影响所产生的气候效应。此研究团队通过开发同时计算云的抬升速度和云微物理参数的卫星反演算法，并将这些反演算法应用于海洋性低云研究。发现气溶胶导致云水含量和云区覆盖范围显着增加，远超出目前的认识，并且具有比先前认识更大的冷却效应。

研究团队认为，在全球变暖的大背景不变的情况下，如果气溶胶确实导致比先前估计更大的冷却效应，为了抵消这部分冷却效应，那么当前温室气体的变暖效应也应该比先前的估计更大。因为温室气体会在大气中累积，而气溶胶浓度不会增加，甚至可能随着清洁能源的普及而降低。清洁能源产生的气溶胶较少，而温室气体的排放量不变的情况下，未来变暖的趋势更加明显，这意味着未来的变暖比以前的估计更大。此外，研究团队还提出了一种更有可能但尚未证实的可能性——深厚云和高云带来的加热效应也可能抵消了低云的冷却效应。

无论哪种可能性，结论都是一样的。目前全球气候预测中没有全面考虑到气溶胶对云的巨大影响和由此产生的气候效应，这导致目前对全球变暖的量化评估存在很大不确定性（1.5到4.5度），此研究的出现可以更准确的量化评估气溶胶影响云而带来的气候效应，提高未来气候预测的准确性。

此研究由以色列希伯来大学Daniel Rosenfeld教授领衔，联合了国内外科学家一同完成，包括陕西省气象研究所朱延年博士、南京大学汪名怀教授、美国马里兰大学Youtong Zheng博士、德国莱比锡大学Tom Goren博士和浙江大学环境与资源学院俞绍才教授。浙江大学的研究得到国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目（No. 41561144004）、国家自然科学基金面上项目（No. 41575136;21577126）和科技部重点项目（No. 2016YFC0202702）及浙江大学空气污染与健康研究中心（No. 14-585302-001）的资助。

该论文共同第一作者为Daniel Rosenfeld教授及朱延年博士，共同通讯作者为希伯来大学Daniel Rosenfeld教授、南京大学汪名怀教授及浙江大学环境与资源学院俞绍才教授。

相关论文信息：Daniel Rosenfeld*^#, Yannian Zhu^#, Minghuai Wang*, Youtong Zheng, Tom Goren, and Shaocai Yu*, 2019. Aerosol-driven droplet concentrations dominate coverage and water of oceanic low level clouds, Science, 17 January 2019, Vol 363, Issue 6424. Doi: 10.1126/science.aav0566.

图1. 北美洲西边太平洋海域的卫星图像。颜色表示云滴数浓度，单位为立方厘米。通过观察云滴数浓度的分布，可以很容易的辨别船舶排放的尾迹。当每立方厘米的云滴数量大于50时，降水被抑制的同时云的覆盖面积更大。而在船舶排放尾迹交汇处，云滴的浓度和云面积更大，更大的由小云滴组成的云层导致更多的太阳能量被反射回太空。

图2. 卫星反演的云量(左)和云的辐射强迫（右）随云滴数浓度变化。这里云按照几何厚度（CGT）大小分为5类。

图3.不同几何厚度（Cloud Geometrical Thickness，CGT），海洋性低云中云滴数浓度和云物理的概念图。气象条件决定了CGT云凝结核（Cloud Condensation Nuclei，CCN）决定了云滴浓度（Cloud Drop Concentration，N_d）。云量随着气溶胶的增加和云发展的更厚而增加。降水的发展与云量和云水路径的减少有关，可能是由于降水过程耗尽云水并形成干的下降气流破坏云的覆盖。降雨强度随着云顶有效半径和云厚的增加而增加。 因此，较深厚的云可以在较大N_d处形成降水并且云量下降，但浅薄的云则不可以。这个概念模型只是为了说明不同的云厚产生降水过程与Nd的关系。并非文章的主要内容。

http://blog.sciencenet.cn/blog-1220241-1157687.html 

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

已有 3562 次阅读 2017-1-6 09:53    

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。

 http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1025799.html