SCOPEx：平流层控制扰动实验

SCOPEx 是一项用于了解平流层气溶胶的科学实验，这项实验与太阳地球工程相关。这项实验的实验结果，能够提高太阳地球工程模拟（计算机模型）的保真度。这项实验模型是估计太阳能地球工程风险和效益的主要工具，但由于现存的一些限制使得目前模型看起来不太好。SCOPEx 将对目前模拟中高度不确定的气溶胶微物理和大气化学方面进行定量测量。这不是对太阳能地球工程本身的考验，相反，它将观察到粒子如何与平流层空气、太阳红外辐射之间的相互作用。这一相互作用过程能够有助于解释实际应用中的问题，例如，能否在不增加其他物理风险的情况下找到能够减少或消除臭氧损失的气溶胶？

SCOPEx的核心是一个装有螺旋桨的科学气球。这些螺旋桨本来用于轮船，但是现在高空气球使他们在新的环境发挥了新的功能：首先，螺旋桨工作形成一个圆柱形的空间，这个空间大约1公里长，直径100米，宛如一个实验用的“烧杯”，在这个“烧杯”中我们可以添加气体或其他颗粒。其次，螺旋桨允许我们将测量装置定位到“烧杯”内的不同位置，以测量扰动空气的特性。相对于周围的空气，有效载荷可以达到几米/秒（相当于行走速度）的移动速度，通常一次实验持续大约10分钟。

SCOPEx推进式气球的优势在于，它使我们能够创建少量受控的平流层空气，并观察它在我们期望时间内（24小时）内的演变。因此，这项实验名称缩写意为“平流层控制摄动实验”。如果我们使用飞机而不是气球，那么我们将无法创造如此小的扰动体积，也无法长时间观察到实验进程。

SCOPEx 以安德森基思库奇集团40年来对臭氧层环境化学的研究为基础。SCOPEx 将使用或调整这一臭氧研究开发的许多高性能传感器和飞行系统工程经验。分析这些实验将使我们的认知超出计算机模型中当前现有认知，而且使得研究人员能够在实验室条件下得到更可靠的实验测量数据。

关于SCOPEx常见问题解答：

1.这项实验内容是什么？

我们计划使用高空气球将测量仪器送入约20公里外的大气层。一旦它到达指定位置，非常少量的实验材料（100克至2公斤）将被释放，并且产生一个大约1公里长，直径100米的扰动空气柱。然后，我们将使用另外一个气球来测量扰动空气质量的变化，包括气溶胶密度、大气化学和光散射的变化。

2.为什么要进行这项实验？

这个实验将帮助我们更多地了解太阳能地球工程的功效和风险。计算机建模和实验室工作告诉我们有关太阳能地球工程学的一些非常有用的知识，但是与环境科学的所有其他方面一样，计算机模型最终还是基于对真实环境的观察。例如，测量气溶胶改变平流层化学性质的方式可以提高整体模型预测大型地球工程如何破坏平流层臭氧的能力。户外实验可以提供在实验室中无法获得的现场视角，SCOPEx可以帮助我们验证尚未针对测量进行测试的重要模型参数。

3.气球将释放哪些材料？

将来，如果科学飞行得到独立咨询委员会的批准，实验人员计划释放碳酸钙，这是一种常见的矿物粉尘。我们还可能释放其他材料，如硫酸盐，以适应不断发展的科学进程。在其他的实验中，硫酸盐气溶胶（化学硫酸）是平流层气溶胶地球工程研究最多的材料之一，因为它已经自然存在于平流层中。这意味着，尽管仍然存在许多不确定性，但研究人员对潜在影响有一定程度的理解。然而，这也意味着我们知道，硫酸盐气溶胶尽管具有潜在的好处，却具有两个主要的一阶平流层影响：对臭氧层破坏和升高平流层温度。臭氧破坏的危险是有据可查的，但平流层温度升高是一个难以预测的风险，因为我们还不明白它如何改变平流层（平流层的运动）的运动规律。因此，可以减少这些一阶风险的材料将减少对平流层扰动，进而减少由于地球系统的复杂耦合而导致对流层和地球表面的任何进一步风险。哈佛大学的研究人员分析了一系列替代材料例如钻石，并发现碳酸钙可能是有希望的。早期研究表明，它具有近乎理想的光学特性，这意味着在一定量的反射阳光下，它吸收的辐射比硫酸盐气溶胶少得多，导致平流层加热明显减少;与硫酸盐气溶胶相比，它有可能大大减少消耗臭氧的卤素物种的活性，这意味着它可以减少臭氧损失。然而，碳酸钙并不自然存在于平流层中，即使它无毒，地球给含量丰富。因此，虽然我们几乎可以肯定地预计碳酸钙不会具有硫酸盐的平流层反应，但实际平流层反应是已知的，这意味着实验室和室外研究是必要的。

4、这种材料危险吗？

这项测试实验不会对人或环境造成重大危害。碳酸钙是一种在自然界中常见的无毒化学物质，例如石灰石，而亚微米级沉淀的碳酸钙颗粒，是纸张和牙膏等消费品的常见添加剂。一般来说，与飞机、火箭或常规气球飞行将物质释放到平流层的其他常规物质相比，释放的材料量（碳酸钙不到2公斤）将非常小。例如，与通常释放的用于控制平流层气球高度的铁填充镇流器相比，实验材料的释放较小。此外，如果我们在这个实验中测试硫酸盐，我们使用的数量将小于在一分钟的典型商用飞机飞行中释放的数量。由于航空燃料会残余含硫物质，飞机会飞行时释放硫酸盐。

5、其他环境科学实验在户外释放材料吗？

是的。许多环境科学实验在室外释放或释放材料，以产生受控扰动，原因与SCOPEx中的原因相同，即直接控制实验变量，这对科学理解至关重要。例如自由空气二氧化碳富集（FACE）实验，将臭氧和二氧化碳长时间释放到空气中，以了解气候和空气污染对作物和自然生态系统的影响;或空气污染的扩散及其渗透到当地环境（DAPPLE）实验中，将六氟化硫（SF6）和全氟乙烷释放到城市空气中，以研究空气污染物的运输。这些实验在不同方面有所不同，例如，它们没有向平流层（高层大气）释放物质;它们列在这里只是为了表明有环境科学实验，释放材料户外。

6、还有其他风险吗？

与任何飞机飞行一样，在气球飞行时，存在故障的可能性，需要提前终止飞行保障安全。因此，该航班将接受标准的环境健康和安全审查，例如美国联邦航空局管理的审查。气球飞行提供商也将参与这一进程。我们本打算与Raven Aerostar合作，但由于日程安排的限制，我们现在正在寻找一个新的合作伙伴。一旦我们选择新的气球飞行提供商，我们将公布出来。

7、第一次飞行的位置和时间是什么？

我们已正式要求独立的SCOPEx咨询委员会审查，我们计划于2021年6月在瑞典进行平台测试。这次气球飞行将由瑞典航天公司（SSC）管理，从瑞典基律纳的Esrange航天中心飞出。这个测试不是要进行的终极实验，而是对SCOPEx平台的测试，不释放任何粒子。具体来说，我们想确认一下吊车的水平和垂直控制，使用风车系统和螺旋桨以及电源，数据，导航和通信系统。气溶胶喷射、释放系统不会成为这次试飞的一部分，不会释放任何气溶胶。不过，需要咨询委员会向哈佛领导层提出正式申请。咨询委员会被要求在2021年2月15日之前完成审查，结果取决于实验小组能否及时获得审查所需的材料。

8、为什么在科学飞行之前需要平台测试？

科学实验前需要进行平台测试，因为SCOPEx将使用一个以前没有飞行过的新飞行平台。换言之，将它开发为服务于实际太阳地球工程实验挑战的运行工具，存在重大的技术挑战。例如，迄今为止，只有少数推进气球系统在平流层中飞行。科学气球操作员告诉我们，还有其他一些与SCOPEx类似的螺旋桨的简单装置，但我们无法询问这些系统的细节。因此，我们需要在进行科学飞行之前测试新的平台和操作装置，以便检查其新功能，例如验证其操作、控制和通信。然而，这个平台不会携带释放粒子的系统。

科学气球飞行的时间将取决于这次拟议的平台测试的结果。如果我们不能解决此次实验过程中的工程问题，我们可能需要额外的平台，如果我们有主要设备或运营故障，则会考虑换平台。当然，飞行实验的时间也将取决于咨询委员会的审查和授权以及其他有关管理机构。此外，飞行实验的位置目前尚未确定，因为它将取决于不断发展的气球发放技术、科学目标和咨询委员会和其他利益有关方的投入。

9、平流层气球多久飞行一次？

平台测试是当一个平流层气球飞行实验进行时，在其他气球上检测实验。例如，2019年，据估计表明，今年有300多个平流层气球飞行。作为工程师和科学家，这个平台测试对我们有益，因为我们希望它将提供有关我们科学飞行设备的信息， 但平流层气球是定期飞行，从谷歌的Loon计划，今年发射了至少35个气球，因为它寻求建立一个新的网络技术连接层，以扩大互联网覆盖范围，美国宇航局的科学气球，通常每年发射10个或更多气球，因此通过他们可以进行科学和技术调查，包括基本学科的发现，这有助于我们了解地球，太阳系和宇宙。例如，瑞典航天公司与美国宇航局、法国国家空间研究中心（法国航天局）和STRATOS（加拿大航天局气球项目）合作发放气球。

10、为什么瑞典被选为平台测试的地点？

我们选择与瑞典航天公司合作，在瑞典飞行，因为它们有2021年夏季的发射窗口，能够完成预定的的飞行轨迹，以及他们有发射科学气球的重要经验。我们还研究了几个美国气球运营商，但由于COVID-19和其他后勤和调度方面的挑战，没有合适的美国公司可以提供2021年夏初的发射与陆地着陆条件，并且也不能确保发射设备安全。（陆上登陆很重要，因为我们需要回收和重用我们的平台设备。）启动设备，如起重机或桶装货机和气球滑阀，是安全将有效载荷从地面。事实上，美国Ra文航空星不得不取消我们几个月前的协议，因为他们无法再获得发射服务，正如我们当时在我们的网站上指出的：我们还对 SCOPEx 气球需求的合作伙伴提出了很高的要求，因为飞行安全对我们至关重要。未来SCOPEx科学飞行的实验需要搭载高空气球，它将在20公里的高度附近飞行600公斤的有效载荷。与许多其他平流层气球任务相比，这是一个较低的高度，而发射设备这种重量级载荷和这个大小的气球是不容易获得。我们还要求发射场具有相对较低的风速、4-6小时的飞行能力以及上文所述的陆地着陆能力。瑞典航天公司根据2018年和2019年的风数据进行了轨道分析，并显示了整个夏季（4月15日至9月15日）有合适着陆的条件。例如，这些预计着陆地点在极低的人口密度区域，从飞行安全的角度来看，这一点很重要。

瑞典航天公司是全球先进的气球服务提供商，40多年来一直在发射科学气球。自1974年以来，他们一直在瑞典基律纳的Esrange航天中心发射气球，自2018年以来，他们还在Esrange以外的国家发射气球。他们将成为SCOPEx的卓越合作伙伴。我们希望，瑞典航天公司与各种美国气球业务之间的合作关系能够加强国际合作，并在未来能够在Esrange和美国境内发射。此外，也许最重要的是，在瑞典工作将使我们能够围绕SCOPEx实验加强国际科学合作，这对我们至关重要。我们已经开始与瑞典科学家接触，我们也正在与德国科学家进行讨论，他们现在表示有兴趣在这次飞行中合作。我们期待着建立新的伙伴关系，这将加强研究SCOPEx的观点的多样性，提高实验质量。

11、SCOPEx 会测试地球工程学科本身吗？

这是一个实验，而不是一个测试。当设计和开发已经进行得足够深入，以测试系统某些部分是否按设计工作时，测试在工程系统开发后期可能更有意义。这不是我们的目标这是一项科学实验，将（我们希望）提高对平流层气溶胶物理和化学与太阳地球工程相关的某些方面的认识。这些认识将大规模改进模型（最终都取决于物理观测），从而改进对太阳能地球工程总体有效性和风险的估计。这似乎只会带来一点点的进展，但它很重要。例如，我们并没有测试是否可能将阳光散射回太空，因为这个问题的科学不确定性没有意义。

12、SCOPEx 是否会开发用于地球工程部署的硬件？

我们不会利用 SCOPEx 开发可用于部署的硬件。事实上，这也是为什么我们选择使用气球而不是飞机放飞粒子的原因之一（因为飞机更有可能用于部署）。总而言之，SCOPEx 的目的不是要增进我们对飞机或其他部署太阳能地球工程平台的理解。它旨在通过对估计大型大气模型中太阳地球工程的风险和益处所需的一些气溶胶微物理和大气化学进行定量测量，减少特定科学问题的不确定性。

13、谁为我们提供资金？

我们认为，SCOPEx 必须透明地了解所有资金来源和融资原则。实验硬件和运营资金来自哈佛内部研究基金资助大卫·基思教授和弗兰克·库施教授。哈佛的太阳能地球工程研究计划（SGRP）提供额外的研究经费。所有对SGRP的捐赠都是慈善的。此外，除了哈佛的标准资助政策外，SGRP 还遵循另外两项政策：

1） 我们不接受匿名捐赠。

2） 我们不接受公司、基金会或个人的捐款，如果他们目前的大部分利润或财富来自化石燃料行业，除非他们能够清楚地证明他们没有利益冲突，并且有证据表明他们支持应对气候变化在努力。咨询委员会一直在对这项试验进行财务审查。

14、如何管理知识产权？

SGRP 的核心原则之一是对外实行开源。当我们在网站上公开列出时 ，我们的目标是提供“开放访问出版物和自由数据共享的完全透明”，我们不需要“专利和任何形式的知识产权保护”。如果可能，SGRP实际上将拒绝为它支持的任何太阳能地球工程相关技术申请专利，但是没有合法的方式这样做。根据哈佛的知识产权政策以及教职员工和研究人员签署的个人参与协议，哈佛拥有利用大学资源进行的研究所产生的知识产权。但作为一个实际问题，哈佛不会提出保护或强制执行知识产权违背教职员工的意愿。因此，SCOPEx 的关键人员亲自承诺不申请与 SCOPEx 相关的专利，包括弗兰克.基思、诺顿.艾伦、马丁.布雷特纳、约翰.戴克马、迈克.格林伯格、迈克尔.利奇菲尔德、特里.马丁、马可.里韦罗和约迈.舒尔。此外，SGRP及其捐赠者都不得就与实验或其他研究工作有关的知识产权提出任何要求。

由于这项实验与哈佛以外的机构有关，我们不能阻止第三方承包商申请专利，因为他们拥有他们创造的技术的所有权。然而，重要的是，我们没有也不希望与第三方供应商签订合同，从事可能有关太阳能地球工程技术核心专利的工作。例如，在SCOPEx 中，气球供应商开发的任何硬件都不是太阳能地球工程的核心。例如，它可能对一系列平流层气球飞行有用，包括那些与太阳地球工程实验无关的气球飞行，但它不会是太阳地球工程实验的具体或核心。这主要是因为平流层太阳能地球工程很可能部署飞机，而不是气球，如果部署的话。咨询委员会在对试验的财务审查中列入了一系列关于知识产权的问题。

15、SCOPEx 是否违反了《生物多样性公约》？

SCOPEx 没有违反《生物多样性公约》。

《生物多样性公约》缔约方大会通过了一些决定，其中一些关于与气候有关的地球工程。它指出，“没有可能影响生物多样性的与气候有关的地球工程活动，除非有适当的科学依据来证明这些活动的合理性，并适当考虑与环境和生物多样性有关的风险以及相关的社会、经济和文化影响，但根据《公约》第3条在受控环境中进行小规模科学研究除外，而且只有在它们有理由收集具体科学数据并须事先彻底评估对环境的影响时。”如上文所述，SCOPEx不会影响生物多样性，因为它不会对人或环境造成重大危害。

16、我们如何管理实验？

SCOPEx 团队寻求良好管理的方式进行实验，例如制定和实施规范、机制，这些规范、机制可作为未来的太阳能地球工程现场实验的有用模板。哈佛大学和瑞典航天公司负责的实体单位正在对环境、健康和安全问题进行监督。同行审查和更广泛的研究治理事项正由一个独立的咨询委员会监督。咨询委员会的目的是就独立于研究团队的SCOPEx的研究和治理提供建议。

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