12 月 10 日 - 11 日，由浙江省委人才辦、紹興市委市政府、《麻省理工科技評論》主辦的全球青年科技領(lǐng)袖峰會暨《麻省理工科技評論》中國 “35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 頒獎典禮在紹興上虞舉行。“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 2020 年中國榜單正式發(fā)布。

會上，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系副教授劉竹分享了關(guān)于全球碳排放實(shí)時監(jiān)測技術(shù)的主題演講。

圖 | 清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系副教授劉竹

氣候變化對于人類的挑戰(zhàn)，就好像地球生病。在過去百萬年間，大氣中二氧化碳的濃度和氣溫有著非常明顯的關(guān)系。現(xiàn)在大氣中的二氧化碳濃度已經(jīng)達(dá)到 410PPM，地球正處于發(fā)燒的狀態(tài)，病因源于大氣二氧化碳濃度非常高，應(yīng)對氣候變化需要人類社會在數(shù)十年內(nèi)停止向大氣中排放二氧化碳。

劉竹所做的工作就是分析二氧化碳排放，從而使得碳減排可以 “有的放矢”，這是一個非常交叉的方向，既涉及自然系統(tǒng)，又與人類社會活動息息相關(guān)，而且需要調(diào)查、測量、模擬、統(tǒng)計(jì)等多個方面研究手段的綜合。

例如，劉竹的一項(xiàng)正在申請中的研究，通過探測火星大氣中的碳信號來驗(yàn)證火星上是否有生命存在，這是目前可驗(yàn)證火星上有生命存在的關(guān)鍵手段之一。

此外，他提到，中國作為世界上最大的碳排放國和應(yīng)對氣候變化的主要力量，在 2020 年公開發(fā)布了在 2060 年實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)碳中和的雄偉目標(biāo)。碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，除了要削減能源消費(fèi)和工業(yè)生產(chǎn)過程的二氧化碳排放，還需要發(fā)展 “負(fù)排放” 技術(shù)，將大氣中現(xiàn)有的二氧化碳吸收回去。

劉竹與研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一些我們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｒ姴牧暇哂邪l(fā)展 “負(fù)排放” 技術(shù)的潛力，其中一直被人忽視的一種材料就是水泥。水泥由于風(fēng)化作用可緩慢吸收空氣中的二氧化碳，這個過程非常漫長。

考慮到水泥的回收利用，可以形成二氧化碳吸收作用，若能合理利用上述作用，通過建筑物回收利用，就可創(chuàng)造出二氧化碳的吸收能力。據(jù)劉竹及團(tuán)隊(duì)的研究，1930 - 2013 年間，全球水泥材料碳吸收量達(dá) 165 億噸二氧化碳，這表明在全球尺度上， 水泥材料在其生命周期的風(fēng)化過程中具有顯著的碳吸收作用。

圖 | 水泥碳匯效應(yīng)

這一研究預(yù)示著人類碳匯（即人類通過工業(yè)手段吸收二氧化碳）的革命性技術(shù)成為可能，該研究被《麻省理工科技評論》評為 2019 年十大突破性技術(shù)，并促成加州理工學(xué)院于 2020 年 9 月份獲得 7.5 億美元的探索人類碳匯潛力研究資助金。

隨著 2020 年新冠疫情的爆發(fā)，人類的活動強(qiáng)度顯著下降，衛(wèi)星影像和地面觀測都顯示了局部地區(qū)空氣污染物的下降，空氣質(zhì)量在變好，那么新冠疫情對全球的二氧化碳排放有什么影響呢？遺憾的是，當(dāng)前的研究方法尚不足以分析新冠影響下的二氧化碳的時空動態(tài)變化，因?yàn)槟壳暗亩趸寂欧诺姆治鍪侄魏蛿?shù)據(jù)都是以年為單位，且具有至少一年以上的時間滯后性。

“我們的研究總是在分析一兩年甚至數(shù)年以前的情況，這就好像一個人開車的時候并沒有看著前方而是看著后面，而現(xiàn)在的危險(xiǎn)需要我們對當(dāng)前發(fā)生的事情及時作出反應(yīng)。” 劉竹表示。

每天在變化的新冠疫情，給劉竹的研究也帶來了新契機(jī)，比如捕捉類似新冠疫情事件造成的碳排放變化，需要把研究的時間分辨率提高。為此，劉竹團(tuán)隊(duì)將人類活動產(chǎn)生二氧化碳排放的過程分解為能源生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、居民消費(fèi)等過程。

而大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)采集的多樣化，也給他的研究帶來很大幫助，以前很多很難獲得的數(shù)據(jù)，在衛(wèi)星觀測、GPS 定位數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)等的發(fā)展下也被逐漸完善。

圖 | 動態(tài)變化

在這些新興數(shù)據(jù)手段的支持下，劉竹團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)外合作者通過對全球 31 個國家的電力生產(chǎn)情況、416 個主要城市的交通擁堵指數(shù)、航班飛行數(shù)據(jù)、62 個國家的工業(yè)生產(chǎn)、206 個國家人口加權(quán)的全球地表溫度等近實(shí)時數(shù)據(jù)的分析，構(gòu)建了一套全球?qū)崟r碳排放監(jiān)測體系，該體系實(shí)現(xiàn)了全球尺度上以天為分辨率的近實(shí)時監(jiān)測，并且能使減排政策調(diào)整的響應(yīng)時間大大縮短。

劉竹研究發(fā)現(xiàn)，新冠疫情造成了 2020 年上半年全球二氧化碳排放量減少了 8.8%，這是歷史上人類二氧化碳排放的最大減排量，其短期下降幅度超過第二次世界大戰(zhàn)及 2008 年金融危機(jī)時期，據(jù)悉該研究已于 2020 年 9 月發(fā)表于《自然通訊》雜志。

目前，劉竹帶領(lǐng)的清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)正在完善這一技術(shù)體系，并且在項(xiàng)目網(wǎng)站（http://carbonmonitor.org）上實(shí)時更新全球碳排放數(shù)據(jù)，這一數(shù)據(jù)庫正在被廣泛采用，例如，全球碳計(jì)劃已將該數(shù)據(jù)庫用作估計(jì) 2020 年碳排放變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

圖 | 近實(shí)時碳排放數(shù)據(jù)庫 Carbon Monitor

未來，全球碳排放實(shí)時監(jiān)測技術(shù)也將有更廣泛的應(yīng)用，例如和衛(wèi)星觀測手段相結(jié)合實(shí)現(xiàn)更高時空分辨率的碳排放實(shí)時監(jiān)測，以及作為一種關(guān)鍵性指標(biāo)來表征人類活動的變化等等。