第一部分　人类天空太空

第1章　雷神之锤

这里有着世界上最糟糕的天气：大风刮起来超过322千米/时，风力可以剥掉树皮；温度经常低于冰点；暴风雪；停电；大雾；雪崩；无处不在的冰溜子。

你或许以为这说的是远在南极的某个地方，或者是北极。但是，这些极其糟糕的天气就在离波士顿北边几小时车程的地方，或者在新罕布什尔州的华盛顿山上。

美洲原住民发现了华盛顿山上天气的变化无常，称之为Agiocochook，意思是“神灵所在的地方”。美国第一个气象站就建在这儿。最近，这里记录到了地球上有史以来最大的风速，每小时372千米/时。

这座山峰的奇特位置及其特征是一系列异常天气的原因。华盛顿山是美国东北部最高的山峰，有约1917米高。作为美国密西西比州以东最高的天然屏障，它阻挡了西来的大风。它靠近海岸，离海岸不到1600米，是低气压的汇聚之地。大风出现在这里的原因可能是：它位于大西洋气旋、墨西哥湾气旋和西北太平洋气旋三者的交汇中心。

陡峭的西侧山峰挡住了阳光，在岩石和冰层之间投下了阴影，即使在晴天午后，人在山坡上也是痛苦难耐。雪片被不断吹落，大风使得山上的雪不可能堆积很多。

当夜幕降临在崎岖不平的悬崖上，提醒着人们有什么不祥的东西潜伏着：伟大的神灵或者你所看到的恶劣天气。

然而，世界上的恶劣天气不止在山上。极端天气四处出击，冲垮了海岸，淹没了平原，摧毁了城镇，留下焦土一片。几乎每天我们都能在新闻中看到这一类悲惨事件。

在过去的十多年里，一些强烈、致命的风暴和极端天气横扫了全球。热带气旋如2017年的飓风“艾尔玛”（Irma）刷新了风速纪录，成为破坏力巨大的风暴。

同样，冬季的天气也一直很恶劣。积累的降雪、严寒和冰冻也创下了新的世界纪录。在2018年，莫斯科的降雪量超过了以往任何时候。这很说明问题。

美国东北部和大西洋中部地区已开始为其每年不断增加的暴风雪编制新名词：大雪灾、大雪暴、大雪狼……奇怪的绰号不断在清单上延长。

百年难遇的大洪水每年都在发生，热浪和寒潮以前所未有的方式影响着人们的生活。2018年7月中的一周，全球多地记录到了当地历史上的最高气温。

数十年来全球平均气温一直在上升。极冷的气温也没有因全球变暖而消失：2017—2018年冬季，巨大的冷锋冰封了美国大部分地区，北极的寒流长驱直入到了南部的乔治亚州。此前几年，迈阿密和佛罗里达州的基韦斯特曾发布过霜冻预警。

极端天气正在成为新常态。

极端天气一直在地球上不断发生着，但是目前的情况不同以往，它们大多都是由人类引发的。这是人类造成的气候变化。气候变化意指有规律的天气结果，这种极端天气原来只存在于地球的局部区域，例如在华盛顿山上，然而现在遍布世界各地的人口聚居区。

全球变暖使得地表蒸发出更多的水蒸气，然后水蒸气又随着降雨和降雪从空气中释放下来。较温暖的气团与较冷的气团发生更激烈的混合，从而产生更强烈的龙卷风、飓风和各种形式的热带气旋。毋庸置疑，现在的风暴比过去的平均强度更高。从30年前开始，平均风速和降水量增加了5%。这使得自然灾害更具破坏性，季节性变化更加明显。海洋也无法逃脱全球变暖的影响。温暖的海洋正在膨胀，上升的海平面培育着风暴潮与大风暴。

如果全球温度不受控制地继续升高，科学家们模拟出各种场景，看着非常吓人：加州会形成约1609米长的湖泊，大平原变得贫瘠，迈阿密将沉入海底，华盛顿山山顶的极端天气将更加多发。高温也将发挥威力：纽约市将成为疾病和酷暑的温床。这是一个反乌托邦的未来。

在瑞士，一个黑不溜秋的几乎隐藏在黑暗角落里的地下室，承载了一种应对环境危机的解决方法，也许是未来的希望。在这里，抵御极端天气的终极武器是一种细细的红色光线。

“这是一种大功率激光。”让·皮埃尔·沃尔夫指着光线解释道。他是一名中等身材的中年人，看起来并不像“雷神”——那种在北欧神话里可以用锤子控制闪电的神话人物；他也不像那些在法国出生，然后在瑞士成长为实验室怪才的物理学家。他的运动能力很强，所穿的靴子、灯芯绒裤子和滑雪衫使他看起来更像滑雪教练而不是理科教授，令人惊奇。他一直从事着研究工作，在欧洲最著名的科学技术机构之一洛桑联邦理工学院获得了物理学博士学位，然后先后去了耶鲁大学和法国、德国的大学任教。像多数科学家一样，他的研究跨越了不同的领域，光谱学就是其中之一。光谱学研究物质与电磁辐射之间的相互作用，被用于医学、机械、电路……甚至气象。经过多年的研究和实践，控制天气现在成了他的研究使命。如果沃尔夫的激光发明能够不负众望，那么就能够遏制住恶劣天气，为人类创造一个更加宜居的未来。

目前为止，恶名远扬的降雨化合物一直是人们控制天气的主要手段。例如，常见的是用碘化银喷洒到云层的方法来降雨。这些化合物通过飞机或火箭投放到云中。在云中化合物像细小的散弹一样散布开来，使水汽结合成冰晶，冰晶变得足够重就从天上掉下来。根据地面温度，冰晶在地表可能会变成雨、冰、雪或冰雹。

问题在于，用碘化银来做人工降雨并不总是有效，而且一旦喷洒，效果往往很难预测。20世纪50年代，英国军方一个代号为“Cumulus”的秘密降雨行动，让英国的一个乡村经受了暴雨，诱发的山洪淹死了35人。越南战争期间，美军在“胡志明小道”上用了相同的降雨技术，代号为“大力水手计划”，以期延长季风季节从而给越方造成洪水和泥石流。美军对这个任务的非正式口号是“制造泥土，而不是战争”。但是“大力水手计划”制造的降雨并不均衡，最终不得不被放弃。2008年中国举办奥运会时，曾向北京周边的空域发射了超过1000枚含有造雨化合物的火箭，使北京提前下了雨从而达到“云转晴”的效果。开幕式那天的天气条件令人愉快，但人工影响天气的技术精准性还有待提高。

沃尔夫的激光是全新的天气控制技术。实际上，这项技术在实验室测试和现实中都能系统地、出色地达到效果。

他发明了一种比地球上所有核反应堆都强大的激光。它可以在云中制造闪电，穿过空气分子并制造雨水，或者反过来它可以穿透水分子并驱散降水。

整个设备只有一个台球桌那么大，它静静地待在日内瓦大学沃尔夫平时讲授物理学的地下室中。

沃尔夫一开始并没有想着发明一种制造或控制天气的设备。他的博士论文与激光技术有关，但是激光可以应用于各种场景：例如可以更换电视频道的遥控器，医疗影像设备，识别和杀死癌细胞的放疗仪器。2000年，在日内瓦飞往罗马的航班上他有了现在这个研究方向的灵感。

当时沃尔夫乘坐的飞机冲进了雷阵雨中，飞机被闪电击中，还好有惊无险。然后他开始考虑如何使用激光技术将闪电阻挡在航线外。他知道，激光和闪电有很多相似点。它们都引导了能量释放的方向。是否可以用激光的能量将闪电引导到别的方向，又该如何实现呢？他很想知道。当然，这不是人类第一次寻求闪电的奥秘。

1752年，本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）在雷雨天放风筝到高空，以了解大自然如何利用电力。富兰克林的实验启发了更多的研究，最终催生了我们今天的电力生产和传输系统。

但是，沃尔夫并不仅仅想捕捉闪电，他想控制它。这花费了不少时间，因为沃尔夫很快意识到，要想控制闪电，必须先学会制造闪电。这并不容易。闪电的瞬时温度比太阳表面还高。大闪电向云层中释放的能量相当于一百枚原子弹的能量。为此，他需要先制造出大量的能量，且能够让能量从地面延伸到数英里（1英里=1.6千米）高的云层中。如果不是纳秒激光的突破，沃尔夫的激光很难超越大自然的限制。沃尔夫成功的秘诀是快速脉冲。

尤塞恩·博尔特（Usain Bolt）的百米速度比地球上其他任何人都快，不到10秒就完成了。当然，他不能在马拉松中也跑那么快。但是在冲刺中，他可以很快弥补距离的差距。沃尔夫将类似的原理应用到激光器上，以获得与闪电规模相当的能量或力。他的激光器以每纳秒的脉冲频率制造出超强的能量。要知道，一般相机的快门速度只有千分之一秒。沃尔夫制造这些超快脉冲的原因是，激光的能量可以抵达天空深处，间歇地释放越来越高的脉冲，直到最后一个脉冲以相同的能量到达云层。大多数激光的不足之处在于光强会随着距离的增加而减弱。

沃尔夫在实验室中演练了激光的工作原理，桌子上是眼镜片大小的小镜子组成的激光装置。由于所有电路板都裸露在外，激光器看起来像没装外壳的计算机硬盘内部。他兴奋地谈论了产生出来的光脉冲以及让激光聚焦能量的钻石。钻石是能量的超导体。

在詹姆士·邦德的电影《永远的钻石》中，反派人物布洛费尔德用钻石制造了一种天基激光武器。情节当然荒谬，但其中的技术并非如此。钻石的晶体结构能够聚光，使光强呈指数级增加。沃尔夫使用一系列复杂的放大器将太阳般的力量引入到激光束中。在桌子上，激光束穿过小镜子组成的“迷宫”，然后到达钻石。在那里，激光突然从红色变成了蓝色。沃尔夫解释说，蓝色是激光最热的状态。这时候激光就可以从“枪管”中发射了。

“枪管”对准装有液体的密闭腔室，利用里面的液体模拟大气运动。腔室看着像一个小鱼缸。当激光爆射出来并击中目标即腔室内的液体时，开始出现薄雾团，雾团膨胀后收缩。微小的水滴四处浮动，相互附着，在眼前呈现出混沌而迷人的自然之舞。这就是云的形成过程。很快地，整个腔室都充满了雾气。看起来很像棉花糖那样的蓬松物，又如长开的霉菌。

人工造云看似是一个特别令人敬畏的奇迹，但它是在受控的实验室环境中实现的。为了测试激光在现实中的效果，沃尔夫建造了一个集装箱大小的移动工作站。然后，他带着它来到了新墨西哥州的一个山顶，这是另一位美洲原住民神灵“居住”的地方，在这里他与神灵展开“战斗”（做实验）。

沃尔夫爬到该州最高的南鲍迪峰顶部，然后发射了激光。次日《每日科学》上刊登了标题为“人工闪电：激光首次触发雷雨中的电活动”的文章。文章中写道：“作为一个科学研究话题，雷击研究可以追溯到本杰明·富兰克林时代，但仍未研究清楚。1970年以来，科学家通过将小型火箭射入雷云从而在空中引发雷电，小火箭带的长导线的一端固定在地面上，但通常只有50%的概率能够产生闪电。激光技术使该过程更省时、更高效且成本更低，并且有望开启许多新的应用领域。”

可以肯定的是，沃尔夫的实验获得了可喜的成功。

“是的，但是我们的目标是墙上这张漂亮照片所示意的：当中你会看到闪电从雷云起始，一直被向下引导到地面。”沃尔夫感叹道。

变通的办法是，沃尔夫和他的团队制作了一个云内闪电。在现场他可能没有拍摄到想要的快照，但是他的预期效果达到了，并且取得了更重要的成果：人类在大气层中复制了自然界最致命武器之一——闪电。那个实验有10年了，从那以后他进一步完善了这项技术。

激光可以改变已经存在于天空中的闪电的方向，消除可能的危险，保护雷云中的飞机。它可以通过产生降水的方式使云中的空气分子重新分布。或者在另外的设置下分解水分子并使东西保持干燥。未来他计划进行大规模生产，开发出足够小的激光避雷针，以便将它们安装到飞机、火车、建筑物或几乎任何容易受到雷电袭击的物体上。另外，也可以生产一种便携式激光站，以驱散雷云或制造降水。

因此，未来看起来可能像这样：装有激光避雷针的无人机在空中漫游，并像星球大战电影中的R2-D2中队一样向目标开火。到那时候北非的沙漠农业遍地开花，而西雅图和伦敦等阴冷的城市可以一年四季都有晴天。无论地球上哪个地方，居住条件都可以变得更加宜人。这得归功于沃尔夫的科学突破。

在实验室演示之后，沃尔夫关闭了激光器。它的“超能力”消失了，现在只散发出微弱的红色光芒。他轻轻按了下电灯开关，实验室一团漆黑，唯一可见的就是红色光芒，就像电影里“终结者”的眼睛，不断眨动，随时准备行动。

沃尔夫的梦想很大，对于激光器的功能开发有着宏伟的计划。他说，如果我们可以改变天气，我们就可以改变气候。季节的含义也将与之前大不一样。那些受困于生存环境的人们，例如穷人、弱势群体、饱受气候变化影响的人，这些人历来缺乏自然资源，但环境改善会带给他们一些资源，他们有机会享受繁荣生活。降雨技术可以为全球数十亿左右的沙漠居民提供淡水。这些人现在大多数没有足量、现成的饮用水，更不用说拥有农业和食品工业用的淡水。到本世纪末，全球人口预计将增加数十亿，除非我们能够在干旱地区进行耕种，否则粮食和自然资源将进一步短缺。激光天气干预技术可以帮助实现这一点。

2017年南亚的特大洪水影响了4100万人，房屋、学校和医院被摧毁，道路、桥梁、铁路和机场遭到了严重破坏，成千上万的人逃往难民中心寻求食物、饮用水、住所和医疗救助。想象一下，如果激光可以改变夏季暴雨的季节模式，是否就可以避免这种灾难。一个很有破坏性的季风造成了这个悲剧。伴随着盛行风向的变化，季风的模式现在也变化了。夏天时，季风往往给印度及周边带来暴雨，而在冬天引发了干旱。激光技术可以打破季风带来的降雨周期。

这就是人工天气的力量。但是当我们开始“搞乱”天空时，怀疑论者只会看到麻烦而不是益处。科尔比学院的科学教授詹姆斯·弗莱明（James Fleming）写有一本关于气候控制的书《修理天空》（Fixing the Sky）。他认为，过去的天气干预技术曾引发致命的暴风雨和洪灾，这与地球工程期待的相反。他引用了被掩盖了数十年的英国“积云行动”，作为反对气候干预的人物，他并不孤单。在线团体和线下的活动家们一直在谴责这些技术。甚至联邦机构也对人工天气技术表示担忧——这项技术是否可能以意想不到的方式“惹恼自然”。

这让人想起民众对HAARP项目的偏激做法。HAARP是美国军方在阿拉斯加州一个偏远设施中开展的高频极光研究项目。HAARP项目的任务是研究电离层，这是一个无线电波能够在其中得到反射的大气层。多年以来，阴谋论者声称军方一直在用HAARP项目作为掩护以开发天气干预技术，或开发控制人们神智的武器。毋庸置疑，这两种说法都不靠谱。无论如何，HAARP项目于2014年终止，但是有关天气干预技术的争议并没有平息。一个线上组织“地球工程观察”（Geoengineering Watch），网页号称有3000多万次的访问量，它靠经常性地谴责天气和气候工程而出名，网络文章标题诸如“对全球气候变化干预的大揭秘”和“对全人类发动天气战”等。该组织的日程往往提前数月就排好了，网页上可以看到警示“生物圈大破坏”等字样。毫无疑问，荒谬的指责将会一直困扰着现在和未来的天气调控者。

日内瓦大学的实验室外面刮起了寒风，雪花飞舞。午餐时间，沃尔夫在大学附近的一家餐厅请客，在座的还有几位同事和一名访客。除了面包、葡萄酒和面食之外，桌上有一本关于天气和地球工程学的书。“操控自然是对的吗？”有人指出，自农业革命以来这种情况就一直在发生，“将激光发射到云中是否有不可预期的后果？”其他人解释说，没有任何“人工物质”被添加到大气中，激光只是将自然界已有的天气“菜谱”加以改变。大家热烈地谈论着。显而易见的是，大家认为创新者和调控者可以改变气候。背后的问题是我们对地球造成了严重的污染且攫取过多，超出了其自净能力和生产能力，大自然不能有效地工作了。这甚至也超越了造物者的逻辑，违背了人类的伟大精神。

尽管如此，改变天气可能有助于解决气候危机，但并不能解决根本问题。天气是症状，而不是气候变化的原因。塑造一个适宜的气候，意味着要打赢一系列战争：降低碳排放，利用太阳能，以及应对人类其他活动的后果。

值得庆幸的是，人类是一个具有创造力的群体，世界各地都有像沃尔夫这样的先驱，他们致力于通过各种技术改变未来，使未来的生活变得更加美好。他们正在实验室中、地下深处、沙漠、偏远丛林甚至太空中开展着地球工程项目的研究。

他们是我们的同盟，可以为我们所有人创造一个更加良性的生态环境。当前的任务是支持他们，探究如何更科学地开展地球工程。

天河工程

青藏高原因为平均海拔4000米而被称为“世界屋脊”，它可能会成为地球上最大的天气实验站。可以设想将数千个“燃烧室”布置在那里。这些燃烧室释放出的化合物能够促进云层形成而诱发降水，项目发起者称其为“天河工程”。

天河造雨技术的燃烧室释放碘化银到空气中，当风将其带到云层中时，这些微粒就会激发降雨。据报道，一个燃烧室可以形成4800米长的厚云层带，因此需要布置数万个燃烧室。

中国研发的新技术使得燃烧室在氧气稀薄的高原也能燃烧。实时数据可以通过气象卫星网络获取和传输，该网络还能够监控极端天气。

这些燃烧室只有在风势合适时才发挥作用，风吹过山坡并产生上升气流，碘化物顺着这种风高升到云层中，这是人们的预期结果。碘化银的分子结构与冰相似，使得云中已有的小冰晶能够与之结合。当足够多的冰晶形成后它们会变重，并以降水（雨或雪）的形式降落到地表。

散发出化合物的燃烧室看起来就像一个高大的壁炉——下部是大肚子的炉灶，上部是一个高大的圆柱形的烟囱，每个成本大约8000美元并且可以使用数年。即使在超过4877米的高度以及在偏远又恶劣的环境中，也可以通过一个简单的智能手机应用程序来点火。

青藏高原绵延了几千千米。这一地区每年从冰川融水中获得的淡水越来越少，降雪量也越来越少，高原已经逐步成为一个干旱地区。因为高海拔地区的冷空气比低海拔地区的温暖空气所含的水分子少得多。

淡水短缺危及数百万人的生活，该地区几个国家的人口占世界人口的一半，这里亟需人工天气技术。

2016年，天河工程的实验在清华大学启动。中国政府加大了对这一工程的扶持力度，该工程将成为世界上最大的天气干预项目。如果可行，天河工程将使中国的年降雨量增加7%。这个雨量还是非常大的，足以生成3倍于西班牙面积的年降雨量。

该项目将花费数年时间来实施，其副作用未知。批评者指出，如果在一个地区引发降水，那么它将降低另一个地区的降水量。

从目前的情况来看，这个高原对许多人来说是一个神圣的地方；未来，天气干预技术将改变它的地貌，甚至演变出新的气候。

飓风杀手

比尔·盖茨和一群科学家曾开发了阻止热带气旋进入轨道的技术。

他们对该技术申请了专利。该技术可以化解掉暴风雨的一部分能量来源：海洋中温暖的表层水。通过将温暖的表层水汇入较冷的下层海水并让海水上下层不断循环，就可以降低热带风暴的强度。

该技术所用的设备看起来非常简单：一个圆形的水槽加上两个向下伸入海中的细管。波浪使水槽灌满了海水，温暖的海水被一根管子吸入，为连着另一根管子的涡轮机提供了动力，形成了一种冷水虹吸效应。

这种虹吸系统若能够充分降低周围的海面温度，就可以减轻飓风的影响。要形成飓风，海水温度必须达到27℃或以上。通过显著地降低水温，暴风雨就缺乏了增长所需的能量。但是，水温只是造成飓风的因素之一。

“实际过程始于在整个海洋表面移动的雷暴群。雷暴是发生于热带和温带地区的局部强对流天气。当表层海水变暖时，暴风雨会从水中吸收热能，就像吸管会吸收液体一样。这会增加空气中的水汽。如果风力条件合适，风暴将增大成为飓风。热能是暴风雨的燃料；水越热空气中的水分就越多，这意味着飓风将越来越大。”史密森尼学会表示。该学会推动了面向公众和教师的海洋科学教育。

将局部温暖的海水变冷并不能保证其他地方不会形成暴风雨。热带风暴的中心直径可能会超过160千米宽。这意味着海洋冷却装置要覆盖很大的区域才会有效。尽管海洋学家承认挑战很大，但他们认为这种方法在理论上是可行的。

比尔·盖茨通过他的高智公司（Intelligent Ventures）参与了该项目。该公司的高管说，气候变化可能变得难以控制，减灾技术将作为备用技术，用以消除暴风雨和超级飓风等极端天气。

近年来飓风变得非常猛烈，并且预计越来越强，以至于一些科学家和气象员呼吁在衡量飓风的萨菲尔辛普森风级（Saffir-Simpson）中增加一个强度等级：6级。目前的定义下5级风标最大，风速达到每小时253千米或更快。若有6级，则可能定义为每小时306千米或更高的风速。

过多的碳排放加剧了海洋升温，就像空气升温一样。如果全球的碳排放消减计划持续失败并且海洋温度继续上升，比尔·盖茨的海洋冷却工程值得一试，从而将超级暴风雨阻断在袭击陆地之前。