背景知識
氣候變化是指氣候平均狀態隨時間的變化，即氣候平均狀態和離差（距平）兩者中的一個或兩個一起出現了統計意義上的顯著變化。離差值越大，表明氣候變化的幅度越大，氣候狀態越不穩定。《聯合國氣候變化框架公約》（UNFCCC）第一款中，UNFCCC將因人類活動而改變大氣組成的“氣候變化”與歸因於自然原因的“氣候變率”區分開來。氣候變化（climate change）主要表現為三方面：全球氣候變暖（Global Warming）、酸雨（Acid Deposition）、臭氧層破壞（Ozone Depletion），其中全球氣候變暖是人類目前最迫切的問題，關乎到人類的未來！
形成機制
影響下墊面
人工影響氣候是指在相當大的範圍里改變下墊面的性質。下墊面的一個主要特徵就是它的起伏。起伏大的地形對大氣環流有顯著的影響。然而，即使小的起伏，如森林帶，對氣象過程也可施加一定的影響。例如，小的地形起伏如一小塊高地，也會造成降水不均勻。很可能，小的但是專門研製的某些裝置會對低層大氣的狀態帶來一定的人工影響的效果，例如，它們可能激發湍流運動。
平流層演變
一個可能對造成氣候的現象進行人工影響的方法是當它們還在平流層演變的時候就介入這些過程。高層大氣中物質稀少，在與太陽活動有關的諸現象的作用下，平流層像對流層輸送的能量也很少。這樣便增大了人為地從實質上改變高層大氣性質的可能性，這種改變大到能改變低層大氣活動的性質。在蘇聯科學家的著作里都再三提到這類可能改變人工影響氣候的方法。
釋入大氣的某些物質在平流層光化學過程中起了催化作用。目前已判明的“ 催化劑”是那些不固定的氮和氯的氧化物。它們的反應活性很強, 它們的反應產物吸濕性很強, 在對流層低層只有很短的壽命。地面直接排放, 如燃燒產生的一氧化氮是不必考慮的。要考慮的是那些直接釋人高層大氣的排放物(如飛機引擎廢氣中的一氧化氮) 或者釋入對流層低層的某些穩態形式的化合物, 它們一經被輸送到合適的平流層高度, 就會因化學反應而生成催化劑。已判明的地面排放物主要是一氧化氮和鹵化碳氫化物, 特別是氟利昂。一氧化碳是微生物的過程的自然產物, 但它仍可被視為一種人為排放物, 因為研究結果表明來自農業用地的產生率(尤其是大量施肥的土地) 遠遠超過了自然生態系統的產生率。人們目前對平流層無意識變性的關注集中在上述兩類地面排放物和飛機高空排放的一氧化氮( 以及火箭發動機所排放的鹽酸)方面。
生產生活排放
一般由於工業經營和人類活動造成的進入低層大氣的熱能迅速增加，一些新的化合物燃燒生成物和工業污染物的進入大氣，地表面性質（粗糙度、反射率及其它）的改變以及開墾造成的水循環的變化等，所有這樣都無可避免的以各種方式在支配氣候的整個水文氣象過程中反映出來。
研究者提出的一些關於氣候年化的假說，關係到主要洋流的改變和新洋流的產生，例如，可能由於白令海峽水壩和抽水站的建設造成氣候變化。
模式
由國際知名專家組在麻省理工學院主持下撰寫的《人類影響氣候的研究（SMIC）》的報告，提出了一個研究氣候變化的相互作用模式。其數學通則已由塞莎吉里擬定。由於人類影響氣候研究的基本模式已經通過了細緻的構思，可以以此作為人工影響天氣和氣候模式的基礎。模式如下：
（1）海洋-大氣耦合：海洋輸送和儲存大量熱量，從而使大氣中溫度的南北向差異變小。同時，海洋還供給大氣以水汽，調節水的循環。因為海洋和大氣聯繫如此密切，通常氣候的變化伴隨著海面溫度的變化，反之亦然。
（2）水汽-溫室耦合：大氣的溫度發生改變時，相對濕度就會出現一個重新分布，並且只要有足夠的時間，新的分布形式就要穩定下來。這就叫“水汽-溫室耦合”，其順序是：較高的溫度-大氣中的水汽更多-“溫室效應”更為明顯-較高的溫度。
（3）積雪-反射率-溫度耦合：因為積雪和積凍的反射率比光禿土壤或海洋的反射率大得多，高緯度地區的溫度在很大程度上受積雪和積冰分布狀況的控制。連鎖反應的過程：較大範圍的積雪-日射的反射增多-地面溫度較低-較大範圍的積雪。這一機制對氣候的敏感程度，特別是高緯度地區氣候的敏感程度有著極為深刻的影響。
（4）日射和積雪的季節性變異：因為冬天積雪厚度增加，夏天積雪厚度減小，太陽輻射的季節性變異對積雪厚度的變化有很大的控制作用。這對氣候有顯著影響。
（5）雲量-輻射平衡耦合：要對這一耦合性質的了解，求出雲的分別、相對濕度、溫度和垂直速度等大尺度分布之間的函式關係十分重要。
影響
氣象學家認為人類活動會無意識地影響天氣和氣候，即二氧化碳、粒子、雲量、臭氧、反射率和直接像大氣排放的熱量。
（1）大氣里二氧化碳增長率約為0.7ppm/年，這個在1958-1970年期間確定的。這個增長歸因於燃燒化石燃料，其中50%滯留在空氣中，其餘的可能性進入生物圈和海洋。把未來二氧化碳消耗的估計量引入空氣、水和生物圈之間交換CO的模式中去，就得出2000年CO濃度的預報值為385ppm。這些增長影響的極粗糙計算表明，全球地面層溫度約升高0.5℃。
（2）利用太陽輻射的衰減作為大氣渾濁度的一個度量，在北緯30°以北幾乎所有的觀測資料都反映了約自1945年以來塵埃含量增大。北緯30°以南，只在主要城市附近台站變現出類似的趨勢；粒子含量增大可以導致幾種影響氣候的作用，低層大氣的增暖或降溫，取決於粒子特性。
（3）在控制氣候方面，雲量具有重要作用。飛機的凝結尾跡能使高雲量增加對氣象站的常規雲觀測表明，自從噴氣式飛機出現以來，高雲量有所增加。
（4）改變土地的用法也會對氣候變化有影響，但淨效應還不清楚。
研究歷史
公元前480 年, 波斯國王薛西斯下令在當今達達尼爾海峽架橋攻打希臘。突然狂風大作把橋颳得四分五裂, 薛西斯這位王中之王讓人抽了大海300 鞭並將建橋工匠全部處死。
100 年之後, 亞里士多德在《氣象學》里寫道:大氣現象遵從自然規律而非某些非理性的力量。然而, 教會扼殺天象觀察, 誣之為迷信, 有時甚至斥之為巫術。只是由於流體力學的發展, 以及依仗模糊理論和分割理論, 氣象學才贏得某種相對的尊重。人們藉助上述兩種理論, 建立了氣旋生長和發育的模型。氣象預報取得長足進步, 但是人工影響天氣的古老夢想始終等待實現。
從19 世紀起, 人們炮擊雲層。稍晚, 人們發明了防霧炮, 隨後又是爆炸火箭, 用來形成熱空氣洞以消弭雹子云。然而, 其結果卻並不令人信服。以後, 產生了撒播吸水鹽類或碘化銀驅雲的念頭,因為吸水鹽類能加速水滴形成, 而碘化銀能夠加速雪花形成。在50 —60 年代進行的首批試驗令人失望。如今, 一些試驗者宣布,在通過蒸發法撒播碘化銀的雷雨雲中, 大顆雹粒的含量減少了40 %。而在進行首批試驗的同時, 美國人于越南戰爭期間進行了使颶風改道的嘗試。嘗試的結果被列為“國防機密” :“改道”的颶風橫掃了一個全然沒有預料到會發生颶風的富庶地區。
人們不能中止降雨, 但人們也許能夠在需要時引發降雨? 法國氣象局、比利時全國冶金研究中心和法國全國研究中心聯合開發了數字模型, 有助於更好了解強降雨雲的表現, 從而更準確地按時催雨。也就是說, 還是使用撒播法, 但選擇在雲不穩定的階段、在更合適的位置撒播。最近在南非、泰國、墨西哥和以色列進行了試驗, 試驗結果第一次表明地面雷達的反射增加了12 —15 %(尤以以色列的結果為佳)。這些雷達對小水滴看得更清楚:水滴越多, 雨就越少;水滴越大, 雨就越多。竅門何在? 這是因為撒播的顆粒大小不一。
某些科學家認為這個嘗試應在大範圍內進行, 所以正在孕育最為大膽的計畫。20 年前, 他們甚至構想用某種黑色物質覆蓋南北兩級, 以降低冰雪反射率(反射梯度), 這樣可以加速冰蓋消融,最終改變溫室效應的參數。不過是朝哪個方向改變呢? 誰也不知道。似乎在有限範圍改變氣候參數比較合理。在巴拿馬, 由於在運河周圍營造了茂密的森林, 提高水閘水位所必不可少的降水已經增加。在利比亞和其他一些中東國家, 由於在沙漠深處栽種了直徑100 公里的環形灌溉作物帶, 一點一點地提高了地下水位。這樣的經驗只待推廣。比如, 可以在半乾旱地區採用適合當地氣流特點的形狀、栽種寬50 公里的植物帶。為何不能利用河水將利比利亞半島南部變成繁茂的半亞熱帶森林呢? 這樣用不了10 年,這項領土整治工程就會影響北非, 把它恢復為非洲大陸的糧倉, 就象羅馬時代一樣。
人工改造氣候
許多科學家認為，在溫室氣體減排努力不奏效的情況下，為了防止人類坐以待斃，可以考慮主動出擊，啟動緊急氣候計畫——“地球工程”，採取人工反射陽光或者人工捕捉和存儲溫室氣體的方式令地球“降溫”。
前不久，歐巴馬的科學顧問、哈佛大學教授約翰·霍爾德倫在接受上任後首次採訪時也透露，白宮正在討論將地球工程納入解決氣候問題的緊急方案。許多科學家指出，人工改造氣候看起來似乎是個激進的方案，但或許是人類難以避免的方案。
1991年6月15日，位於菲律賓呂宋島的皮納圖博火山突然噴發，大量火山灰噴發到空中，遮蔽了太陽。這是20世紀世界上最大的火山噴發之一，300多人因此喪生，但是這次火山噴發也給科學家提供了將人類從氣候災難拯救出來的巨大啟示。
當時，有2000萬噸二氧化硫逸出，進入大氣層的最上層，像灰霾般遮蓋了地球，將太陽光折射回太空。此後幾年，氣象學家驚訝地發現，這次火山噴發導致地球的溫度降低了0.5攝氏度，大大遏制了全球變暖的腳步。在皮納圖博火山噴發前的一個世紀中，人類工業生產所導致的溫室氣體排放已經令地球的溫度上升了1攝氏度。
儘管這一作用是暫時的——一兩年後地球的氣溫又開始上升了，但是科學家們開始思考，這次火山爆發是否給人類提供了一個對抗氣候變化的強力武器。如果通過火箭將二氧化硫推至大氣層上層，是否也會馬上產生降溫效應呢？而且，這樣做跟即便最樂觀的減排方案相比都可以省上千倍的成本。一些科學家由此開始探究如何令這一地球工程更加有效，並將副作用減少到最低。
還有一種廣為接受的地球工程是將二氧化碳從大氣中移除，然後儲存在地下。這一方式目前已經開始在煤電廠進行試驗。但是，它只能降低未來溫室氣體的排放量，無法從根本上解決問題。科學家擔心，這個問題始終存在：無論如何減少排放量，二氧化碳將會繼續在空氣中存在1000年，繼續令地球變暖。
所以，越來越多的科學家開始感受到遏制全球變暖的緊迫性，並開始嚴肅對待地球工程。他們主張必須用人工方式改造氣候，採取將現有二氧化碳吸出大氣或者使用反射太陽光的方法令大氣迅速降溫。
2006年，英國出台的一份權威報告顯示，使用減排方式來穩定地球氣溫，花費只占全球年度總GDP的1%~4%。而使用反射太陽光的方式給地球降溫更加便宜，只需要全球GDP的1%的千分之一。
地球工程
地球工程是指為穩定地球氣候而實施的人工氣候改造計畫。
過去20年間，科學界湧現出多種地球工程計畫。除了在大氣層釋放二氧化硫或其他化學物質將太陽光反射至外太空之外，還有科學家提議將鏡子送入地球軌道，為地球擋住太陽光。上世紀90年代，氫彈的發明者愛德華茲·泰勒還提議將反射性金屬微粒推入大氣層。
諾貝爾化學獎得主保羅·克魯岑和諾貝爾經濟學獎得主托馬斯·謝林是人工改造氣候計畫的主要推動者。
而歐巴馬的科學顧問、哈佛大學教授約翰·霍爾德倫近日在接受採訪時也表示，白宮已經開始對地球工程進行論證。此外，美國國家科學院最近將地球工程列入其對付氣候挑戰項目的首個工作坊內容，並定於今年6月份敲定細則。
英國議會也在討論這一觀念。而英國皇家協會已經先行一步，開始著手研究選擇哪種地球工程最為有效。3月份在哥本哈根舉行的國際氣候科學家會議上，有15個演講是跟地球工程有關的。
支持地球工程的最響亮的論據就是溫室氣體減排的方案失敗了。
目前，《京都議定書》是各國政府用來應對氣候變化的最重要工具，同時也是唯一受國際社會認可、有約束力的條約。《京都議定書》呼籲到2012年前，將全球溫室氣體排放降5.2%，降到低於上世紀90年代的水平。然而，在2001年簽署《京都議定書》的40個國家中，有21個不但沒有達到減排目標，而且排放量增加了，其中包括《京都議定書》簽訂時的東道國。儘管英國、德國、法國都有所減排，但是沒有一個能夠達到《京都議定書》的目標。而像中國和美國這兩個溫室氣體排放大國都還沒有加入《京都議定書》。
同時，續簽《京都議定書》並制定更嚴格標準的努力很有可能落空。《京都議定書》的減排協定將於2012年屆滿。今年12月，《聯合國氣候變化框架公約》的締約方將於哥本哈根舉行會議，討論延續《京都議定書》並擴大其簽約國的問題。有專家指出，這一會議的內容將決定地球將來的生態、經濟及社會發展。
有專家將地球工程視為瘋狂的科學，避之唯恐不及。他們擔心，鼓吹地球工程會損害多年來在減排方面的努力。人們一旦知道還存在其他抑制氣候變化的捷徑，那么就不會為抗擊全球變暖作出真正的犧牲。而且，人工改造氣候這一觀念本身就驚世駭俗：如果科學家連天氣預報都無法準確預測，又如何改造全球的氣候呢？
有科學家批評，採用反射太陽光的地球工程會帶來許多副作用。其一就是二氧化硫會破壞大氣中的臭氧層，令生活在南半球的人們暴露在紫外線的照射之下。
一些科學家擔憂的最大的破壞性副作用是政治上的。如果各國發現能夠通過其他途徑為地球降溫，努力減排的政治動力就會變弱。如果利用地球工程使地球降溫，但是人類活動繼續毫無節制地排放二氧化碳，那么降溫的效果也不會明顯。而且一旦這一降溫工程出於各種原因突然被人為中止，那么全球變暖的問題不但不能解決反倒會加劇。
同時，也有科學家擔心，由於人工降溫的地球工程的成本較低，一些國家在不仔細考慮其副作用等後果的情況下會像軍備競賽般貿然使用，從而造成更多的國際緊張局勢以及帶來其他不能預見的問題。
此外，目前最受推重的地球工程——捕捉和存儲二氧化碳也是迄今為止最為昂貴的工程。
通過人工改造氣候並不是一個新概念。早在1965年，美國總統林登·詹森的辦公桌上就放著一個研究操縱氣候防止地球變暖的報告。這一概念在未來幾十年內一直存在於科學圈中，但是到了上世紀90年代，忽然從討論領域消失，這主要是因為全球政策制訂者正在竭力達成有關溫室氣體減排的共識。
2006年，諾貝爾化學獎獲得者保羅·克魯岑打破了這一僵局。他在論文中提出，可以模擬皮納圖博火山的噴發效應，用氣象氣球將二氧化硫噴射到大氣中，從而達到反射太陽熱量、對地球降溫的目的。
