地球工程也称为气候工程学，指主动、大规模地改造或操纵地球环境，以应对或者抵消大气化学成分变化所带来的影响。简言之，人类利用科学技术来改变气候，扭转全球变暖的趋势。

气候变化是指气候的平均状态随时间变化情况，一般是指长时期内气候状态的变化，通常以不同时期的温度、降水等气候要素的统计量来反映。在《联合国气候变化框架公约》中，气候变化是指经过相当长一段时间的观察，在自然气候变化之外由人类活动直接或间接地改变地球大气组成所导致的气候改变”。

气候变化主要表现为三方面:全球气候变暖、酸雨、臭氧层破坏。其中全球气候变暖是人类目前最需要解决的问题，关系到人类的未来。如果全球平均气温上升超过2摄氏度，可能会导致灾难性的后果。2摄氏度是一个关键数字，限制升温幅度在摄氏2度以内，是防止气候变化带来严重灾难的唯一方法。

全球气候变暖原因。自然界因素；人为持续对大气成分和土地利用的改变。在人为因素中，主要是由于工业革命以来人类活动特别是发达国家工业化过程对大气成分的改变。燃烧化石燃料、毁林、土地利用变化等人类活动导致大气中温室气体浓度大幅增加。过去一百多年间，人类依赖石油、煤炭等化石燃料来提供生产生活所需的能源，燃烧这些化石能源排放的二氧化碳等温室气体引发全球气候变暖。其中发达国家排放约占80%，约1/5的温室气体是由于破坏森林减少了二氧化碳吸收能力造成的。另外，一些农业、畜牧业也有少许温室气体排放。目前，大气中二氧化碳浓度已达到65万年来的最高水平。90年代是历史上最热的十年，1998年是其中最炎热的一年。

温室气体为什么会引起温室效应呢？地面辐射和大气辐射为长波辐射。大气对长波辐射的吸收力较强，对短波辐射的吸收力比较弱。白天，太阳光照射到地球时，部分能量被大气吸收，部分被反射回宇宙，大约47%左右的能量被地球表面吸收。夜晚，地球表面以红外线（长波）的方式向宇宙散发白天吸收的能量，大部分被大气吸收，大气层如同覆盖玻璃的温室一样，保存了一定的热量。

合适的温室效应对地球生物很重要。据估计，如果没有大气层，地球表面温度会是零下18摄氏度。正是有了温室效应，才使地球温度维持在15摄氏度（平均温度）。我们所熟知的月球，由于没有大气层，白天在阳光垂直照射的地方温度可达127摄氏度，而夜晚温度下降到零下183摄氏度。没有温室效应，地球会冷得不适合人类居住。

气候变化会带来哪些影响呢? 气候变化会导致灾害性气候事件频发，冰川和积雪融化加速，水资源分布失衡，生物多样性受到威胁，气候变化对农、林、牧、渔等经济社会活动都会产生不利影响。

喜马拉雅山冰川正在因全球变暖而急剧消瘦。冰川是地球上最大的淡水水库。冰川融化和退缩意味着人类将面临着洪水、干旱以及饮用水减少的威胁。

气候变化导致极端气候。暴雪、暴雨、洪水、干旱、冰雹、雷电、台风异常频繁地光顾地球。据统计，“自20世纪70年代以来，干旱的发生范围更广、持续时间更长、程度更严重，特别是热带、亚热带地区。”“过去50年里，极端高温、低温发生了大范围的变化。昼夜低温、霜冻变得不如以前频繁，而昼夜高温、热浪则愈加常见”给人类生命和财产安全带来极大的危害。

全球气候变暖造成粮食减产。据国际稻米研究所的研究显示，若夜间最低气温每上升摄示1摄氏度，稻米收成便会减少10%。气温升高还导致农业病、虫、草害的发生区域扩大，危害时间延长，增加了农药和除草剂的用量。

海平面上升。全球有超过70%的人口生活于沿海岸平原。全球前15大城市中，有11个是沿海城市。据统计，从1990年到21世纪80年代，全球海平面平均上升22到34厘米。近30年来，中国沿海海平面总体上升了90毫米，比全球平均速度要快。

物种灭绝。《联合国气候变化框架公约》说：地球上大部分的濒临绝种生物--大约25%的哺乳类动物以及12%的雀鸟--有可能于几十年内绝种。这是由于气候变化，影响到它们所栖息的树林、湿地及牧场，而人类发展亦阻碍了它们移居到其它地方”。

面对日益严重的全球变暖问题，人类只有一个选择：须立即采取行动，且所有国家要达成共识。《联合国气候变化框架公约》确立了发达国家与发展中国家共同但有区别的责任原则，因此，气候变暖问题得到各国政府与民众的极大关注。全球气候变暖问题，不仅是科学问题、环境问题，而且是能源问题、经济问题和政治问题。

如何解决这个问题，科学家们集思广益，提出了各种解决方案。能源效益、人造火山、沙漠造林、生物炭、海藻农场、造云船、白屋顶、海洋撒铁、为地球装遮阳网、抽取空气中的二氧化碳等等都被认为是有一定作用的探索方案。这些方案称为“地球工程”。麦克拉肯说：地球工程学很大程度上就像是化学疗法，你也不想接受这种治疗，但它的疗效确实比较强。国家立法和国际合作是实施地球工程的保证。

能源效益工程。能源效益，就是消耗较少能量能够达到同样效果的一切方法。如节能汽车、节能灯、改良工业程序、使用建筑隔热设备等。以房子为例，房子的外壳适当地采用绝热材料，其需要的暖气会减少，可省三分之一的能源。根据美国能源效益经济协会的统计，由于实行能源效益工程，在2000年平均每人的能源消耗量已回到1973年水平。

能源效益工程包括使用可再生能源，如风能、太阳能、核能、地热能、潮汐能（波浪能）、氢能等。相比化石能源，有许多好处：不必担心能源枯竭，不产生温室气体，污染物较少。风能是世界发展最快的能源，也是相对简单的技术能源。中国的风电装机容量在2005年和2006年都实现了超过100%的年增长率，2007年总装机容量已达到560万kW。在一些风能资源丰富的地方，风电可以与煤电相媲美。太阳能可以转为电能，太阳能热水器把太阳能转变为内能。植物的光合作用把太阳能转化为化学能。光伏系统不需要灿烂阳光就可以发电。采用地板辐射供暖更符合节能和环境保护理念。

“人造火山”工程。即将硫微粒喷射到高层大气。硫颗粒就像一面巨大的遮阳伞，阻滞阳光和热量，将其反射回太空，如同现实中的火山灰中含有硫一样。

沙漠造林工程。科学家认为沙漠造林能够吸收大气中更多的温室气体，这一地球工程创意已经扎根于非洲。非洲的13个国家正在建立绿色长城，希望让树林在阻止撒哈拉沙漠扩张的同时，吸收更多的二氧化碳。这项“撒哈拉森林计划”专门为世界各地的沙漠地区所设计。

“生物炭”工程。受亚马逊流域印第安人制作生物炭的启发，科学家发明了“生物炭”技术，“生物炭”是抗击全球气候变化的好办法。据国际生物炭倡导组织介绍，生物炭数量丰富，渗透性强，可以通过加热农业废料制造，一旦重返土壤，它们可以在未来的数百甚至数千年里在土壤中吸收碳。除了吸收二氧化碳，生物炭还有改善土质的好处。

海藻农场工程。种植海藻以降低二氧化碳的排放。据韩国釜山国立大学海藻清洁发展机制项目介绍，地球上一半的光合作用发生在海洋，在海洋中，光合作用主要由浮游植物完成的。沿海地区可以轻易种植海藻，增强海洋吸碳能力。

“造云船”工程。据科学家介绍，“造云船”由风能驱动，漂浮在海面上，向天空喷射雾状海盐，从而形成海洋云。这种云比正常的云密度更高、更白，可以将更多的太阳能量反射回太空。美国企业研究所的瑟斯特罗姆表示，造云船的造价相对低，只要将约1500艘船部署在海面上，能起到立竿见影的冷却效果。

白屋顶工程。如果将所有屋顶均刷成白色，它们可以反射更多的太阳光，这是解决气候变化最简单的地球工程学方案之一。美国劳伦斯-伯克利国家实验室的研究人员表示，黑屋顶的反射率约为10%至20%，白屋顶的反射率则达到70%至80%。白屋顶反射光使建筑物里面不会像普通建筑物那么热，从而会降低空调的用电量。

海洋撒铁工程。据科学家介绍，向海洋中人工撒铁可以刺激浮游植物（微小海洋植物）的生长，而这种微小海洋植物可以吸收二氧化碳。通常情况下，铁由雨水或大风带入海洋，刺激海洋生物生长。科学家们在世界各地实施了大量初步的撒铁实验，获得了不同程度地成功。

遮阳网工程。这是受到日食的启发而做出最大胆的想法。托尼•德拉多尔切说道：“为什么我们不考虑在太空设立一道遮阳网，来减少地球接收到的光线（能量）的量。经历过日全食的人都知道，太阳光暗下来后，温度也会随之降低。因此，在地球和太阳之间设立一道遮阳网也许是个好主意。”对地球进行改造并非没有风险。大多数解决方案都涉及改变地球表面或大气层，可能会带来不可预测的未知后果。但是，风险最小的可能是在远离地球的太空，设立一道遮阳网，遮挡部分太阳光。由于太阳辐射的减少，即使大气中温室气体浓度继续上升，温度也可以得到控制。根据计算，如果要抵消自工业革命以来全球变暖的影响，必须遮挡住2%的太阳光。

在太阳和地球之间，存在着一个引力稳定的点——L1拉格朗日点，距离地球约150万公里。地球围绕太阳旋转，位于L1点的物体将永远在地球和太阳之间。在这样远的距离上，即使是地球大小的物体也不会在地球上投下阴影，因为它的阴影锥在到达地球前就消失了。但是，可以阻挡足够多的光线，以减少到达地球的太阳光量，从而抵消全球变暖的效果。需要在L1拉格朗日点覆盖450万平方千米的遮阳网，相当于月球表面积的一半。可以根据需要将遮阳网分割成许多较小的部分。它不会在地球上造成阴影，但会均匀地减少照射到地球表面的太阳光，这个方案与太阳表面存在大量微型太阳黑子相似。

超大透镜工程。詹姆士•厄尔利提出，在太空中部署一个超大的透镜，将照射到地球的太阳光漫射到太空中，透镜厚度只需要数毫米即可。在L1拉格朗日点，透镜（或透镜系列）只要覆盖100万平方公里区域，就可以把到达地球的太阳能量减少约2%。

上述二个方案，看起来像是一个简单、低风险、高回报的方案。实际上存在两个问题。发射成本和轨道的稳定性。目前，人类的航天技术足以将任何物体发送到L1拉格朗日点，绝大多数太阳观察卫星都位于这一点。根据测算，要把“遮阳伞”发射到L1拉格朗日点，需要花费数千亿美元。另外，位于L1拉格朗日点的航天器也不是十分稳定，需要借助火箭发动机不断地进行维护，以维持确定的运行轨道，否则，会产生漂移而不能阻挡阳光，且漂移速度较快，需要每年花费数百亿美元进行维护。即使是这样，未来可能是愿意实施的最廉价方案。

抽取空气中二氧化碳工程。抽取空气中的碳，将它们凝结成纤维，在建筑、电子、汽车、服装等产品中使用。这种技术的发明者说，如果大规模地推行这种做法，就可以把大气中的碳含量恢复到工业化之前的水平。科学家制造一种树脂，当空气经过时，它就会抽取空气中的二氧化碳。当这种树脂处于干燥状态时，二氧化碳就会与之结合，在被浸湿之后，树脂就会释放二氧化碳。这在理论上讲是可行的，但也有二个问题：费用昂贵和抽取的二氧化难以储存。人均每年会排放15吨的二氧化碳，从空气中抽走的大量的二氧化碳把它们放在哪里？ 耶鲁大学地质学家唐纳德•彭曼说：最简单的方法就是利用海水压力把它们存储在海底。

开发空气能产品工程。我们可以把空气中内能利用起来，减少电能、化石能源、化学能的利用。例如，开发空气能热水器，空气能空调，空气能加热设备等。科学幻想。

屋顶喷雾工程。在未来建筑物的顶部全部安装喷雾设备，制造人工云或人工雾，利用水汽化吸热和水雾遮挡阳光的作用，可以有效降低空气的温度，同时，可以调节空气的湿度，增加降雨的概率，改善空气成分，降低空气的污染程度。也是科学幻想。

国家立法和国际合作工程。地球是一个整体，靠一个地区、一个国家都不可能完成缓解或解决气候变化的难题。为确保“地球工程”有法可依，每个国家都要立法，开展国际合作，植树造林，强化环境自净功能。建立全球性环境保护体系，发达国家应更多履行减排义务，积极帮助发展中国家。企业和个人应强化责任意识，法律意识，自觉履行义务。