誰發(fā)現(xiàn)了全球變暖這件事

王雨春

Svante August Arrhenius(1859.2.19～1927.10.2)

1896年，瑞典科學(xué)家Svante Arrhenius做了開創(chuàng)性工作，他建立模型計算了二氧化碳濃度與地球熱量平衡的關(guān)系，他提出如果大氣二氧化碳濃度翻倍，地球平均氣溫將增加5—6度。Svante Arrhenius100年前的工作，與我們現(xiàn)在的認識基本一致，他也被視為氣候變暖理論的最重要的奠基者之一。

全球變暖與氣候變化

全球變暖（Global Warming）已成為受到各界廣泛關(guān)注的話題，成為關(guān)系到人類命運的重大問題。厄爾尼偌（El Niňo）現(xiàn)象、全球性的極端干旱或洪水等天氣事件，使人們不得不關(guān)注“全球變暖”是否是一個真實命題？全球變暖的科學(xué)基礎(chǔ)是否可靠？如果全球氣候真的存在變暖的趨勢，人類活動到底對此有多大貢獻？我們需要花費多少代價才能應(yīng)對或適應(yīng)上述變化？……同時，也有不同的聲音認為“全球變暖”是個自然的氣候波動過程，其影響被部分科學(xué)家過分夸大，我們完全沒有必要“杞人憂天”。在2009年哥本哈根會議期間爆出的“氣候門事件”，使得上述疑問變得格外突出。

從目前國際主流觀點看，國際社會普遍認為：近期全球氣候的確存在變暖的趨勢，而工業(yè)革命以來人類排放的二氧化碳等溫室氣體是加速變暖過程的重要因素。這一觀點在由各國科學(xué)家和氣候官員組成的IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）的四次科學(xué)評價報告中得到充分體現(xiàn)。

關(guān)于全球變暖的科學(xué)基礎(chǔ)，還必須要追溯到200年以前。1827年，法國科學(xué)家Jean-Baptiste Fourier就指出地球大氣層存在與溫室相似的熱量保存機制，即所謂的“溫室效應(yīng)”（Greenhouse effects）。1860年，英國科學(xué)家通過測量二氧化碳和水蒸氣對紅外輻射的吸收，認為地球出現(xiàn)冰期的一個原因是由于大氣二氧化碳濃度降低導(dǎo)致的熱輻射減少。1896年，瑞典科學(xué)家Svante Arrhenius做了開創(chuàng)性工作，他建立模型計算了二氧化碳濃度與地球熱量平衡的關(guān)系，他提出如果大氣二氧化碳濃度翻倍，地球平均氣溫將增加5—6度。Svante Arrhenius100年前的工作，與我們現(xiàn)在的認識基本一致，他也被視為氣候變暖理論的最重要的奠基者之一。到1940年前后，英國科學(xué)家G. S.Callendar首次計算了氣候變暖與大氣化石燃料排放二氧化碳量的關(guān)系。1957年，美國加利福利亞Scripps海洋研究所的Roger Revelle和Hans Suess發(fā)表論文指出人類獲得正在“重建”大氣二氧化碳平衡關(guān)系，該文章促進了同年在夏威夷Mauna Kea開展大氣二氧化碳濃度監(jiān)測，這項工作一直延續(xù)至今，成為日后大氣二氧化碳濃度與氣候變化研究的重要基礎(chǔ)。

左：夏威夷Mauna Kea觀察塔。

右：大氣二氧化碳濃度觀察結(jié)果。

溫室效應(yīng)與地球表面氣溫變化

科學(xué)研究數(shù)據(jù)表明，地球氣候的長期變化與大氣中的溫室氣體濃度波動有顯著關(guān)系。如圖1所示從對南極Vostok冰芯中40萬年來氣溫記錄的研究結(jié)果可以看出，地表溫度的變化與大氣中二氧化碳濃度、甲烷濃度的變化呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。

大氣中二氧化碳等溫室氣體調(diào)節(jié)著地表系統(tǒng)的熱量平衡。太陽輻射為地球提供了巨大的輻射能。根據(jù)太陽能與地表和大氣的熱紅外輻射的熱平衡計算，地球表面和大氣的平均溫度大致為-19℃，但是地表附近的實際溫度大致為15℃。這是因為，太陽的短波輻射可以穿過大氣層抵達地表，地表被加熱后放出的短波熱輻射被大氣中的水蒸氣（H2O）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）和臭氧（O3）等吸收，因此阻擋了地表輻射熱量向外空間的耗散，而使地球表面大氣溫度上升，該過程被稱為溫室氣體效應(yīng)，而具有吸收熱量長波輻射能力的氣體被稱為溫室氣體，主要的溫室氣體有水蒸氣（H2O）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）以及氟氯烴類（CFCs）等。

在地球近代演化過程，自然界的溫室氣體的匯、源轉(zhuǎn)化，使大氣中溫室氣體濃度維持在一個相對穩(wěn)定的波動范圍，大氣二氧化碳氣體溫室效應(yīng)使地表溫度保持在相對適宜的水平，有利于地球生物及人類的繁衍生息。工業(yè)化以來，特別是上世紀(jì)中葉大規(guī)模工業(yè)化推動全球經(jīng)濟快速發(fā)展，人類活動（主要是化石燃料使用）使大氣中二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等溫室氣體濃度迅速增加，氟氯烴類（CFCs）等新的人工合成溫室氣體也被排入大氣，由此使大氣溫室效應(yīng)極大地增強，導(dǎo)致近幾十年來氣溫增加遠遠超過歷史氣溫的平均變化范圍。

（1）二氧化碳（CO2） 二氧化碳是主要的溫室氣體。在近期的地質(zhì)演化年代中，大氣二氧化碳濃度在相對穩(wěn)定的水平波動，上世紀(jì)中葉工業(yè)革命以前的400,000年間大氣CO2濃度大致在180～280ppm（1ppm為百萬分之一）之間波動（見圖1）。十九世紀(jì)工業(yè)革命以后的150年間，大氣二氧化碳濃度開始呈指數(shù)上升，增加了28%，從1850年前后的285ppm增加到199年的367ppm(Watson和Verardo，2000)。2005年地球大氣中的二氧化碳的含量創(chuàng)下新高，達到379ppm，比2004年的377ppm增加了0.53%。根據(jù)模型預(yù)測，2030年大氣二氧化碳將會達到600ppm（Prentice等，2001）。

（2）甲烷（CH4） 甲烷是另一種重要的溫室氣體，主要是由沼澤濕地、水田和土壤中草木腐爛、食草動物腸胃微生物活動產(chǎn)生。大氣中的甲烷一直很低，200多年前大氣中甲烷濃度大約700ppb(千分之一ppm)，明顯的增長主要發(fā)生在最近二三十年間。如圖2所示，工業(yè)革命以來，人類活動對全球環(huán)境變化的影響越來越明顯，近期大氣甲烷濃度的增長趨勢與氣溫升高基本是一致的。1998年的觀測數(shù)據(jù)表明，大氣中的甲烷濃度已達到1730ppm（Dlugkencky 等，1998）。

（3）氧化亞氮（N2O） 氧化亞氮作為溫室效應(yīng)強烈的溫室氣體，在大氣中非常穩(wěn)定，在大氣中的寄宿時間可達130～150年。農(nóng)業(yè)化學(xué)肥料和人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生的含氮化合物的轉(zhuǎn)化是大氣氧化亞氮的主要來源。工業(yè)革命以前，大氣中氧化亞氮的濃度估計在260～285ppm（Fluckiger等，1999），最近200年中，大氣中的N2O濃度增加了大約15%，濃度上升到275ppb，目前以0.25%的速率增加（IPCC，1996）。氧化亞氮除本身為重要的溫室氣體外，還會引起平流層中O3減少，因此，具有雙重溫室效應(yīng)作用。

科學(xué)家已建立了多種全球氣候變化的預(yù)測模型，假定在2030年二氧化碳濃度加倍的情況下進行氣候變化的預(yù)測分析。研究結(jié)果顯示，隨著大氣中二氧化碳濃度加倍，全球氣溫將增高1.5～4.5攝氏度。不同的溫室氣體具有的各自的全球變暖增溫潛力（GWP）。所謂全球變暖增溫潛力，是指不同溫室氣體相對于二氧化碳溫室效應(yīng)的貢獻率。根據(jù)IPCC的評估報告（1996），二氧化碳（CO2）對全球變暖的貢獻率為63.7%，甲烷（CH4）為19.2%，CFCs為10.2%，氧化亞氮（N2O）為5.7%，其他因素為1.2%。

圖1 南極Vostok冰芯記錄過去400000年來全球大氣中二氧化碳平均濃度與氣溫（上左圖）、甲烷平均濃度（上右圖）與氣溫的變化情況（資料來源: IPCC, http://www.ipcc.ch/）

圖2 夏威夷Mauna Loa觀測站1958年—2001年記錄的大氣CO2濃度變化（Kelling和Whorf，2002）

圖3 青藏高原達索普冰芯、南極冰芯和格林蘭冰芯記錄2000年來大氣CH4濃度變化（許柏青 等，2002）

人為活動對全球變暖的影響

大氣中二氧化碳等溫室氣體的濃度水平依賴于地球系統(tǒng)中碳循環(huán)的生物地球化學(xué)過程。通過生物代謝、火山噴發(fā)等過程，海洋、陸地生態(tài)系統(tǒng)、巖石圈中二氧化碳、甲烷進入大氣圈。而另一些相反的過程，如植物吸收同化、地球化學(xué)沉積，又使大氣中的溫室氣體回到海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)。在自然條件下，地球系統(tǒng)的不同環(huán)境蓄體（大氣、海洋、陸地生態(tài)系統(tǒng)）中二氧化碳、甲烷處于相對平衡的動態(tài)物質(zhì)交換狀態(tài)，因此，至少在近百萬年的地質(zhì)尺度上大氣中二氧化碳、甲烷等的濃度水平在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)變動。地球環(huán)境中碳的自然循環(huán)過程中，大氣、海洋和陸地等主要“碳庫”的大小及其相互之間的碳交換通量關(guān)系（見圖4）。

工業(yè)革命以來的人類活動，如化石燃料使用、水泥工業(yè)、土壤利用類型改變等，極大地干擾了碳循環(huán)的自然平衡。人類活動成為導(dǎo)致大氣中二氧化碳增加的一個重要的源，初步估算工業(yè)革命以來人類活動排放的二氧化碳在大氣的凈增量為405+30（×109gC），大氣二氧化碳濃度呈顯著增加趨勢。

根據(jù)IPCC出版的全球變化評估報告，人類工業(yè)活動向大氣排放的二氧化碳氣體的主要貢獻者是煤炭、石油、天然氣等化石燃料的使用（見圖5）。IPCC評估報告中列出的人為溫室氣體排放源還包括土地利用改變、森林破壞、大量化肥施用等貢獻，不同溫室氣體排放源對大氣溫室效應(yīng)貢獻比例(見圖6)。如圖所示，工業(yè)和能源生產(chǎn)貢獻了一半以上的大氣認為排放溫室氣體（溫室效應(yīng)貢獻率55%），其次是土地利用類型和森林破壞增加的溫室氣體排放量。值得注意的是，人為排放到大氣的甲烷（溫室效應(yīng)貢獻率16%）對全球變暖的貢獻也相當(dāng)顯著。

目前關(guān)于“人類活動導(dǎo)致的大氣溫室氣體（二氧化碳、甲烷等）濃度增加，進而影響地球氣候系統(tǒng)”的認識，具有可靠的科學(xué)基礎(chǔ)。

圖4 地球系統(tǒng)碳的自然循環(huán)的主要碳儲庫（×109gC）及其交換通量（×109gC/y）（IPCC，1996）

圖5 2000釋放主要溫室氣體對全球溫室效應(yīng)的貢獻情況（IPCC, http://www.ipcc.ch/）

圖6 化石燃料和水泥工業(yè)對大氣二氧化碳的釋放量（單位：百萬噸碳）變化趨勢（ G. Marland等，2005）