jienengyoudao2015
節(jié)能有道，依托節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)大家談微信群，搭建交流平臺，傳播發(fā)展經(jīng)驗，提供政策參考，促進合作創(chuàng)新，服務(wù)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)，推動生態(tài)文明建設(shè)。
巴黎大會達成協(xié)議，引起歡呼，也帶來疑慮。其中的一個關(guān)鍵問題是：宣稱的“氣候變暖”依據(jù)到底是什么，權(quán)威性在哪里？
有道君根據(jù)發(fā)表于《物理》2012年第8期的《全球變暖的物理基礎(chǔ)和科學(xué)簡史》，對相關(guān)問題進行了梳理。分享于下：
幾個關(guān)鍵概念
1.溫室效應(yīng)
溫室效應(yīng)是一種形象的說法。假設(shè)地球在沒有大氣層的保護的情況下，與地球表面實際觀測溫度之間，會有一個差值。根據(jù)計算，地表輻射平衡溫度是T =255K。而觀測到的全球平均地表溫度是288K，這說明大氣層的溫室效應(yīng)把地表溫度升高了33K。
用同一個公式，科學(xué)家們對金星和火星的輻射平均溫度進行了計算，得知金星的輻射平衡溫度是225K，但金星的實際地表平均溫度大約是730K，所以，金星大氣的溫室效應(yīng)將其表面溫度升高了大約500K。進而可以推測金星大氣的溫室效應(yīng)比地球強得多，因為金星大氣比地球大氣含有更多的CO2。而火星大氣層非常稀薄,其大氣壓強不足地球的百分之一，盡管其大氣中CO2的含量也高達96%，但其溫室效應(yīng)非常弱。
2.地球“溫室”不是玻璃“溫室”
大氣對地面的增溫作用被比喻作溫室效應(yīng)，但它們之間有本質(zhì)的不同。它們的相同點是，都允許太陽短波輻射透過，并且都阻擋紅外長波輻射透過,使地面得到加熱。不同點是,溫室玻璃阻擋了溫室內(nèi)外的熱力對流和熱量交換，而地球大氣層中則有熱力對流運動發(fā)生。當大氣下層被加熱而產(chǎn)生向上運動時，下層的熱量被輸送到了大氣高層，同時由于大氣層的壓力隨高度的升高而降低，因此，下層的氣塊進入高層之后由于體積膨脹而降溫。這一變化在很長時間內(nèi)都困擾著研究者。
3.大氣痕量氣體
關(guān)鍵問題來了：大氣里哪些成分對溫室效應(yīng)負有責(zé)任？
大氣中氮、氧、氬、二氧化碳占干空氣的99.997%，其他氣體只占0.003%，它們含量極少，多為痕量氣體。如氮氧化合物、碳氫化合物、硫化物和氯化物。它們參與大氣化學(xué)循環(huán)，在大氣中的滯留期為幾天至幾十年，甚至更長。它們中有一些是天然排放的，但有一部分是由于人類活動大量排放了各種痕量粒種，這些痕量粒種受到各種物理、化學(xué)、生物、地球過程的作用并參與生物地球化學(xué)的循環(huán)，對全球大氣環(huán)境及生態(tài)造成了重大影響。例如光化學(xué)煙霧、酸雨、溫室效應(yīng)、臭氧層破壞等無不與痕量氣體有關(guān)。大氣的主要成分N2和O2則沒有溫室效應(yīng)。
痕量氣體產(chǎn)生的作用和機理不再分述。具體請自行查閱。還有一個重要角色是“水汽”。下文再述。
4.氣候系統(tǒng)的反饋機制
氣候系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，包括各個分量之間的相互作用，例如，既包括大氣、海洋、陸地、冰雪之間的相互作用，還涉及物理、化學(xué)和生物等過程。當其中一個分量發(fā)生變化時，這些相互作用將引起其他分量發(fā)生變化，并反饋給最初的變化，從而造成更大的變化。目前所關(guān)心的主要反饋過程包括：水汽正反饋、冰-雪反照率正反饋、云-輻射的反饋等。
水汽正反饋指的是，CO2增加導(dǎo)致地面和大氣溫度增加，造成更多的地表(海洋)液態(tài)水蒸發(fā)進入大氣層，因為水汽本身也是溫室氣體，水汽的增加將使得地表和大氣溫度升高更多，從而導(dǎo)致更多的液態(tài)水蒸發(fā)進入大氣層，產(chǎn)生更強的增溫，從而構(gòu)成一個正反饋的過程。例如，如果大氣是干空氣，單純的CO2加倍造成的地面增溫大約是1.1K，如果考慮水汽的正反饋，則CO2加倍造成的地面增溫將是5.2K。
冰和雪的反照率比陸地和洋面大得多，洋面對太陽輻射的反照率一般小于0.1，陸地的反照率通常小于0.2，而冰的反照率一般大于0.6，雪的反照率大于0.8。因此，冰和雪覆蓋面積的變化將造成地表接收太陽輻射能量的巨大變化。(看過電影《后天》嗎？不再科普)。
地表對太陽輻射的平均反照率大約只有0.15。但全球的天空平均大約有60%是被云層覆蓋的，云-輻射的反饋作用則比較復(fù)雜，因為低層的液態(tài)水云主要反射太陽輻射，降低地表溫度，而高層的冰晶云則允許太陽輻射透過，阻擋地球的紅外輻射，具有溫室效應(yīng)。另外，云量的測定也是一件困難的事情。云-輻射反饋是氣候變化研究中最不確定的因素之一。
5.K
開氏溫標，簡稱絕對溫標，又稱開氏溫標。以“K”表示，又稱絕對零度，是現(xiàn)在國際單位制中七個基本單位之一。發(fā)明者為英國物理學(xué)家威謙·湯姆遜，1848年。他是熱力學(xué)第二定律的發(fā)明人之一，因諸多科學(xué)成就而被封為開爾文勛爵。為了紀念他在科學(xué)上的功績，國際計量大會把熱力學(xué)溫標（即絕對溫標）稱為開爾文（開氏）溫標。
開氏溫度計的刻度單位與攝氏溫度計上的刻度單位相一致，也就是說，開氏溫度計上的一度等于攝氏溫度計上的一度，水的冰點攝氏溫度計為0℃，開氏溫度計為273.16°K。
開氏溫度T與人們慣用的攝氏溫度t的關(guān)系是T=t 273.16
人物：
我們要特別記住一些人的名字和主要貢獻，人類總有些人看得遠些，氣候問題也是如此，科學(xué)史上有這樣一些被看成里程碑式的發(fā)現(xiàn)：
1.傅里葉：提出大氣具有溫室效應(yīng)
數(shù)學(xué)家傅里葉在1827年提出的地球大氣具有溫室效應(yīng)的論點。他在論文提出了以下幾個重要的論點：
(1)地表溫度是由其接受的能量與其失去的能量之間的平衡所決定的，因此，計算地表溫度需要首先確定其能量的源和匯。
(2)地球表面的熱能有三個可能的來源：太陽光、地球內(nèi)部熱能的擴散和傅里葉所定義的“太空溫度'(temperature of space)，傅里葉認為地?zé)岬呢暙I可以忽略不計。
(3)紅外輻射是地球熱能失去的唯一方式,因為紅外輻射隨溫度的升高而升高，所以，地表溫度將在得到的能量與失去的能量相等時達到平衡狀態(tài)。
(4)可見光被地表和海洋所吸收,并轉(zhuǎn)化為紅外光。
(5)地球大氣對太陽光是透明的，但對紅外輻射是不透明的。
他的關(guān)于輻射能量平衡、地表溫度與輻射能量之間的關(guān)系、地球大氣的輻射傳輸特性和地?zé)岬淖饔玫鹊闹庇X認識基本奠定了后來研究地表溫度問題的基礎(chǔ)。在論述大氣層對地球表面能量所起的作用時，傅里葉曾用瑞士登山家de Saussure發(fā)明的有玻璃蓋子的“熱箱'做比喻。傅里葉指出，大氣層就像該玻璃蓋子一樣，對太陽光是透明的，但對紅外輻射有阻擋作用，其效果很像玻璃溫室的效應(yīng)
傅里葉使用了地表溫度的周期性日變化和季節(jié)變化作為邊界條件計算地球次表層的溫度變化，正是根據(jù)這樣的計算，他后來發(fā)展出了我們今天稱之為傅里葉級數(shù)的重要數(shù)學(xué)分析工具。傅里葉還根據(jù)該計算正確地預(yù)測了地球次表層溫度的日變化隨土壤深度的加深而迅速衰減，但次表層溫度的年際變化隨深度的衰減要弱得多。
2.丁鐸爾：確定溫室氣體
30多年之后，愛爾蘭物理學(xué)家丁鐸爾通過實驗確定了大氣中哪些氣體具有溫室效應(yīng)。丁鐸爾曾明確指出，他測量溫室氣體的目的是為了解釋大氣的溫室效應(yīng)及其對地球氣候的影響。丁鐸爾發(fā)現(xiàn)大氣的溫室效應(yīng)只是幾種含量很少的由三原子組成的分子貢獻的，也就是CO2和H2O等，而大氣的主要成分氮氣和氧氣并沒有溫室效應(yīng)。這些測量結(jié)果使丁鐸爾意識到，地球氣候的改變并不需要整個大氣層在質(zhì)量上有根本的改變，而只需要幾種痕量氣體的變化。丁鐸爾也意識到，CO2是地球氣候變化的關(guān)鍵因素，因為雖然水汽的溫室效應(yīng)比CO2更強，但大氣中水汽的含量是由大氣的溫度決定的，當水汽含量達到飽和時，水汽凝結(jié)形成降水，從而減少大氣中的水汽。當然，水汽的正反饋將放大CO2的溫室效應(yīng),使得地球表面的增溫遠大于單純的CO2增加所造成的溫度升高。
對溫室氣體的正確和全面的理解是在分子結(jié)構(gòu)物理學(xué)和量子力學(xué)建立了之后才有的。
3. 阿倫尼烏斯：定量計算氣候?qū)O2 的敏感性
直到1896年，瑞典物理化學(xué)家阿倫尼烏斯才開始定量地計算氣候?qū)O2變化的敏感性。阿倫尼烏斯的主要研究工作是物理和化學(xué)，他于1903年獲諾貝爾化學(xué)獎，他的一項重要成果是推算CO2和水汽對紅外輻射的吸收譜，并使用斯特蕃-玻爾茲曼定律和能量平衡原理計算氣候?qū)O2變化的敏感性以及水汽的正反饋效應(yīng)。
阿倫尼烏斯推算CO2和水汽對紅外輻射的吸收所使用的數(shù)據(jù)是來自美國天文學(xué)家Samuel P. Langley積累的月光紅外波段的觀測資料。他設(shè)計了一個簡單的氣候模式，該模式在垂直方向只有一個等溫的大氣層，在緯度方向是格點化的，并有季節(jié)變化，類似于我們今天所說的一維氣候模式（真正溫室？）。該模式還考慮了水汽的正反饋和冰-雪反照率的正反饋。利用該模式，阿倫尼烏斯發(fā)現(xiàn)，如果大氣中的CO2濃度增加一倍，全球平均的地表溫度將升高6℃。與現(xiàn)在精確的多層氣候模式給出的地表氣溫對CO2加倍的敏感性數(shù)值(2—4℃)相比，阿倫尼烏斯的模式過高地估計了氣候?qū)O2變化的敏感性。
他也是第一位提出人類燃燒的化石燃料有可能導(dǎo)致全球變暖、并且有可能阻止氣候系統(tǒng)向下一個冰川期演變的科學(xué)家。有意思的是，阿倫尼烏斯認為氣候變暖將有助于人類生存環(huán)境的改善，而且日益增加的地球人口需要更為溫和的氣候環(huán)境。這一觀點也是目前那些認為全球變暖并非是一件壞事的人們的主要論點之一。
4. 施瓦氏、Frank Very等：確立輻射傳輸
量子力學(xué)登場了。相關(guān)知識請自己補課：
當氣候科學(xué)進入20世紀之后，它的發(fā)展極大地得益于物理學(xué),尤其是物理學(xué)中關(guān)于分子結(jié)構(gòu)的認識以及量子力學(xué)的發(fā)展極大地促進了人們對氣體分子吸收譜(分子光譜)的理解。這些物理學(xué)理論告訴我們，一種氣體分子的吸收譜是由其分子結(jié)構(gòu)決定的(如CO2和水汽的分子結(jié)構(gòu)決定了它只吸收和放出紅外波段的電磁波)，吸收譜中的每一根吸收線實際上是該分子在兩個振動態(tài)之間的能量差，是量子化選擇性吸收的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上,溫室氣體的吸收譜也在實驗室得到了廣泛和準確的測量。
一個對氣候?qū)W發(fā)展具有重要貢獻的是天文學(xué)領(lǐng)域輻射傳輸理論的發(fā)展和完善。在20世紀初期，天文學(xué)家和天體物理學(xué)家出于對恒星結(jié)構(gòu)以及恒星內(nèi)部能量的徑向輻射和對流的研究興趣，建立了輻射傳輸?shù)幕纠碚?，這方面的代表性工作是施瓦氏在1906年發(fā)表的論文。在該論文中，施瓦氏給出了輻射傳輸?shù)幕痉匠?還有一些天文和天體物理學(xué)家為了解釋地球大氣層對太陽輻射傳輸?shù)挠绊懞托Ｕ栞椛涞牡孛嬗^測結(jié)果，也開始研究太陽輻射在地球和太陽系行星大氣中的傳輸問題。一個代表性工作是Frank Very在1908年發(fā)表的論文。他們已開始用多層大氣的模型來研究輻射傳輸問題。著名天體物理學(xué)家錢德拉塞卡在1950年發(fā)表了他的關(guān)于輻射傳輸?shù)闹?，從而系統(tǒng)地建立了輻射傳輸理論。
5. 普拉斯：首先使用了更為準確的CO2吸收譜
到了20世紀50年代，先進的計算機的出現(xiàn)也為準確地計算多層大氣輻射傳輸和CO2吸收譜的積分提供了有效的計算工具。美國學(xué)者普拉斯首先使用了更為準確的CO2吸收譜和多層大氣輻射傳輸模式來計算CO2變化對氣候的影響。他的結(jié)果表明，CO2加倍將造成地面增溫大約3—6℃。但普拉斯對地面輻射能量平衡的解釋存在錯誤。在普拉斯的計算中，假定了CO2增加僅造成地面溫度的升高，而大氣層溫度是不變的，其結(jié)果將造成大氣層頂入射和向外輻射的不平衡。實際上，在大氣中CO2增加之后，大氣對流層的溫度必將升高，正是由于大氣對流層在較高溫度下向下輻射紅外能量的增加才造成了地面溫度的升高，而在大氣層頂，入射的太陽輻射和出射的地-氣系統(tǒng)能量應(yīng)該是平衡的。在普拉斯的計算中，還沒有很好地考慮水汽的吸收譜,因為那時還沒有完整的水汽吸收譜的測量結(jié)果。
6.Manabe和Wetherald：把全球變暖的問題推向了現(xiàn)代
20世紀60年代后期，Manabe和Wetherald設(shè)計了更為真實的輻射傳輸模式，并充分考慮了水汽的吸收譜以及水汽的反饋作用。他們最為重要的貢獻是考慮了大氣的對流運動，并清楚地解釋了在地面和大氣層頂?shù)妮椛淦胶鈫栴}。正因為如此，人們才認為是Manabe和Wetherald的工作真正把全球變暖的問題推向了現(xiàn)代。半個世紀過去了，他們的論文仍然是我們認識全球變暖最基礎(chǔ)的參考文獻。
7. Budyko、Sellers：分別提出氣候能量平衡模式
此后不久，前蘇聯(lián)氣候?qū)W家Budyko和美國氣候?qū)W家Sellers分別獨立地提出了氣候能量平衡模式，他們引入了冰-雪反照率的正反饋機制，并考慮了赤道與極地之間的熱量輸送問題。根據(jù)他們的模式，氣候系統(tǒng)在相同的太陽輻射條件下可以出現(xiàn)三種氣候態(tài)：(1)兩極沒有冰蓋的溫暖氣候，如6500萬年前的恐龍時代；(2)兩極存在冰蓋的溫和氣候；(3)全球完全被冰封的冰雪地球氣候。其中第一種和第三種氣候態(tài)是穩(wěn)定的氣候態(tài)，而第二種是不穩(wěn)定的氣候態(tài)，在外強迫或氣候系統(tǒng)內(nèi)部擾動的作用下，冰-雪正反饋機制很容易導(dǎo)致該氣候態(tài)向第一種或第三種氣候態(tài)轉(zhuǎn)化。長期以來，第三種氣候態(tài)一直被認為是該簡單模式的數(shù)學(xué)解，并沒有物理或現(xiàn)實上的意義。但近10年來的研究表明，全球性冰封的冰雪地球氣候有可能在25億年前和7億年前出現(xiàn)過。(這難道是電影《后天》的理論基礎(chǔ)？)
8.三維大氣環(huán)流模式(GCM)
隨著輻射傳輸模式的完善，也由于計算能力的快速提高，人們開始考慮使用更真實也更復(fù)雜的模式取代簡單的氣候模式。這便是覆蓋全球的三維大氣環(huán)流模式(general circulation model，GCM)。在GCM中，需要數(shù)值求解的是三維流體動力和熱力學(xué)方程，因為在這些流體方程中，各個變量都隨時間變化，給定初始和邊界條件之后，可以對這些方程進行時間積分。如果我們以現(xiàn)在的氣候狀況作為初始和邊界條件，對時間的積分也就相當于預(yù)測未來的氣候。仍然是Manabe和Wetherald首先在GCM 的發(fā)展方面走出了開創(chuàng)性的一步。他們的GCM計算結(jié)果表明，CO2加倍將導(dǎo)致全球平均地面溫度升高大約3℃。
20世紀80年代以來，世界各國的主要氣候研究機構(gòu)都紛紛發(fā)展各自的GCM。美國哥達德空間研究所氣候?qū)W家翰森為首的團隊也較早地發(fā)展了他們的GCM，并利用該GCM廣泛地研究了氣候系統(tǒng)中的各種反饋機制,指出了云-輻射的反饋機制在氣候變化中起著重要的作用。他們的另一個重要貢獻是海洋由于其較大的熱容量(熱力慣性),將推遲全球變暖的出現(xiàn)，也就是地表氣溫的增加將落后于CO2增加達幾十到上百年。這與實際結(jié)果基本一致，CO2在工業(yè)革命時就開始增加，而全球變暖基本是從20世紀70年代開始的。
9.大氣CO2濃度和溫度升高的觀測
科學(xué)的結(jié)論，必須能夠被驗證。CO2濃度是否是在隨時間升高? 地表氣溫是否在隨時間升高?
美國加州大學(xué)圣地亞哥分校教授Charles D.Keeling(1928—2005)是第一個用儀器觀測大氣CO2濃度的。他于1958年在國際地球物理年組織的資助下，在夏威夷的Mauna Loa山峰建立了世界上第一個CO2觀測站，并開始CO2觀測，因此，提供了世界上時間最長的CO2儀器觀測資料。1963年，NSF使用Keeling的觀測結(jié)果發(fā)出警告：CO2增加的溫室效應(yīng)有可能造成全球變暖，在1965年向美國總統(tǒng)科學(xué)顧問委員匯報類似的觀點時，同樣使用了Keeling的觀測結(jié)果。
Keeling發(fā)表了多篇關(guān)于大氣中CO2增加的重要論文，其中最重要的是1960和1970年的兩篇論文。在1960年，他的觀測才剛開始2年，論文在當時并沒有引起很大的轟動，但1970年的論文產(chǎn)生了巨大的影響，學(xué)術(shù)界和社會才開始認真地考慮人類燃燒化石燃料造成的2 增加將有可能導(dǎo)致全球氣候變暖。
雖然溫度的測量記錄可以追溯到17世紀或者更早，但可靠的全球平均溫度觀測記錄通常自1850年開始。英國東安吉利亞(East Angilia)大學(xué)的P.D.Jones教授整理了世界各地的各種溫度觀測資料，給出了公認比較可靠的自1850年以來的全球平均溫度時間序列，線性回歸表明，在1900—2010年間，南北半球分別增溫1.12℃和0.84℃,全球平均增溫0.98℃。美國賓州州立大學(xué)教授Michael E.Mann等使用樹木年輪等替代資料推算了過去1000年的北半球地面平均氣溫變化，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的氣溫在過去1000年都是最高的。除了地面氣溫，整個大氣對流層的溫度也在升高。美國華盛頓大學(xué)付強教授等使用衛(wèi)星微波遙感的溫度資料計算了過去30年的對流層溫度變化趨勢，發(fā)現(xiàn)對流層溫度也是升高的。全球變暖是就全球平均溫度的長期的變化趨勢而言的，并非意味著持續(xù)不斷的溫度升高，因為氣候系統(tǒng)有其自身在不同時間尺度上的自然變化，可以被看作氣候系統(tǒng)自然波動的結(jié)果，也有人認為是人類活動造成的氣溶膠增加，氣溶膠散射太陽輻射，導(dǎo)致地面變冷。但總體來講，全球平均溫度在過去100年是升高的。
不是結(jié)論的結(jié)語
20世紀50年代，一些學(xué)者開始向社會呼吁，人類活動導(dǎo)致的CO2增加將對氣候產(chǎn)生重要的影響。
1979年，美國著名氣象學(xué)家恰尼等受美國科學(xué)院國家研究顧問委員會的委托提交了一份研究報告(后來被稱為“恰尼報告'(The Charney Report))。該報告估算氣候?qū)O2 加倍的敏感性大約是1.5—4.5℃。自該報告之后，全球變暖的概念開始進入公眾的視野，并引起歐美各國政府的高度重視。
1988年，世界氣象組織和聯(lián)合國環(huán)境署共同成立了“政府間氣候變化專門委員會'(IPCC)，其目的是為世界提供氣候變化的現(xiàn)有進展狀況和氣候變化對社會、環(huán)境與經(jīng)濟的潛在影響的全面、綜合的科學(xué)評估。
IPCC 于1990 年、1995 年、2001年和2007年分別發(fā)表了4次評估報告，第5次評估報告將于2013年發(fā)表。2011年5月，政府間氣候變化專門委員會 （IPCC）第 33 次全會正式批準了 《可再生能源與減緩氣候變化》特別報告，這也是 IPCC 第五次評估期間發(fā)布的首份報告。報告指出，如果有正確的公共政策支持，到 2050 年可再生能源將可滿足全球近 80%的能源需求，并且突破性增長的可再生能源將在 2010～2050 年間共累計減少溫室氣體排放約 2200 億～5600 億噸二氧化碳當量。
在第4次評估報告中，全世界23個GCM 的模擬結(jié)果表明，CO2加倍將造成2—4.5℃的增溫。在21世紀的預(yù)估中，使用了幾種不同的溫室氣體排放情景。如果溫室氣體被限制在2000年的水平不變，地球氣溫仍將緩慢增加，其主要原因是已經(jīng)被加熱了的海洋仍將持續(xù)地放出熱量，并加熱地面和大氣。如果對人類排放溫室氣體的速度不加限制，在21世紀末，地表氣溫將升高大約3.6℃。雖然IPCC 報告受到了這樣或那樣的質(zhì)疑，但其權(quán)威性是不容置疑的，每一次報告都是世界各國數(shù)百名一流氣候?qū)W家共同努力的結(jié)果。
人類對于全球變暖的認識是以數(shù)學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)為基礎(chǔ)的。氣候系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，各分量之間的相互作用以及涉及的各種反饋過程也是相當復(fù)雜的。我們現(xiàn)在對這些過程的了解還非常有限，因此，我們目前還不能很圓滿地回答有關(guān)全球變暖的全部問題。
無論對全球變暖持支持或反對的觀點，也無論是否承認全球變暖是否是由于人類活動造成的，一個不可否認的事實是，現(xiàn)在人類改變自身生存環(huán)境的能力是巨大的。我們今天對化石燃料的燃燒實際上相當于把地球早期通過光合作用存儲于地球內(nèi)部的太陽輻射能量釋放了出來，這部分能量毫無疑問將對氣候系統(tǒng)產(chǎn)生重大的影響。
目前，全球氣候變暖已不是單純的學(xué)術(shù)問題，而是早已成為國際社會和各國政府所關(guān)心的政治問題。一旦爭論超出了學(xué)術(shù)的范疇，全球變暖的科學(xué)基礎(chǔ)和許多概念都被模糊了，其科學(xué)歷史也被淡化了。
聯(lián)系客服
