先做個小調(diào)查：
地球的氣候正逐漸變暖，而且氣候模式也變得越來越不穩(wěn)定。但或許最重要的是，氣候變化的罪魁禍首是人類。
溫度在不斷地上漲。數(shù)據(jù)來源：NASA戈達德空間技術(shù)研究院，NOAA國家氣候數(shù)據(jù)中心，英國氣象局，日本氣象廳。
但是，仍然有許多人認為人為的氣候變化只是科學(xué)家應(yīng)該討論的事。去年，耶魯大學(xué)的研究人員在美國的一項調(diào)查顯示，大約63%的美國人接受氣候變化的事實，而只有48%的人覺得人類應(yīng)該對此負責(zé)。
剩下的人呢？為什么氣候變化是一件難以接受的事實？
接下來，讓我們假裝從來沒有聽過這個問題，也有沒聽過任何人對這件事的見解，包括政客、科學(xué)家或其它人。我們現(xiàn)在真正關(guān)心的是這兩個問題：
地球是否在變暖？
如果是，是人類造成的嗎？
故事要從頭慢慢說起，準備好了嗎？
太陽。（? NASA’s SOHO, via the SOHO LASCO, EIT and MDI teams.）
這是太陽。是它溫暖了地球，也保證了太陽系內(nèi)其它行星的溫度在幾開爾文以上。（1開爾文等于零下273攝氏度）。
白天，我們沐浴在陽光之下，吸收來自太陽輻射出的能量。但是，在白天和黑夜，能量都會重新返回太空。這也是為什么夜晚會變得比較冷的原因。另一方面，由于行星與其公轉(zhuǎn)軌道平面不垂直，導(dǎo)致了季節(jié)的更迭——寒冷的季節(jié)和溫暖的季節(jié)。
八大行星的軸傾角。（? Astronoo.com）
但如果這些是唯一決定溫度的因素，那么離太陽最近的行星最熱，離太陽越遠的行星，溫度逐漸降低。難道事情就這么簡單？當然不是，我們先從水星說起。
水星很熱。事實上非常熱！作為離太陽最近的行星，水星的公轉(zhuǎn)周期約為88個地球日。而水星的自轉(zhuǎn)則非常慢，周期為59天。水星上白天的溫度最高的時候高達700開爾文（427攝氏度），足以融化某些熔點較低的金屬——比如鉛。到了晚上，水星的溫度則走向另一個極端：降到100開爾文左右（零下173度），這要比地球上自然發(fā)生的溫度冷的多。
那么離太陽第二近的金星呢？
金星。（? Calvin J.Hamilton）
金星離太陽的平均距離是水星的兩倍，它也是離地球最近的行星。金星的公轉(zhuǎn)周期約為225天，它的自轉(zhuǎn)周期是太陽系中最長的，約為243天，而且它是唯一一個逆向自轉(zhuǎn)——即自轉(zhuǎn)方向與公轉(zhuǎn)方向相反——的行星。金星的表面溫度高達735開爾文（462攝氏度），比正午時候陽光直射處的水星表面溫度還高。
這里我很簡單的介紹了這兩個行星，如果我們想理解在這兩個世界中究竟發(fā)生了什么，我們需要問為什么？
水星和金星。（? Wikimedia Commons user Scooter20）
這兩個世界有四個非常不同的地方：
水星要比金星小的多；
水星比金星離太陽近的多；
水星的反射率要比金星低的多；
水星沒有大氣層，而金星則有一個濃密的大氣層。
首先，行星的大小并沒有很大的關(guān)系。就算水星的大小是金星的兩倍，它的溫度也不會又什么很大的變化，因為行星表面積接收到的陽光比例不會變化。但是，水星離太陽的距離更近兩倍則有關(guān)系。
戳：《引力的作用范圍有多遠？》
任何物體離太陽的距離增加兩倍，單位面積接收到的太陽能量就為原先的四分之一。也就是說水星表面的每個部分接收到的能量要比金星表面多出四倍。但是，金星仍然比水星更熱，這說明上面提到的第3、4點就開始變得重要起來了。
反照率為1的時候是白色的。（? Toby Smith）
一個物體反射能力和吸收能力由反照率（albedo，來自拉丁文albus，譯為白色）決定。一個反照率為0的物體是一個完美吸收體，而一個物體的反照率等于1則是完美的反射體。在現(xiàn)實中，所有物體的反照率皆為 0 - 1 之間。你或許會想起月亮，用我們?nèi)庋塾^測應(yīng)該會認為它的反照率很高，因為它在白天和黑夜看起來都偏白色。
月亮。（? 月球和行星研究所）
其實，月亮的平均反照率只有0.12，也就是說有12%的光線被月球的表面反射，而高達88%的太陽光都被吸收了。一個物體的反照率越低，它吸收太陽光的能力就越強。
水星的反照率跟月亮相似，而金星的反照率要比太陽系中的其它行星都高。
不同行星與衛(wèi)星的邦德反照率。（? R Nava at Ga. State and NASA）
現(xiàn)在，我們來回顧下：盡管水星和金星的大小不同，但不會影響溫度；水星從太陽接收到的單位面積能量要比金星大四倍；水星吸收了大約90%的陽光，而金星只吸收了大約10%的陽光。
然而，金星，即使是在夜晚，也要比水星的任何地方都熱。那么第四點呢？回憶一下：4. ）水星沒有大氣層，而金星則有一個濃密的大氣層。
記住，水星和金星并不僅僅只是吸收來自太陽的光線，能量也會以熱能的形式重新輻射回太空。對于水星來說，所有的熱能都會立即返回太空，但是金星呢？這些熱能要經(jīng)過厚重的大氣層，要返回太空是很難的。因此，大氣層在這里扮演了至關(guān)重要的角色。
金星大氣層。（? 金星快車）
現(xiàn)在我們知道，是金星濃密的大氣層把熱能困在金星上，使它比水星更加熾熱，成為太陽系內(nèi)最熱的行星。金星通過大氣層把熱能困住也同樣發(fā)生在地球的大氣層上。當然，地球的大氣層要薄的多。
上面我們提到了水星和金星主要區(qū)別的前三點，我們現(xiàn)在把地球也考慮進來：
地球跟金星的大小差不多，直徑要比金星大5%，盡管這跟溫度沒什么關(guān)系；
距離太陽要比水星大出三倍，也就是說單位面積接收到的輻射總量是水星的九分之一，是金星的一半；
地球的反照率比較復(fù)雜且不一致，因為有不同的云量（云非常反射）、季節(jié)（綠色和棕色的反照率也非常不同）、冰蓋和積雪等，它們都隨著時間變化。平均而言，地球的反照率為0.3。
反照率，不同地球的表面環(huán)境的太陽光反射百分比。（? Wikimedia Commons users Hannes Grobe and Wereon）
盡管地球的反照率很復(fù)雜，但發(fā)射的衛(wèi)星可以幫助我們實時追蹤及監(jiān)視。
反照率的值（%被反射）（? Ken Gould）
如果我們想更好的理解地球的溫度，以及人類做了什么使它隨著時間改變，我們就必須理解第四點：地球的大氣層。它是真實的，就在哪里，而且很重要，但有多重要？
要想理解大氣層是怎么運作的，我們又得回到太陽上來。
太陽，如地獄般熾熱。我們姑且假定地獄的表面溫度接近6000開爾文。太陽的輻射有一個非常特別的能量分布，即（近似）黑體輻射分布。這保證了大部分來自太陽的光都會在光譜中的紫外（UV）、可見光（Visible）和紅外（Infrared）部分達到峰值。不管你把任何東西加熱至6000開爾文，你都會得到類似能譜。
在大氣層之上和表面的太陽輻照度光譜。（? Wikipedia）
這是行星會接收到的能量。在沒有空氣的環(huán)境下，比如水星和月亮，100%的能量會到達行星表面。在有云的世界，比如地球，在光線到達地面前，有一部分就已經(jīng)被反射回太空。除非是在極端的環(huán)境下，比如金星。
當陽光射入金星的時候，大約90%的光線會反射回太空，只有10%被吸收。現(xiàn)在，就像其它所有行星一樣，金星也會把吸收的能量重新輻射回太空。金星的輻射也像黑體，只不過其能量更小，頻率更低，但波長更長。
“問題”是金星大氣層的大多數(shù)氣體——即那些容易讓太陽光穿過的氣體——并不是完全對長波長的輻射透明的。這個問題不僅僅被吸收氣體復(fù)雜化了，還要考慮到多層、厚重的吸收云層。所以，就能量而言到底發(fā)生了什么？
(? Dave Crisp, JPL）
從上圖可以看出，太陽輻射出的能量，有一部分被金星的表面吸收了，當這些被吸收的能量要重新輻射回外太空時，又有一大部分比例的能量被大氣層吸收了，接著又重新輻射至地面。這個過程會循環(huán)往復(fù)的持續(xù)下去。也就是說，金星的大氣層越厚，能量（以熱的形式）呆在金星的時間就越久。
這也就是為什么金星這么熱的原因。
金星的表面。（? USSR）
上面兩張是金星表面的照片。金星13號探測器在金星表面生存的時間為127分鐘（它的姐妹金星14號只生存了57分鐘）?？紤]到金星表面的溫度足以將像鉛一樣的金屬瞬間融化為液體，這個生存時間其實并不賴。
現(xiàn)在，回到金星大氣層。它難以置信的厚：包含了比地球大氣層多出約100倍的分子數(shù)量，而96.5%的金星大氣層都是二氧化碳。其余大部分是氮氣，以及非常小一部分是受地球喜愛的H?O。
（? Wikimedia Commons user Life of Riley.）
之所以提到這兩種氣體使因為它們在紅外波段有著顯著的吸收特征。二氧化碳的紅外吸收光譜看起來是這樣的：
（? NIST Chemistry WebBook）
而水蒸汽的吸收光譜看起來是這樣的：
（? NIST Chemistry WebBook）
這里顯示的大小并不是完全按火星上的情況定制的。水蒸氣在火星上只有上圖顯示的四分之一的重要性，但在金星的二氧化碳要比上圖顯示的強25萬倍。
換句話說，金星大氣層中的二氧化碳是阻止熱能重新輻射回太空的罪魁禍首。如果金星沒有大氣層，它的溫度大約是349開爾文（67攝氏度），相比地球也很熱，但就沒有什么特別之處了。
現(xiàn)在我們打個比方，金星的大氣層——包括其中的云層和氣體——就好比是一個厚重、巨大以及絕緣的毛毯，起著保暖作用。大氣層使金星保持溫暖的機制就如同毛毯溫暖我們的身體：吸收自己輻射的熱能再重新輻射回到自身。毛毯越厚，自然也越保暖。如果有足夠的毛毯，就可以把你的身體加熱至正好超過人體的正常體溫。
地球的大氣層要比金星的薄很多，但仍然可以像毛毯一樣。如果沒有大氣層，地球的溫度將會是225開爾文（零下18度）。大氣層中的云層、水蒸氣、甲烷和二氧化碳，以及其他的氣體，使地球要比沒有這些氣體的情況溫暖33攝氏度。
溫室效應(yīng)。（? Wikipedia）
早在兩個世紀前Joseph Fourier（提出了傅里葉變換）就對該效應(yīng)進行了解釋。到了1896年的時候，Svante Arrhenius（阿倫尼烏斯方程就是他提出的）更進一步的做出了詳細的計算。
水蒸氣、甲烷、二氧化碳以及所有其它氣體都會吸收紅外線，它們都表現(xiàn)像毛毯一樣。當行星的大氣層有越來越多的這些氣體加入（或帶走）的時候，這就像是把毛毯加厚（變?。＿@些效應(yīng)Arrhenius在100多年前就做了詳細的計算。
所以，什么是地球的大氣層？這取決于你把它當做是一張一張的毛毯，或者是有一個絕對厚度的毛毯。你可以通過對大氣層中的紅外吸收氣體的增加或移除來增加或移除（加厚或變?。┟?。
這些就是全球變暖、溫室效應(yīng)，為什么帶有大氣層的行星要比沒有大氣層的行星更加溫暖背后的原理。到目前為止，我們知道：陽光抵達行星后，有一部分被吸收，有一部分則被反射，被吸收的部分會重新輻射，大氣層的成分決定了重新輻射的熱能被困住的效率，因此決定了行星變暖的效率。
所以，地球的大氣層是由什么構(gòu)成的？
（? Wikimedia Commons users Brockert and Mysid）
大部分是氮氣，占據(jù)了干燥大氣層的78%，接著是占據(jù)21%的氧氣，大約1%是惰性氣體——氬氣，剩下的一小部分則為二氧化碳、氖、甲烷和其它微量元素和分子。
上面我用的是“干燥的大氣層”，這很重要，因為我們的大氣層從來就沒有真正干燥過。地球上的海洋阻止了這樣的事情發(fā)生。地球上海洋的質(zhì)量大約是大氣層總量的300倍。由于化學(xué)的作用（蒸發(fā)、蒸氣壓等），它會以水蒸氣的方式加入額外的1%到大氣層中。這個數(shù)字是個很大的變量，因為這是一個我們無法控制的成分。
（? Kathleen Scotland）
當然，我們也無法控制水蒸氣、云層、氧氣或臭氧。但是，大氣層中的二氧化碳在過去幾個世紀發(fā)生了巨大的變化，而這毫無疑問，是因為人類的活動引起的！
直到18世紀末，大氣層中的二氧化碳水平都相當穩(wěn)定地維持在279-280ppm，微量的變化是由火山噴發(fā)、森林火災(zāi)以及其它的自然活動引起的。但是由于工業(yè)革命的出現(xiàn)，一切都開始改變。
二氧化碳濃度在過去一直保持穩(wěn)定的變化，很明顯可以看到1950年后的水平驟增。（? Vostok ice core data/J.R.Petit et al.; NOAA Manuna Loa CO2 record.）
在地球過去的歷史中，所有被深埋于地底下的碳基生物的殘骸隨著歲月的流逝慢慢地轉(zhuǎn)化成石油、煤炭等其它資源，突然被人類提取并燃燒，最終回到大氣層之中。
通過簡單的計算就可以得知在工業(yè)革命初期，通過燃燒，我們往大氣層中加入了1.5萬億公噸的二氧化碳。
現(xiàn)在，大氣層中二氧化碳的水平大約為2.1萬億公噸（大約400ppm，更精確的說，截止2016年8月，二氧化碳的水平為402.24ppm）。
記住，除了大氣層的二氧化碳水平的增加，海洋里的二氧化碳也在增加。你知道當二氧化碳（CO?）和水（H?O）混合一起的時候會發(fā)生什么嗎？你會得到H?CO?，即碳酸。（沒錯，我們的老朋友Arrhenius早就算出這一切啦。）如果你聽過海洋酸化，這就是它的來源。（如果你看過《全球氣候變化的時間線》那你肯定會知道海洋酸化帶來的影響。）
（? Ricky Rood）
現(xiàn)在你應(yīng)該很清楚，行星吸收的光線大部分都是紫外、可見以及近紅外，接著重新把能量以中紅外和遠紅外能量輻射回太空。至少，它們嘗試這么做，除非大氣層中的某些東西吸收了紅外能量，并且重新輻射回行星的地面。那么，地球在這方面表現(xiàn)的怎么樣？
地球大氣層中的自然溫室氣體的吸收光譜。（ ? J.N. Howard (1959); R.M. Goody and G.D. Robinson (1951)）
只能說還可以，足夠使地球保持溫暖，（如果你還記得）比沒有大氣層時要溫暖33攝氏度。事實上，大氣科學(xué)可以量化不同成分的對溫室效應(yīng)的貢獻：
50%的溫室效應(yīng)由水蒸氣引起，大約25%是因為云層，20%是CO?的作用，以及剩下的5%是由不凝性溫室氣體引起的，比如臭氧、甲烷、一氧化二氮等等。
所以，如果地球上的溫室效應(yīng)有20%是因為二氧化碳引起的，并把二氧化碳的水平提高50%，這是否意味著溫度又增加了3.3攝氏度？
（? NASA）
或許，但不一定。因為會有其它的因素開始起作用，當你做某些事情加熱地球，地球上的有許多自然機制會嘗試自我調(diào)節(jié)。
（? ESA’s Cryosat and CPOM / UCL / ESA / Planetary Visions.）
冰川和冰帽內(nèi)都會儲存著一些潛在的熱量，如果它們開始融化，就會向大海、濱以及河流流入溫度較低的水。如果有少量的二氧化碳增加，植物也會變得活躍，從而吸收大氣層中的一些溫室氣體。
但危險的地方在于，當過快的往大氣層中加入大量的二氧化碳時會發(fā)生什么？這意味著溫室效應(yīng)的增加會使地球的溫度開始上升。
（? Berkeley Earth Surface Temperature project）
而這也是我們已經(jīng)看到發(fā)生的事情。直到1970年代末之前，溫度的波動都屬于正常的。但在那之后，二氧化碳的濃度就大量增加，地球的平均溫度也不斷快速地上升。這個趨勢不間斷地延續(xù)到了今天。
全球溫度隨著時間的變化。（? World Meteorological Organization）
其它的方法顯示了平均溫度如何隨時間演變，也觀察到了同樣的趨勢，到了1970年代末，全球平均溫度就猛地上升。
所以，毫無疑問，地球正在變暖。而據(jù)目前我們所能做到的最好的測量，地球仍在持續(xù)變暖。
當然，或許有其它的方式來解釋這個變暖的趨勢，比如太陽輻射度的增加，這在過去的確和溫度增加有關(guān)聯(lián)。但，事實上，正好相反，現(xiàn)在的太陽周期顯示太陽的活動正逐漸減少活躍度，這應(yīng)該會帶來變冷的效應(yīng)。
太陽黑子的數(shù)量。（? NOAA / SWPC Boulder）
基于我們對行星科學(xué)、地球大氣層、人類活動的了解以及觀測到的變暖趨勢，除了人為造成的全球變暖，非常非常不可能是任何其它的事物導(dǎo)致的。不是太陽，不是火山，也不是任何已知的自然現(xiàn)象。
現(xiàn)在你應(yīng)該很清楚全球變暖的確正在發(fā)生，而且是人類的活動造成了這個局面。如果你不知道全球變暖會對未來100年內(nèi)的地球帶來什么樣的后果，強烈建議你閱讀《2020 - 2110年：全球氣候變化時間線》。我希望在未來的日子里，你們會開始認真地去思考如何解決這個問題。為了我們自己，為了我們的后代，為了我們能夠擁有更美好的世界，我們應(yīng)該選擇去改變現(xiàn)狀，而且我們也必須去改變。
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