給溫室氣體裝個(gè)“攝像頭”

周春江

法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家傅里葉首次用數(shù)學(xué)物理學(xué)的方法，計(jì)算地球表面溫度時(shí)，認(rèn)為大氣對(duì)地球的保溫作用和溫室玻璃有異曲同工之妙，此后，“溫室氣體”這個(gè)詞漸漸步入人們視野。由于容易理解，“溫室氣體”逐漸成為大氣科學(xué)領(lǐng)域普及程度最高的專業(yè)術(shù)語(yǔ)之一。

政府間氣候變化專門委員會(huì)（IntergovernmentalPanel on Climate Change，簡(jiǎn)寫為IPCC）的《第5次評(píng)估報(bào)告》指出：20世紀(jì)50年代以來(lái)，全球氣候變暖一半以上是由人類活動(dòng)造成的。要控制全球氣候變暖，必須大幅度減少溫室氣體的排放。

也許近年來(lái)，對(duì)全球變暖的擔(dān)憂，讓不少人看到“溫室效應(yīng)”就皺眉頭。事實(shí)上，溫室氣體并不是專職的搗蛋鬼，如果沒(méi)有它們帶來(lái)的溫室效應(yīng)，地球同樣無(wú)法孕育大量生命;但過(guò)多的溫室氣體就會(huì)造成溫室效應(yīng)異常增強(qiáng)。所以，溫室效應(yīng)異常增強(qiáng)才是問(wèn)題的源頭。

溫室效應(yīng)異常增強(qiáng)，人類難辭其咎

溫室氣體帶來(lái)溫室效應(yīng)，這是由它們自身的分子結(jié)構(gòu)決定的。溫室氣體的分子結(jié)構(gòu)使其在震動(dòng)時(shí)可以吸收紅外線，因此具有保存紅外熱能的能力。如果沒(méi)有溫室效應(yīng)，地球無(wú)法保存輻射能量，溫度將穩(wěn)定在-18℃左右。而地球今天的實(shí)際溫度約為15℃，這增加的33℃的保暖效果就是溫室效應(yīng)提供的。它像一床溫暖的被子保護(hù)著地球上的生命。除了常說(shuō)的二氧化碳，水汽、臭氧、甲烷、氫氟碳化物等也都是溫室氣體。

但如果非得把過(guò)多的溫室氣體看作搗蛋鬼，那么，人類就是不能推卸責(zé)任的始作俑者了。

拿二氧化碳這個(gè)關(guān)注度最高的溫室氣體來(lái)說(shuō)。二氧化碳占大氣總體積的0.03%～0.04%，但由于人類活動(dòng)的影響，大氣中的二氧化碳濃度正在快速上升，在目前人類的溫室氣體總排放量中，二氧化碳約占76%。在過(guò)去的數(shù)十萬(wàn)年時(shí)光中，地球大約以10萬(wàn)年1次的頻率在大的冰期和間冰期中循環(huán)，地表溫度有升有降。而大氣的二氧化碳濃度始終遵循著自然界物理化學(xué)規(guī)律的制約，保持在180～280百萬(wàn)分比濃度之間。

但工業(yè)革命之后，人類利用地球能源的能力快速增強(qiáng)。原本埋藏在地下，可能數(shù)千萬(wàn)到數(shù)億年都不見(jiàn)天日的化石燃料，在短短幾十年內(nèi)就被大量燃燒，產(chǎn)生的二氧化碳引發(fā)大氣二氧化碳濃度前所未有的增長(zhǎng)變化。截至2020年3月，大氣二氧化碳濃度已達(dá)到414.5百萬(wàn)分比濃度，比工業(yè)革命前升高45% 以上，比過(guò)去80萬(wàn)年中的任何時(shí)候都高。

然而還有一些人認(rèn)為，與自然本身的二氧化碳排放基數(shù)相比，人類排放的二氧化碳數(shù)量并沒(méi)有多到夸張，怎么就能產(chǎn)生如此巨大的影響呢？

打個(gè)比方吧：如果人一日三餐規(guī)律飲食，一般都可以保持身材勻稱、身體健康;但如果從某一天開(kāi)始，每天晚上多吃1個(gè)小蛋糕，一年之后就會(huì)長(zhǎng)胖10斤。1個(gè)小蛋糕看起來(lái)比一日三餐的量少，但實(shí)際上它破壞了長(zhǎng)期以來(lái)人體熱量的供需關(guān)系，所以就會(huì)導(dǎo)致人長(zhǎng)胖。說(shuō)回二氧化碳排放，人類進(jìn)一步改造自然，開(kāi)墾森林草原，建立城市，使得自然界的固碳能力不斷下降，影響了全球碳循環(huán)的平衡，因此導(dǎo)致溫室效應(yīng)異常增強(qiáng)，地表溫度異常升高。

監(jiān)測(cè)溫室氣體，組建大氣觀測(cè)網(wǎng)

面對(duì)溫室氣體造成的巨大氣候危機(jī)，人類作為始作俑者也到了非管不可的地步。于是，各個(gè)國(guó)家、各個(gè)國(guó)際組織紛紛推出了不同的溫室氣體監(jiān)測(cè)計(jì)劃，上天入地，給溫室氣體裝上了360°無(wú)死角的“攝像頭”。

1957年，美國(guó)莫納羅亞天文臺(tái)的查里斯·大衛(wèi)·基林開(kāi)始了最早的二氧化碳地基觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄。1970年，受聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署委托，世界氣象組織（World MeteorologicalOrganization，簡(jiǎn)寫為WMO）組織實(shí)施了大氣本底污染監(jiān)測(cè)網(wǎng)計(jì)劃（本底監(jiān)測(cè)，指對(duì)未受到人類活動(dòng)影響的大氣自然狀態(tài)下各種成分的濃度監(jiān)測(cè)，堪稱氣候變化的“忠實(shí)記錄者”）。

隨著全球變暖問(wèn)題日益突出，WMO 于1989年開(kāi)始組建全球大氣觀測(cè)網(wǎng)（Global Atmosphere Watch，簡(jiǎn)寫為GAW），長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是記錄有關(guān)大氣化學(xué)成分的變化，監(jiān)測(cè)那些對(duì)環(huán)境造成危害的氣體粒子，如二氧化碳、臭氧等溫室氣體。截至2012年3月，來(lái)自65個(gè)國(guó)家的325個(gè)站點(diǎn)向世界溫室氣體數(shù)據(jù)中心提交了111種溫室氣體和相關(guān)氣體的觀測(cè)數(shù)據(jù)。2004年，總碳含量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（Total ColumnCarbon Observing Network，簡(jiǎn)寫為TCCON）建立起來(lái)，旨在測(cè)量精確的二氧化碳等溫室氣體柱濃度，目前已建立全球站點(diǎn)接近70個(gè)，國(guó)內(nèi)建有合肥站。

常規(guī)的地基觀測(cè)無(wú)法解決全球大氣碳含量的空間分布問(wèn)題，更無(wú)法監(jiān)測(cè)到海洋上空大氣中二氧化碳的含量，因此需要飛機(jī)、高塔、航船、衛(wèi)星觀測(cè)資料來(lái)幫忙，結(jié)合同期氣象資料和模式推算，從而更及時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)算不同區(qū)域溫室氣體的排放、吸收狀況，分析評(píng)估不同區(qū)域間的輸送和相互影響。

近年來(lái)，利用衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)地球大氣二氧化碳濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)獲得越來(lái)越多的關(guān)注。但溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星對(duì)科學(xué)技術(shù)綜合實(shí)力與國(guó)力有較高的要求，因此，目前只有少數(shù)國(guó)家成功發(fā)射了溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星。

2016年，我國(guó)首顆用于監(jiān)測(cè)全球大氣二氧化碳含量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，成為國(guó)際上第3顆具有高精度溫室氣體探測(cè)能力的衛(wèi)星。2018年，我國(guó)首顆碳衛(wèi)星獲取的第一幅全球二氧化碳分布圖對(duì)外公布。該分布圖有助于準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)二氧化碳的時(shí)空變化，在碳排放數(shù)據(jù)上知己知彼，對(duì)提升我國(guó)在國(guó)際氣候變化方面的話語(yǔ)權(quán)具有重要意義。 畢竟，管理大氣問(wèn)題也不能一直聽(tīng)人說(shuō)，也要有自己的經(jīng)驗(yàn)和方法。

中國(guó)的溫室氣體監(jiān)測(cè)

我國(guó)位于亞洲季風(fēng)區(qū)，是受全球變暖影響較大的區(qū)域之一。我國(guó)在應(yīng)對(duì)全球變暖問(wèn)題上一直做著積極的努力。自20世紀(jì) 90 年代開(kāi)始，我國(guó)首先在青海瓦里關(guān)站開(kāi)展溫室氣體觀測(cè)。該站是WMO/GAW 的31個(gè)全球大氣本底觀測(cè)站之一，也是目前歐亞大陸腹地唯一的大陸型全球本底站。中國(guó)的科研人員也在溫室氣體濃度觀測(cè)、源匯分析、溫室氣體與全球變暖關(guān)系分析，以及未來(lái)氣候變化預(yù)測(cè)等多個(gè)方面，做出了巨大貢獻(xiàn)。

2019年5月，第一屆中國(guó)溫室氣體監(jiān)測(cè)研討會(huì)在北京召開(kāi)，約200位科研和技術(shù)人員交流介紹了自己的工作。比如，利用內(nèi)蒙古的二氧化碳剖面測(cè)量結(jié)果，直接觀測(cè)到大氣傳輸和平流層- 對(duì)流層的物質(zhì)交換;對(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)高強(qiáng)度氫氟碳化物排放的研究;對(duì)珠江三角洲地區(qū)的背景大氣二氧化碳和潛在源區(qū)測(cè)量;通過(guò)地基傅里葉變換紅外光譜儀和Picarro 光譜儀的測(cè)量，首次揭示了河北廊坊香河地區(qū)甲烷的時(shí)空分布和垂直分布;對(duì)近地面臭氧的觀測(cè);用狗尾巴草監(jiān)測(cè)城區(qū)碳排放等。

人類對(duì)溫室氣體的認(rèn)識(shí)是不斷深化的：1861年，英國(guó)物理學(xué)家丁達(dá)爾發(fā)現(xiàn)，大氣溫室效應(yīng)是由含量很少的水汽和二氧化碳貢獻(xiàn)的;1896年，瑞典物理化學(xué)家阿倫尼烏斯首次通過(guò)自己設(shè)計(jì)的氣候變化模型計(jì)算了溫室效應(yīng)，提出二氧化碳濃度增加1倍，全球溫度將升高6℃。今天，我們認(rèn)識(shí)到了更多種類的溫室氣體，對(duì)氣候變化機(jī)制的理解也更加深刻。根據(jù)2013年發(fā)布的IPCC《第5次評(píng)估報(bào)告》給出的評(píng)估結(jié)論，二氧化碳濃度增加1倍，全球升溫3℃（±1.5℃）。大氣中溫室氣體濃度的監(jiān)測(cè)也是一項(xiàng)復(fù)雜而繁重的工作，它集研究、工程、設(shè)備、組織于一體，目前依然存在許多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，但從100多年前粗糙的二氧化碳觀測(cè)，到現(xiàn)在的地基、天基、衛(wèi)星一體化的觀測(cè)網(wǎng)建立，其未來(lái)的發(fā)展值得期待。