氣候，怎么會改變？

《發(fā)現(xiàn)全球變暖（增訂版）》

[美]斯潘塞·沃特 著 李虎 譯

中國科學技術出版社/2023.6/69.00元

[美]斯潘塞·沃特

科學史專家，美國物理研究所物理歷史中心名譽主任。著有《手握大權的科學家》等。

李虎

北京大學碩士，供職于自然資源部第三海洋研究所，廈門市科普作家協(xié)會理事。譯有《物種起源（現(xiàn)代注釋版）》《眾病之王：癌癥傳》《細胞叛變記》等。

這并非一個科學高歌猛進的故事，而是一段科學家如何在懷疑與否定中不斷前行的歷史。這也并非一個學科孤軍奮戰(zhàn)的故事，對于如此龐大而復雜的地球氣候系統(tǒng)，判斷其長期發(fā)展趨勢絕非易事，氣象學、天體物理學和海洋學等學科陸續(xù)投身其中，力求揭示這個與人類命運息息相關的系統(tǒng)全景。而今，面對全球變暖帶來的更多極端氣候，更多的探索、更多的行動正當其時。

從古至今，人們總是在談論天氣。但是在20世紀30年代，這個話題發(fā)生了不同尋常的轉變。老人們開始堅持說天氣真的不像以前了，他們童年記憶里19世紀90年代駭人的暴風雪、早秋時節(jié)冰封的湖面等等都結束了，年青一代趕上了好天氣。大眾媒體上開始涌現(xiàn)眾多文章，宣稱冬天真的變得溫和了。氣象學家仔細查看了自己的記錄，證實了這種說法：暖化的趨勢來了。專家們告訴科學記者說，霜凍晚了，幾百年來都不曾見過小麥和鱈魚的北部地區(qū)現(xiàn)在可以收獲小麥、捕獲鱈魚了。正如一本著名雜志在1939年所言：“年紀大的人說自己小時候的冬天更冷，他們很對……起碼就目前來說，世界是在變暖，搞氣象的人對此已經(jīng)確信不疑?！?/p>

沒有人為這種變化擔憂。氣象學家的解釋是天氣模式的適度變化總是存在的，其周期可長達幾十年或者幾百年。如果20世紀中期恰好是一個變暖時期，那還不賴呢。1950年一篇典型的大眾文章向人們許諾：“新的、廣闊的糧田將被開墾出來?！闭\然，如果變暖持續(xù)下去，可能會出現(xiàn)新的沙漠；海平面上升可能會淹沒海濱城市。但所有這些都僅僅是關于遙遠未來的多種推測而已，許多職業(yè)氣象學家則懷疑所謂的“全球性變暖的趨勢”是否真的存在。他們看到的不過是正常的、暫時的、地區(qū)性的波動。一篇雜志報道解釋說，如果真有變暖趨勢，“氣象學家并不知道目前的變暖趨勢將會持續(xù)20年還是2萬年”。

專家們的這種共識遭到了一個人的挑戰(zhàn)。1938年，蓋伊·斯圖爾特·卡倫德（Guy Stewart Call-endar）挺身而出，在倫敦的皇家氣象學會發(fā)言談論氣候?？▊惖掠悬c越俎代庖，因為他并不是職業(yè)氣象學家，甚至稱不上是科學家。他只是一名蒸汽動力工程師，研究氣候是他的業(yè)余愛好，他把大量業(yè)余時間用于匯集氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)，而他比任何人都更徹底地確認這些數(shù)據(jù)的確表明地球上許多地方在變暖。現(xiàn)在，卡倫德告訴氣象學家，他知道誰應該為變暖負責——是我們，是人類的工業(yè)！我們到處燃燒化石燃料，排放出千百萬噸的二氧化碳，正是二氧化碳在改變著氣候。

這種想法并不新鮮，因為19世紀基礎物理學已經(jīng)成形。19世紀初期，法國科學家約瑟夫·傅里葉（Joseph Fourier）曾經(jīng)問自己：是什么因素決定了像地球這種行星的平均溫度？這個問題看似簡單，其實不然，當時的物理理論剛剛達到能面對這種問題的程度。當陽光射到地球表面，給地球帶來溫暖的時候，為什么這顆行星不繼續(xù)升溫，直到和太陽本身一樣熱呢？傅里葉的回答是：受熱的地表發(fā)射出看不見的紅外輻射（一種常見的熱輻射的類型），把熱量送回了太空。但是，他利用自己的新理論方法計算紅外輻射的有關物理量之后，得到的溫度卻遠在冰點之下——要比實際的地球冷許多。

傅里葉認識到，理論計算結果和實際的差距是地球的大氣層造成的，大氣層以某種方式把紅外輻射留存住了。他試圖把籠罩著大氣層的地球比作一個被玻璃板覆蓋的箱子，陽光射入箱子，熱量跑不出來，箱子內(nèi)部就變熱。這個解釋看似有理，在傅里葉的時代，已經(jīng)有幾位科學家開始論述是“溫室效應”使得地球免于被凍僵。但這是個誤解，因為溫室能夠保溫是另一個原因——陽光加熱了溫室里的氣體，玻璃板可以保證被加熱的氣體不致散失。而傅里葉認識到，大氣層為整個地球保溫的方法更加精巧，大氣層的“高招”是攔截住從地表發(fā)出的部分紅外輻射，防止它們散發(fā)到太空中去。

這其中的道理被英國科學家約翰·丁達爾（John Tyndall）首先解釋清楚了。丁達爾對地球大氣層怎樣控制地球溫度的問題進行了深入的思考，不過當時大多數(shù)科學家認為紅外輻射可以穿透一切氣體，這種觀念妨礙了丁達爾的思考。1859年，他決定在自己的實驗室里驗證一下。他證實了紅外線的確可以穿透大氣層里的主要氣體——氧氣和氮氣，正當他想放棄實驗的時候，突然想到了用煤氣來嘗試一下。這種煤氣是通過加熱煤炭產(chǎn)生的，當時用于照明，他發(fā)現(xiàn)紅外輻射碰到這種氣體就像碰到了木板一樣，不能將其穿透。于是，通過丁達爾實驗室的煤氣噴嘴，工業(yè)革命宣告了自己對地球熱量平衡的意義。丁達爾繼續(xù)試驗了其他的氣體，發(fā)現(xiàn)氣體二氧化碳也不能被紅外輻射穿透——這是現(xiàn)在被我們稱為“溫室氣體”的其中一種。

地球大氣層中含有少量的二氧化碳，雖然只占萬分之三（按空氣中各成分的體積分數(shù)計算），但是丁達爾卻看出它能夠引起暖化。一張紙遮住的陽光要比一池清水遮住的陽光還多，與此類似，痕量的二氧化碳改變了整個大氣層的紅外輻射去向。從地表發(fā)出的大部分紅外輻射被空氣中的二氧化碳吸收，其熱量沒有散發(fā)到外層空間，而是被傳送回空氣里，不僅空氣被加熱了，大氣層保留的部分能量也輻射回來，從而加熱了地表。所以，有二氧化碳存在的地球，其溫度會維持在一個較高水平，比沒有二氧化碳存在的情況要高。丁達爾簡明地寫道：“正像攔河建壩會導致河水局部變深一樣，我們的大氣層攔截了絕大部分紅外輻射，導致地表溫度局部升高?！?/p>

丁達爾對這些研究的興趣起源于一門完全不同類型的科學——他希望解決當時科學家激烈爭論的一個謎題：史前冰期?！笆非氨凇钡闹鲝埩钊烁械椒艘乃?，但是它的證據(jù)卻雄辯有力。被侵蝕掉的巖層，北歐和美國北部隨處可見的奇怪碎石沉積，這些看起來和阿爾卑斯山冰川的作用一模一樣，只是規(guī)模更加浩大。在激烈的爭論中，科學家開始接受一個令人吃驚的發(fā)現(xiàn)——很久以前（雖然在地質(zhì)年代上來說并不特別久遠，因為石器時代的人類經(jīng)過了這個時代），地球北部地區(qū)曾經(jīng)被埋在厚達1.6千米的大陸冰蓋之下。這是什么導致的？

組成大氣層的氣體發(fā)生變化是一種可能，雖然可能性不大。在組成大氣的氣體中，二氧化碳并非“重要嫌疑人”，因為它在大氣中濃度很低。真正重要的“溫室氣體”是水蒸氣。丁達爾發(fā)現(xiàn)，水蒸氣能輕易地擋住紅外線。他解釋說，水蒸氣“是一個毯子，對于英格蘭的植物來說，這個毯子要比衣服對人的作用更必要。如果在一個夏夜把水蒸氣從空氣中拿走……太陽升起的時候，就只能照耀冰封霜凍的英格蘭島了”。所以，如果吸干了大氣層中的水分，冰期就會降臨。丁達爾推測，目前大氣層的平均濕度是由某種自動平衡維持的，全球溫度也是如此。

“史前冰期”之謎是1896年由瑞典斯德哥爾摩的科學家蘇萬特·阿列紐斯（Svante Arrhenius）提出來的。他說：假設大氣中二氧化碳的含量變了，比如火山的爆發(fā)噴出了大量二氧化碳，導致溫度略有上升，這種微小的升溫可能帶來嚴重后果——變熱的空氣中將保留更多水分，因為水蒸氣是真正強大的“溫室氣體”，濕度的增加將會極大地促進暖化。反之，如果所有的火山噴發(fā)恰好都停止了，二氧化碳最終會被吸收進泥土和海水，冷卻的空氣中將會保留較少的水蒸氣，這個過程可能會演化成一次冰期。