探究气候变暖的原因(1)
进入2014年，北半球的东西两边呈现出冰火两重天的景象。北美入冬以来的平均气温较常年同期明显偏低，特别是美国中西部和加拿大大部分地区气温偏低更为明显。2014年元旦之后，强暴风雪袭击了全美三分之一以上的地区，美国东北部和中西部部分地区积雪厚度达60厘米，多个地区刷新最低气温历史记录。与此同时，欧亚北部地区整体大幅偏暖，在强风暴雪肆虐美国大部分地区的2014年1月2日，俄罗斯莫斯科的平均气温为2℃，而通常莫斯科1月份的日平均气温为-10℃左右。我国新疆北部、内蒙古北部和东北部、东北西部等地的气温也较常年偏高，部分地区偏高4℃以上。在气温偏高的背景下，华北地区的降水异常偏少，较常年同期偏少8成以上，是1951年以来的历史第二低值。北京地区自2013年秋季以来连续100多天没有有效降水出现，2014年1月1日元旦当天的气温更是高达13℃，是自1951年有气象记录以来的最热元旦，比去年同日偏高近16℃。
从更长的时间尺度看，气候系统的各种观测资料都表明，近百年来的全球气候变暖已经是无可争辩的事实。
, 百拇医药
2013年9月，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布了第五次气候变化评估报告第一工作组报告，报告用来自大气、海洋、冰川的多种指标从多方面证实了全球气候变暖的事实，这些事实是在全面分析多种观测数据的基础上所得出的确凿结论，也已得到国际社会和科学界的广泛认同。IPCC第五次评估报告第一工作组报告各章引用文献总计超过1万篇，其中被引用的“最古老”的论文发表于1896年。这篇论文的题目是“论空气中碳酸对地面温度的影响”，作者是瑞典科学家阿伦尼乌斯。当时的科学界把大气中的二氧化碳称为碳酸。这篇论文之所以重要，是因为这是人类历史上首次量化计算大气中二氧化碳浓度对温度变化的影响。这一开创性的工作进行得非常辛苦，花费了阿伦尼乌斯大约1年时间。
大气中二氧化碳浓度增加能带来多大幅度升温
事实上，阿伦尼乌斯这篇论文的初始目的并不是为了解决大气中二氧化碳浓度增加引起的全球变暖问题。这是因为，以当时人类向大气中排放二氧化碳的速度来计算，大气中二氧化碳浓度增加50%需要3000年时间：阿伦尼乌斯估计当时每年由于人类活动排放到大气中的二氧化碳只占大气中二氧化碳总量的千分之一，并且人为排放的二氧化碳中又有六分之五被海洋吸收，只有六分之一滞留在大气中。阿伦尼乌斯进一步计算得出，这3000年内大气中二氧化碳浓度增加50%将引起3℃多的增温，相当于人类活动造成的增温为每年0.001℃。因此，阿伦尼乌斯认为，尽管他的计算还存在不足之处，如由于对一些碳循环的过程缺乏定量了解导致尚不能精确给出地面温度升高的速度，但大气中二氧化碳含量的增加是事实，这有可能影响到许多代以后的子孙后代的环境。
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阿伦尼乌斯没有料到的是，后来大气中二氧化碳浓度增加的速度远比他预测的快得多。1896年前后大气中的二氧化碳浓度还不到300ppm(大约295ppm左右)，一个世纪之前的1800年前后，大气中的二氧化碳浓度约为280ppm，相当于100年内增加了5%左右；而一个世纪之后的2012年，全球大气中二氧化碳的平均浓度达到了393ppm，100多年的时间内增加了30%以上。如果与工业化前的1750年相比，则在不足300年的时间内大气中二氧化碳的平均浓度增加了40%以上，这比阿伦尼乌斯所计算的3000年增加50%的速度快了近10倍。
那么，阿伦尼乌斯发表这篇论文的最初目的是什么？我们知道大气中的二氧化碳是一种温室气体，这种温室气体具有“温室效应”，也就是说它像玻璃温室一样，可以让太阳辐射穿透并加热温室内部，却对温室内辐射的长波具有阻挡作用，从而使温室内部保持较高的温度。虽然阿伦尼乌斯并不是第一个提出温室效应概念的科学家，但他的这篇论文在人类历史上第一次量化计算出了二氧化碳浓度变化后所引起的全球温度变化幅度。促使他从事这项研究的目的是为了解释历史上冰期和间冰期循环的机制问题。现在我们知道，地球历史上存在10万年左右的冰期和间冰期循环，这主要是由于地球轨道参数的变化引起的，因为地球轨道参数的变化决定了地球接收太阳辐射的多少，太阳辐射变化会通过各种机制引发周期为10万年左右的冰期和间冰期循环。
, 百拇医药
但阿伦尼乌斯认为，地球轨道参数的变化不是引起冰期和间冰期循环的原因，大气中二氧化碳浓度的变化才是冰期和间冰期变化的主要原因。当时有一种科学观点认为，冰期和间冰期之间的温度差要求大气中的二氧化碳浓度至少存在50%以上的变化，但这需要相关的资料和模型来计算验证。阿伦尼乌斯计算后最终得出的结论是：如果大气二氧化碳浓度下降三分之一，则全球温度将下降3℃以上；如果大气中二氧化碳浓度增加50%，则全球温度将升高3℃以上；如果大气中二氧化碳浓度增加100%，则全球温度将升高5℃以上。他的计算还表明，如果大气中二氧化碳浓度增加，则地球上陆地与海洋之间、赤道和温带之间、夏季和冬季之间、白天和夜晚的温差都会减小。
阿伦尼乌斯的计算结果表明，大气中的二氧化碳若以几何级数增加，则全球温度将以算术级数增加，即大气中二氧化碳浓度增加50%引起3℃的平均升温等同于大气中二氧化碳浓度减少33%引起3℃的平均降温。据此外推，可得到大气中二氧化碳浓度增加一倍将引起5℃以上的平均升温，增加两倍后将引起8℃以上的平均升温。
, 百拇医药
当然，由于受观测资料和模型的限制，阿伦尼乌斯在计算中对水汽的反馈和二氧化碳的辐射效应都存在不同程度的高估。但不管如何，他根据不完全的数据所得出的计算结果表现出了惊人的真实性。直到20世纪60年代之后，计算机技术的发展使得人们开发复杂的气候模式进行海量计算变为可能，科学家才根据气候模式计算了大气二氧化碳增加所引起的全球增温幅度，现在一般称大气二氧化碳浓度加倍所引起的全球增温幅度为“平衡气候敏感性”，也就是大气二氧化碳浓度增加1倍达到平衡状态后会引起的全球平均升温幅度。1967年，美国大气海洋管理局(NOAA)的科学家真锅首次使用自己所开发的全球大气辐射对流模型得出大气二氧化碳浓度增加1倍后会引起全球升温2.3℃；20世纪70年代，真锅又开发出了三维全球大气环流模式(GCM)对气候敏感性进行计算，这种三维气候模式考虑了水文要素变化的作用，如雪盖和海冰对气候变化的反馈作用。该三维模式的计算结果表明，在考虑了雪盖和海冰对气候变化的反馈作用后所计算的气候敏感性为3℃左右，稍大于根据辐射对流模型所得出的计算结果。, 百拇医药(黄磊)
从更长的时间尺度看，气候系统的各种观测资料都表明，近百年来的全球气候变暖已经是无可争辩的事实。
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2013年9月，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布了第五次气候变化评估报告第一工作组报告，报告用来自大气、海洋、冰川的多种指标从多方面证实了全球气候变暖的事实，这些事实是在全面分析多种观测数据的基础上所得出的确凿结论，也已得到国际社会和科学界的广泛认同。IPCC第五次评估报告第一工作组报告各章引用文献总计超过1万篇，其中被引用的“最古老”的论文发表于1896年。这篇论文的题目是“论空气中碳酸对地面温度的影响”，作者是瑞典科学家阿伦尼乌斯。当时的科学界把大气中的二氧化碳称为碳酸。这篇论文之所以重要，是因为这是人类历史上首次量化计算大气中二氧化碳浓度对温度变化的影响。这一开创性的工作进行得非常辛苦，花费了阿伦尼乌斯大约1年时间。
大气中二氧化碳浓度增加能带来多大幅度升温
事实上，阿伦尼乌斯这篇论文的初始目的并不是为了解决大气中二氧化碳浓度增加引起的全球变暖问题。这是因为，以当时人类向大气中排放二氧化碳的速度来计算，大气中二氧化碳浓度增加50%需要3000年时间：阿伦尼乌斯估计当时每年由于人类活动排放到大气中的二氧化碳只占大气中二氧化碳总量的千分之一，并且人为排放的二氧化碳中又有六分之五被海洋吸收，只有六分之一滞留在大气中。阿伦尼乌斯进一步计算得出，这3000年内大气中二氧化碳浓度增加50%将引起3℃多的增温，相当于人类活动造成的增温为每年0.001℃。因此，阿伦尼乌斯认为，尽管他的计算还存在不足之处，如由于对一些碳循环的过程缺乏定量了解导致尚不能精确给出地面温度升高的速度，但大气中二氧化碳含量的增加是事实，这有可能影响到许多代以后的子孙后代的环境。
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阿伦尼乌斯没有料到的是，后来大气中二氧化碳浓度增加的速度远比他预测的快得多。1896年前后大气中的二氧化碳浓度还不到300ppm(大约295ppm左右)，一个世纪之前的1800年前后，大气中的二氧化碳浓度约为280ppm，相当于100年内增加了5%左右；而一个世纪之后的2012年，全球大气中二氧化碳的平均浓度达到了393ppm，100多年的时间内增加了30%以上。如果与工业化前的1750年相比，则在不足300年的时间内大气中二氧化碳的平均浓度增加了40%以上，这比阿伦尼乌斯所计算的3000年增加50%的速度快了近10倍。
那么，阿伦尼乌斯发表这篇论文的最初目的是什么？我们知道大气中的二氧化碳是一种温室气体，这种温室气体具有“温室效应”，也就是说它像玻璃温室一样，可以让太阳辐射穿透并加热温室内部，却对温室内辐射的长波具有阻挡作用，从而使温室内部保持较高的温度。虽然阿伦尼乌斯并不是第一个提出温室效应概念的科学家，但他的这篇论文在人类历史上第一次量化计算出了二氧化碳浓度变化后所引起的全球温度变化幅度。促使他从事这项研究的目的是为了解释历史上冰期和间冰期循环的机制问题。现在我们知道，地球历史上存在10万年左右的冰期和间冰期循环，这主要是由于地球轨道参数的变化引起的，因为地球轨道参数的变化决定了地球接收太阳辐射的多少，太阳辐射变化会通过各种机制引发周期为10万年左右的冰期和间冰期循环。
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但阿伦尼乌斯认为，地球轨道参数的变化不是引起冰期和间冰期循环的原因，大气中二氧化碳浓度的变化才是冰期和间冰期变化的主要原因。当时有一种科学观点认为，冰期和间冰期之间的温度差要求大气中的二氧化碳浓度至少存在50%以上的变化，但这需要相关的资料和模型来计算验证。阿伦尼乌斯计算后最终得出的结论是：如果大气二氧化碳浓度下降三分之一，则全球温度将下降3℃以上；如果大气中二氧化碳浓度增加50%，则全球温度将升高3℃以上；如果大气中二氧化碳浓度增加100%，则全球温度将升高5℃以上。他的计算还表明，如果大气中二氧化碳浓度增加，则地球上陆地与海洋之间、赤道和温带之间、夏季和冬季之间、白天和夜晚的温差都会减小。
阿伦尼乌斯的计算结果表明，大气中的二氧化碳若以几何级数增加，则全球温度将以算术级数增加，即大气中二氧化碳浓度增加50%引起3℃的平均升温等同于大气中二氧化碳浓度减少33%引起3℃的平均降温。据此外推，可得到大气中二氧化碳浓度增加一倍将引起5℃以上的平均升温，增加两倍后将引起8℃以上的平均升温。
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当然，由于受观测资料和模型的限制，阿伦尼乌斯在计算中对水汽的反馈和二氧化碳的辐射效应都存在不同程度的高估。但不管如何，他根据不完全的数据所得出的计算结果表现出了惊人的真实性。直到20世纪60年代之后，计算机技术的发展使得人们开发复杂的气候模式进行海量计算变为可能，科学家才根据气候模式计算了大气二氧化碳增加所引起的全球增温幅度，现在一般称大气二氧化碳浓度加倍所引起的全球增温幅度为“平衡气候敏感性”，也就是大气二氧化碳浓度增加1倍达到平衡状态后会引起的全球平均升温幅度。1967年，美国大气海洋管理局(NOAA)的科学家真锅首次使用自己所开发的全球大气辐射对流模型得出大气二氧化碳浓度增加1倍后会引起全球升温2.3℃；20世纪70年代，真锅又开发出了三维全球大气环流模式(GCM)对气候敏感性进行计算，这种三维气候模式考虑了水文要素变化的作用，如雪盖和海冰对气候变化的反馈作用。该三维模式的计算结果表明，在考虑了雪盖和海冰对气候变化的反馈作用后所计算的气候敏感性为3℃左右，稍大于根据辐射对流模型所得出的计算结果。, 百拇医药(黄磊)