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[小红猪]二氧化碳与气候Comments>>

发表于 2010-04-08 00:23 | Tags 标签:,

原文 合作译者:Ent和绵羊c      校对:田不野    给Ent5朵花,绵羊c4朵

前言:请注意,请一定注意!这是一次“挖坟”行动,这是一个“出土文物”。本文并不是发表于哥本哈根后的2010年,而是1956年,在绝大部分在阅读本文的读者出生之前。这一年,毛主席说要“百花齐放,百家争鸣”;这一年,老舍写了《茶馆》;这一年,艾森豪威尔同学又当了美国总统;这一年,日本爆发水俣病……,这一年发生了很多事情都成了过去。如果要评选一个话题能让人从1956年谈论到2010,那非得是“二氧化碳和气候”莫属。而且,更让人惊奇的是,五十年前科学界的声音,在今天听起来依然那么靠谱(虽然其中有些数据和理论需要更新了,但是我们没有修改,请批判阅读);五十年前科学界的声音,在今天,依然没有被众多民众所耳熟能详,这到底应该说是庆幸,还是悲哀?

1956年的问题,请不要再延续到2056年。

一篇1956年发表于《美国科学家》(American Scientist)的文章探讨了气候变化的问题;近期的两个评注指出这篇文章与目前的环境问题密切相关。

一直以来科学家都很热衷于解释气候变化的问题。自有地质记录以来,至少十分之九的时间里地球的平均温度都高于它现在的温度。在这些温暖期之间则是长达几百万年的大冰期,大冰期之间大约间隔两千五百万年。但目前我们更感兴趣的是近六十年间的气候变暖。

关于气候变化的理论数不胜数。那么有没有可以解释大部分已知气候状况的理论呢?目前最广为接受的解释包括地球接收到太阳能的变化,大气中火山灰含量的变化,以及大陆平均海拔的变化。尽管这些因素可能在特定时期特定地点影响地球的气候,但是没有一个可以较全面地解释全球性气候变化状况。

二氧化碳造成气候变化的理论是50年前最被认可的理论,但是近年来它的拥护者减少了。尽管如此,最近的研究仍表明通常被提出以反对这个观点的理论都是不成立的。所以也是时候重新考虑大气中二氧化碳含量的变化问题,以及它是不是可以为众多全球性的气候变化提供令人满意的解释。

由于地球表面和大气层中的温度相对较低,所以由地球向太空辐射的波段实际上集中在红外段。所以知道大气中的哪些成分主要吸收红外波就十分重要。大气中含量最多的气体分别是氧气、氮气和氩气,但是这三种气体几乎不吸收红外辐射。如果我们的大气中只有这三种气体的话,地球的气候将会比现在冷的多,地球表面的热辐射会毫无阻拦的冲向太空,导致地球表面降温更快。

幸运的是,另外三种气体也相对少量的存在于大气中:二氧化碳,水蒸气和臭氧。不像那些在空气中含量丰富的气体,这三种少量气体却是吸收红外波的主力军。大气中二氧化碳的浓度约为0.03%(体积比例),并且通过精确测量可知它的分布相当均匀。水蒸气和臭氧在大气中的比例也很低,但是确切数值会随时间地点而变化。

二氧化碳、水蒸气及臭氧的红外吸收能力在很大程度上决定了我们的气候。它们的作用经常被拿来与温室对比。太阳光穿过透明玻璃将热能带进温室,但植物与其他物体发出的红外形式的热能大部分都被玻璃阻隔。热能被有效的存留在温室内,温度也自然比外面高得多。

类似的,地球表面的温度受到大气在可见波段和红外波段的透过性控制。太阳射向地球表面的能量主要以可见光形式存在,所以在晴朗的天气里,大气透明度高,几乎所有的可见光频段都可以透过,太阳的能量衰减很少。但是如果想要温暖的气候,热能就必须被保持在靠近地球表面的位置,并且不能立刻被辐射出去。大气对于大部分红外频段的波都是不透或者部分不透的,这要感谢前文所述的三种含量不多的气体。因此地球表面辐射出的能量不能自由的冲向太空,不然地球表面就不会像现在这样温暖。大气之于地球就像玻璃之于温室。二氧化碳理论声称,随着二氧化碳含量升高,大气可以阻挡的能量波段将会变宽,辐射出去的能量将会更有效的被阻挡在地球表面,从而导致温度升高。最新计算表明如果大气中的二氧化碳量加倍,地球表面温度将上升3.6摄氏度;如果二氧化碳量减半,那地球表面温度将下降3.8摄氏度。

二氧化碳理论是于1861年由Tyndall首次提出的。最初的计算只能用非常粗略的方法完成。由于二氧化碳的存在,吸收光谱的谱线可多达上千条,由于每条谱线的强度宽度不同,它们的图谱都非常复杂。甚至由于谱线的强度和宽度会随着温度和压力变化,大气中不同高度的谱线图样都是不同的。直到最近,精确的红外测量法的出现、理论的发展以及高速电子计算机的应用才解决了这个问题,使得准确测量二氧化碳对地球表面温度的影响成为可能。

水蒸气某种程度上与二氧化碳的吸收区间相同,这也是反对二氧化碳理论的基础。根据这个理论可知,水蒸气的吸收力如此强大,即使二氧化碳浓度改变,辐射出的能量应该都不至有什么变化。但是这个结论是建立在早期计算的基础上的,这些计算只是复杂的大气红外能量流动的粗略近似。近期更加精确的计算分析了这两种气体吸收谱的详细结构,发现他们在红外吸收上基本是互相独立的。有两个重要原因支持这个结果:(1)二氧化碳和水蒸气谱线的频段基本没有什么相互联系,所以这些谱线并不会因为谱线位置相近而重叠;(2)水蒸气本就很低的浓度会随着高度增加而急剧下降,但二氧化碳的浓度却基本是均匀分布的。基于第二个原因,即使在地球表面水蒸气的吸收力在某个吸收区间强过二氧化碳,那么稍高于地表的高度上二氧化碳的作用就会强过水蒸气很多。通过谨慎的估算可以发现由于二氧化碳造成的全球气温变化,不会因为水蒸气的红外吸收作用而降低超过20%。

二氧化碳理论还有一个更进一步的反对观点:二氧化碳吸收带的中央频段在大气中是完全不透的,二氧化碳含量的变化不会影响它的红外吸收。如果针对于二氧化碳吸收带中心左右各一微米的波段来说,这句话是完全正确的。但是这个理论忽略了二氧化碳除了这部分完全吸收波段之外的数百条谱线。由于二氧化碳含量造成的能量吸收差异,在部分透过的波段是最为显著的;地表温度所带来的吸收差异也是由这些波段决定的。

由此可以发现,似乎不存在一种理论可以从根本上反驳二氧化碳改变气候论。不仅如此,这个理论提出,二氧化碳含量虽然会变化,但只要这个变化在合理范围内,所造成的温度变化已经足以明显的改变气候。不妙的是平均温度的小小变化就可以对气候造成相当大的影响。例如很多权威机构预估过,假如平均温度降低1.5到8度,地球表面的很多区域将再次被冰川覆盖。类似的,平均温度只要上升4度,那地球的大部分地区都会变成热带气候了。

在讨论二氧化碳如何影响气候的细节之前,有必要先了解一下影响二氧化碳平衡——包括海洋与大气的二氧化碳交换——的各个因素。

大气中二氧化碳的最大消耗者是光合作用,每年大约要消耗60 x 109吨。在稳定状态下,由呼吸作用和腐烂的动植物遗体所释放出的二氧化碳量应该是完全等同于消耗量的,但前提是没有形成新的煤炭,石油和其他有机沉降物。至少目前来看,损失量非常之小(每年0.01 x 109吨),在实际情况中基本可以忽略不计。如果这个吸收释放二氧化碳的稳定状态被干扰了,例如,大气中的二氧化碳含量忽然增加,那么光合作用消耗的二氧化碳也会增加。不过在几年之后,腐烂的遗体和呼吸作用释放的二氧化碳也会随之增加。在光合作用中被用掉的碳元素大约在10年之内会被生物圈返还回大气,所有碳原子返还的时间大约是250年。算上所有会影响二氧化碳平衡的因素,这个有机世界会在几年之内重归平衡。

无机世界中最重要的两个影响因素,一个是由温泉、火山和其他地球内部来源释放出的二氧化碳,一个是火成岩在风化过程中形成的碳酸盐。现在这两个过程刚好基本互相平衡。第一个