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氣候理論的溯源

有關地球變暖的結論并不是所有的人都相信的。因為世界太大，各個地方的人們對于氣候變化的感覺和期望是不一樣的。在低緯度地區的人們希望地球不要變暖的時候，高緯度地區的人們卻希望地球變暖來得更猛烈一些。受多種因素的影響，海平面的上升在各地的表現也不一樣。
　　理論比現象更有說服力。透過現象看本質，就是要尋找科學規律，而科學規律的總結就是科學理論。
　　為了更好地驚人醒世，很多仁人志士和天才們，圍繞著氣候變化的本質，踏上了艱苦而卓絕的探索之路。這種探索是一個漫長的過程。有意思的是，關于氣候變化本質的理論，其形成過程可謂是“無心插柳成蔭”。
　　這個過程，首先要從一代偉人拿破侖說起。
　　1798年6月22日的深夜，法國埃及遠征軍的司令官拿破侖站在法國軍艦東方號的后甲板上。此刻，地中海的海風溫暖而柔和，就像他的故鄉科西嘉，帶著新鮮葡萄和橄欖油的味道。這次拿破侖要攻擊的目標是地中海對岸的埃及——這個歷史上赫赫有名的文明古國。拿破侖希望能夠重現他的偶像亞歷山大當年的輝煌，這也意味著要控制住法國最強大的對手英國與其最富裕的殖民地印度之間的聯系通道。
　　為了實現這個雄偉的目標，拿破侖派出了13艘戰列艦、329艘運輸船——裝載著38000名法國最優秀的陸軍官兵。盡管在這場遠征埃及的戰役中，拿破侖的海軍不敵英國納爾遜勛爵指揮的海軍，全軍覆沒，最終使得拿破侖敗走麥城，但在征服埃及的陸地戰爭中，拿破侖的軍隊還是取得了巨大的勝利。拿破侖的天才之處在于他具有超越時空的眼光，在這支遠征軍的隊伍中，拿破侖帶上了一批法國科學院的院士和科學家。
　　拿破侖遠征埃及的成果，帶給科學界的遠比帶給法國政府的多。
　　在拿破侖帶到埃及的法國科學家中，有一位叫讓·巴蒂斯特·約瑟夫·傅里葉（1768～1830），是一位著名的法國數學家物理學家和埃及學家，他最早使用定積分符號，改進符號法則及根數判別方法，是傅里葉級數（三角級數）創始人。
　　1768年3月21日，傅里葉出生于法國中部歐塞爾的一個裁縫家庭，8歲時淪為孤兒，后來他就讀于地方軍校，1795年任巴黎綜合工科大學助教。1798年，傅里葉隨拿破侖軍隊遠征埃及，成為拿破侖的得力助手。
　　傅里葉的埃及之行，既是其人生道路的重大轉折，也給他帶來了一輩子的痛苦。因為受到拿破侖器重，回法國后，隨著拿破侖的得勢，而被任命為法國格勒諾布爾省省長，成為了一名名副其實的高干。但也是在埃及期間，傅里葉不幸患上了一種病，叫做黏液水腫——一種總是讓人感覺非常寒冷的疾病，因此，不管在什么天氣情況下，他都必須穿上一件厚厚的大衣。在長期穿大衣的過程中，傅里葉天才的光芒開始閃現。傅里葉的研究，改變了人類對大氣層的認知。
　　傅里葉在1820年開始思考一個之前人類從來沒有思考過的問題，那就是地球的熱量是從哪里來的。在長期的思考研究之后，他得出了一個結論：盡管地球確實將大量的熱量反射回太空，但大氣層還是保留了其中的一部分并將其重新反射回地球表面。他將此比做一個巨大的鐘形容器，頂端由云和氣體構成，能夠保留足夠的熱量，使得生命的存在成為可能。為此，他寫出了一篇名垂青史的論文，題目叫做《地球及其表層空間溫度概述》。這篇論文發表于1824年，而在此之前，由于對熱傳導理論的巨大貢獻，他于1817年當選為法蘭西科學院院士，1822年成為科學院終身秘書。遺憾的是，傅里葉1824年發表的這篇論文并沒有被看成是他的最佳之作。這篇現在我們看來光芒萬丈的論文，在發表的時候，沒有引起任何一點兒反應，幾乎成為了傅里葉一項自娛自樂的研究成果。
　　現在的科學技術已經充分證明了傅里葉的這個研究成果。地球之所以擁有熱量，不至于使地球表面平均溫度處于零下15攝氏度，而是很適合人類生存的零上15攝氏度，要充分感謝地球表面的大氣層，感謝大氣層中的溫室氣體。因為地球紅外線在向太空輻射的過程中，被地球周圍大氣層中的某些氣體或化合物吸收，這才最終導致地球表面溫度普遍上升，所以這些氣體的功用和溫室玻璃有著異曲同工之妙——只允許太陽光進，而阻止其反射，進而實現保溫、升溫作用，因此它們被稱為溫室氣體。其中既包括大氣層中原來就有的水蒸氣、二氧化碳、氮的各種氧化物，也包括近幾十年來人類活動排放的氯氟甲烷、氫氟化物、全氟化物、硫氟化物等。種類不同，吸熱能力也不同，每分子甲烷的吸熱量是二氧化碳的21倍，氮氧化合物更高，是二氧化碳的270倍。不過它們和人造的某些溫室氣體相比就不算什么了，目前為止，吸熱能力最強的是氯氟甲烷和全氟化物。
　　人類歷史的轉折點，常常源于偉大人物和天才們瞬間迸發的靈感。很多人和牛頓一樣都躺在蘋果樹下休息，但大部分人只看到了蘋果掉下來，牛頓卻在思考為什么蘋果不能飛上去，進而得出了萬有引力定律，為人類的科學史翻開了具有里程碑意義的新篇章。同樣，對于地球為何能夠有熱量存在這一問題的回答，也來源于傅里葉天才般的靈感迸發。他的這一發現，直接開啟了人類關于氣候變化的系列理論的建立，也構筑出了如今最熱的低碳概念的理論基礎。
　　在傅里葉逝世29年后的1859年6月10日，也就是查爾斯?達爾文的著作《物種起源》問世6個月前，物理學家約翰?廷德爾在倫敦皇家學會進行了一系列不同尋常的實驗演示。演示會由阿爾貝親王親自主持。即便如此，無論是阿爾貝親王、廷德爾，還是臺下那些受人景仰的聽眾，都無法預料到150年后這次實驗的結果將在多大程度上影響世界。廷德爾在實驗室里測試了傅里葉提出的理論。他證明熱能輻射（即今天我們所謂的長波輻射）的確可以被某些氣體所吸收，二氧化碳就可以起到這種作用。1859年，廷德爾用優美凝練的語言對溫室效應進行了描述：“大氣吸收了入射的太陽熱量，但卻阻止了這些熱量的散失，其結果造成了熱量在地表的逐漸聚積。”也因為廷德爾這個實驗，現在世界上有了一個對氣候變化研究頗有影響的英國廷德爾氣候變化研究中心。看來，人只要做對了事情，只要選對了方向，總會被歷史記住的。
　　真正讓傅里葉的心血發揚光大的還是一位比廷德爾影響更大的天才。他就是瑞典物理化學家斯文特?阿列紐斯。每一位化學愛好者都應該知道這一等式：k=Ae-E　/RT。它描述了化學反應速率（k）與溫度（T）以及反應活化能E　之間的關系。這個方程式就以他的名字命名為阿列紐斯方程式。
　　與同時代眾多的科學大師一樣，阿列紐斯從小就表現出了卓越的天賦。3歲起，在沒有父母引導的情況下，阿列紐斯開始了自學。8歲的時候，他直接進入了當地的教堂學校，從五年級開始讀書，并在數學和物理方面展現出超人的才華。之后他進入了烏普薩拉大學，從事化學方面的學習和研究。1884年，阿列紐斯向學校提交了長達150頁的博士論文，但遺憾的是，教授們并沒有給出太高的評價，這篇論文只獲得了D，在其努力抗議之下才被重新評定為C。頗具諷刺意味的是，他在這篇論文基礎之上進行了進一步研究，并于1887年提出了關于電解質在水溶液中部分離解成完全自由的離子的阿列紐斯理論。這個理論是物理化學發展初期的重要發現，為此，他獲得了1903年的諾貝爾化學獎，而同年的諾貝爾物理獎得主則是大名鼎鼎的居里夫人。
　　生活在瑞典這個冰天雪地世界中的斯文特?阿列紐斯，一直非常渴望能夠看到更多的陽光，沐浴在溫暖中。在讀過傅里葉的論文后，斯文特?阿列紐斯很有觸動，在1896年率先提出了溫室效應學說。阿列紐斯提出了由于人類使用化石燃料，向大氣排放二氧化碳，將使地球表面溫度不斷升高的觀點，并給出了二氧化碳排放與大氣溫度之間的定量關系：如果二氧化碳的數量以幾何級數增加，那么大氣溫度將以算術級數增長。他研究出了第一個用以計算二氧化碳對地球表現溫度影響的理論模型。他得出的結論是，如果大氣層中的二氧化碳含量減少約40%，地球表面溫度就會下降4～5攝氏度，并可引發一個新的冰川期。同理，大氣層中的二氧化碳含量翻番的話，地球表面溫度就會上升5～6攝氏度。
　　他還估計，大概需要3000年的時間來燃燒礦物燃料，才能使大氣層中的二氧化碳含量翻番。那時小冰川期大概已近尾聲，對于一個習慣了當時斯堪的納維亞半島寒冷冬天的人而言，天氣逐漸變暖似乎是一個令人振奮的前景，完全沒有現在人類對地球變暖的擔憂。
　　1908年，斯文特?阿列紐斯在著作《形成中的世界》中進一步指出：由于工業的迅速發展，大氣中二氧化碳的比重在未來幾個世紀中會增加到引人注目的程度。將人類的活動與大氣溫度聯系到一起是一個天才的發現。即使是天才，阿列紐斯也只算到當時的二氧化碳與溫度變化的關系，只設想到需要3000年的時間來燃燒礦物燃料，才能使大氣中二氧化碳的含量翻番。
　　或許阿列紐斯沒有想到的是，歷史的變化會如此迅猛，人類的發展會如此快速。阿列紐斯于1927年逝世，半個多世紀之后，他的一個科學主張竟然會意外地成為一場曠日持久的氣候之爭的焦點，并進一步引發了一場浩大的低碳革命。
　　在阿列紐斯發表其計算結果幾年后，得克薩斯州的斯平德托普油田突現于世，然后又在得克薩斯州和俄克拉何馬州發現了其他儲量豐富的油田。亨利?福特的T型汽車取代馬匹的速度比任何人預想的都要快得多，而愛迪生發明的電燈也推動了人類社會對電力生產的需求。礦物燃料燃燒量增加的速度遠遠超過了阿列紐斯的預測，人類排放到大氣中的二氧化碳急速增加。
　　但正沉醉在工業革命取得的偉大建設成就而沾沾自喜的民眾，沒有人再去研究阿列紐斯的這個研究成果，也沒有人關心二氧化碳排放是否會引起地球氣候的變化。
　　但英國的蒸汽工程師喬治?卡倫德除外，他于1938年發表了一篇文章，題目為《人為生成的二氧化碳及其對氣溫的影響》。卡倫德根據1880～1934年間從世界各地200個氣象站收集來的數據，計算出當時地球的氣溫已經升高了0.55攝氏度。他預計，由于二氧化碳不斷被排放到大氣層，21世紀地球的表現溫度將會上升1.1攝氏度。
　　卡倫德是一名業余氣候學家，蒸汽工程師的身份使他在物理學和動力學方面受過良好的職業訓練，并且在沒有自動化計算的條件下，卡倫德能夠從全球范圍內的大量天氣數據中發現規律，這也體現了一名工程師出色的分析和歸納能力。
　　但在那個時候，世界氣候學界論資排輩的現象很嚴重。那些正宗的氣候學家們，看不起這個不是科班出身的卡倫德，認為他只是在自以為是地自娛自樂。為此卡倫德的研究，一直沒有進入主流氣候學界。歷史依舊保持著公正，后來的主流科學家將人類活動產生的二氧化碳對氣候變化的影響定義為“卡倫德效應”。這一舉動意味著卡倫德的貢獻最終得到了科學和歷史的認可。
　　1944年，人類活動對氣候變化影響的研究正式離開傅里葉、阿列紐斯這種天才式的玩票性質，正式告別卡倫德這樣的草根研究階段，進入主流科學家的視野。當時，英國著名的氣候學家戈登?曼利注意到了卡倫德研究工作的價值。不過，那時的主流科學家們似乎太在意卡倫德低微的科學出身了，沒有多少人真正重視一位業余愛好者的結論。直到1954年，美國一名26歲的年輕學者查爾斯?基林虛心請教了卡倫德，在其工作的基礎上正式開始了對溫室效應的研究。
　　在基林開始研究溫室效應問題的時候，科學界已經從理論上認識到，大氣中二氧化碳的含量會因為煤、石油等化石燃料的燃燒而出現全球尺度的變化。但對于由人類活動增加的二氧化碳，到底是會累積在地球大氣中還是被海洋和陸地植被所吸收則沒有任何認識。基林的研究正好破解了這個核心問題。
　　1928年4月20日出生于美國賓夕法尼亞州的基林，按照現在的標準來說，絕對是個好青年。他謙虛，所以能夠不顧自己科班出身，低下頭向卡倫德這個草根請教。1948年，他在伊利諾伊大學獲得化學和同位素地球化學專業學士學位，1954年他在美國西北大學獲得博士學位后，來到加州技術研究所做博士后，開展地球化學方面的研究時，開始對觀測大氣中二氧化碳的含量問題感興趣。
　　基林是被時任加州大學斯克里普斯海洋學研究所主任的羅杰?雷維爾欽點招進這個研究所的。斯克里普斯海洋學研究所是世界上在海洋學研究方面最好的研究所之一，而雷維爾則是1957～1958年國際地球物理年（IGY）的創立者之一，國際地球物理年是世界各國同時對地球物理現象進行聯合觀測的一次活動。
　　羅杰?雷維爾因為對基林的欣賞，在國際地球物理年中特意資助基林在夏威夷的冒納羅亞火山上建立了一個氣象觀測基地。基林從1958年開始，在這個基地上用自己發明的設備收集二氧化碳樣本，并取得了一系列成果。1961年，他提出了著名的“基林曲線”，這一曲線清楚地表明：大氣中二氧化碳的含量一直在穩定的增長。基林所收集的數據創造了世界上對大氣中二氧化碳含量水平連續觀測時間最長的紀錄，這項工作為全球氣候變化的研究打下了可靠的基礎。
　　加州大學斯克里普斯海洋學研究所所長查爾斯?肯內爾甚至認為，科學史上有三次科學觀測產生了重大改變：第谷?布拉赫的行星觀測導致牛頓重力理論；阿爾伯特?邁克耳遜關于光速的觀測讓愛因斯坦創造了相對論；而基林對大氣中二氧化碳的觀測則搭建了今天對氣候變化問題的深刻反省。
　　基林也因此獲得了諸多殊榮。2002年，74歲的基林獲得了美國總統喬治?布什頒發的國家科學獎，這是美國科學界代表最高榮譽的終生成就獎。
　　圖1-1著名的基林曲線（圖中照片為冒納羅亞火山氣象觀測基地）
　　有了基林的研究做基礎，在接下來的20年里，針對全球氣候變暖的分析迅速增加。在1975年的《科學》雜志上，哥倫比亞大學的華萊士?E.布勒克爾預測，在下個十年期間，全球氣候變暖的趨勢將會大幅增長。兩年后，美國國家科學院發表了一篇題為《能源與氣候》的報告。報告稱，對于可能存在的全球氣候變暖問題，我們既不應當恐慌，也不應當無動于衷，而是要加強這方面的研究。
　　同年，威廉?凱洛格和瑪格麗特?米德發表了《大氣：已經并正處在危險中》一文。作者在文中要求制定一部《空氣法》，以使各個國家都同意將其二氧化碳的排放量減少至某個共同商定的標準。這可以說是后來舉世聞名的《京都議定書》的基礎。
　　隨著20世紀70年代的過去及80年代的到來，老天爺似乎一心要應驗人們的預測似的。中緯度冰川退縮的速度從每年30米增加到了每年40米。1979～1994年期間，阿拉斯加寒冷的北坡布魯克斯嶺腳下圖利克湖的水溫上升了5.4攝氏度。北極的冰蓋萎縮了6%，雪線也持續升高，有關大氣層的計算機模型預測的結果顯示的變暖程度更甚。
　　1987年，聯合國、加拿大和世界氣象協會共同發起召開了一次會議，來自于46個國家的共330位科學家和決策人聚集在一起，最后發表了一份聲明。聲明說，“人類正在全球范圍內無意識地進行著一場規模巨大的實驗，其最終后果可能僅次于一場全球性核戰爭”。他們進而敦促發達國家立即采取行動，減少溫室氣體的排放量。
　　歷史轉折點出現在1988年。在很多中國人的記憶里，那一年屬于精彩的漢城奧運會。但在應對氣候變化的歷史上，這一年敲響了全球氣候變暖的警鐘。這是有史以來最熱的一年，超過了20世紀80年代中曾創下短暫的高溫紀錄的另外三個年頭，69個美國城市，還有莫斯科，分別創下了最高的單日高溫紀錄。在洛杉磯，溫度計的水銀柱指向了43攝氏度，一天之內有400個變壓器爆炸。而美國中西部則遭受了自20世紀30年代“黑風暴”事件以來最嚴重的旱災，黃石國家公園似乎快要燃燒起來了。
　　在這一年期間，詹姆斯?漢森——美國國家航空航天局戈達德太空研究所主任，在美國參議院能源和自然資源委員會上作證時說：“溫室效應的存在業已查明，此時它正改變著我們的氣候。”他百分之九十九地相信，當時的高溫表明確有天氣變暖的趨勢，而不僅僅是自然變化。他補充說：“我們正在以不正當的手段破壞氣候。”可以說，由漢森這樣的專家在美國參議院莊嚴的會議廳中所作的這番陳辭，標志著人類阻止全球氣候變暖的行動真正開始了。
　　在無數媒體的聚光燈下，這場作證讓漢森戴上了應對氣候變化問題的意見領袖的帽子。從此，這位意見領袖成為了最激進的低碳主義者。在他的眼里，后來宣布退出《京都議定書》的美國總統小布什幾乎是世界上最邪惡的人。
　　就在這個酷熱的夏季，聯合國環境規劃署與世界氣象組織一同在多倫多召開會議，決定成立政府間氣候變化專門委員會。這標志著對地球變暖的研究從以前的個人單槍匹馬的行為，轉化成一種集中全世界所有頂尖科學家的集體研究。政府間氣候變化專門委員會匯集了全球的科學家，對氣候變化的科研成果進行評估，為政治決策提供科學基礎。至此，科學研究進入政治層面，評估范圍逐步擴展，氣候分析日漸深入，對各國氣候談判的演進提供了科學基礎。
　　參與政府間氣候變化專門委員會的科學家有數千名之多，為此政府間氣候變化專門委員會制定了非常規范的管理辦法，設立了嚴格的組織機構。政府間氣候變化專門委員會是一個政府間機構，它向聯合國環境規劃署和世界氣象組織的所有成員國開放。在大約每年一次的委員會全會上，與會者就它的結構、原則、程序和工作計劃作出決定，并選舉主席和主席團。政府間氣候變化專門委員會設有三個工作組：第一工作組評估氣候系統和氣候變化的科學問題；第二工作組的工作針對氣候變化導致社會經濟和自然系統的脆弱性、氣候變化的正負兩方面后果及其適應方案；第三工作組評估限制溫室氣體排放和減緩氣候變化的方案。除此之外，政府間氣候變化專門委員會還設立了一個國家溫室氣體清單專題組。每個工作組（專題組）設兩名聯合主席，分別來自發展中國家和發達國家，其下設一個技術支持組。
　　政府間氣候變化專門委員會本身并不從事科學研究，但會對全世界每年數千篇已出版并已通過細審的氣候變化文獻進行評估，每5年左右歸結成評估報告發布。每份報告都凝結了數千名科學家的研究成果。到現在為止，政府間氣候變化專門委員會總共發布了4份評估報告。這4份評估報告，就成為了政府間氣候變化專門委員會登上世界舞臺的最具殺傷力的武器。每次使用這一武器，都引起全球的巨大轟動。
　　1990年政府間氣候變化專門委員會第一次評估報告確認了針對有關氣候變化問題的科學基礎。報告序篇《給決策者摘要》一文中，第一次將“人類活動導致全球氣候變暖”作為主流理論提出。這標志著，人類對于地球變暖的主流理論最終建立。它促使聯合國大會作出制定《聯合國氣候變化框架公約》（UNFCCC）的決定，該公約于1994年3月生效。
　　1995年發布的第二次評估報告證實了第一次報告的結論，并進一步指出，人類活動對全球氣候變化具有可辨識的影響。
　　2001年發布的第三次評估報告進一步證實氣候變化不可避免，指出近50年的全球氣候變暖主要是由人類活動大量排放的二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等溫室氣體的增溫效應造成的，并將氣候變化與可持續發展聯系起來。第二次和第三次評估報告，為1997年《京都議定書》通過以及2005年《京都議定書》生效鋪平了道路。理論開始發揮指導實踐的價值。
　　在政府間氣候變化專門委員會發布的第三次評估報告中，誕生了一條和“基林曲線”具有同樣影響力的曲線。美國賓夕法尼亞州立大學年輕的氣候學家邁克爾?曼繪制的新的溫度分布圖榮登首頁的重要位置，這就是著名的“曲棍球棒”圖表。邁克爾?曼等根據全球儀器測量紀錄及從冰芯、石筍、珊瑚、樹木年輪等自然資料中獲得的歷史氣候數據，建立了近千年來的北半球溫度序列。邁克爾?曼強調近千年來北半球溫度處于緩慢下降的過程中，直至20世紀才突然上升，并把這條曲線形象地比喻為“曲棍球棒”。其中心思想是，20世紀地球變暖是近千年來前所未有的，所以20世紀地球變暖是人類活動影響造成的，也就是溫室效應加劇的結果。
　　2007年2月，政府間氣候變化專門委員會發布的第四次評估報告指出，氣候變化發生的程度比之前估計的要高，其負面影響比之前估計的還要嚴重，近50年全球氣候變暖超過90%的可能性是由人類活動（尤其是化石燃料的使用）引起，氣候變化“極可能”是人為因素引起的。如果說此前氣候變化與人為因素之間的關系及其影響在科學上還存在不確定性，最新的評估報告則打消了這種不確定性，表明全球科學層面，大多數科學家對人類活動對氣候變化的負面影響已達成共識。
　　這份報告提到，如果想要逆轉氣候災難，需要將大氣中的溫室氣體濃度穩定在450～550ppmppm，一百萬體積的空氣中所含污染物的體積數。——編者注二氧化碳當量。這就要求到2050年，全球溫室氣體的排放量在現在的基礎上削減25%，甚至更多。
　　至此，從1824年到2007年，人類用長達183年的時間，總算在主流的科學界，建立了一套基于地球變暖問題的科學理論。

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