互动科普

人类行为造成全球变暖这一观点看似荒谬，实则是正确的。令我猛地出现这一想法是在1976年夏天的一个下午，在纽约长岛的琼斯海滩，我同妻儿中午到达海滨，找到一处近水的地方好避开灼热的沙滩。傍晚时分，太阳落山了，一般凉爽的劲风从大洋吹来阵阵白浪，我跟儿子沿着泛起泡沫的海岸赶忙跑开，望着那滚滚翻腾的波涛，不禁因寒意浑身都齐了鸡皮疙瘩。

同年夏天，在美国航空航天局戈达德空间研究所（NASA Goddard Institute for Space Studies），我同Andy Lacis及其他一些同事估算了温室气体对于气候的影响。当时人们已经清楚地了解到，各种人为的温室气体，尤其是二氧化碳及氯氟烃（CFCs）一直在大气层中不断积累。这些气体是对气候的“施扰因素”，即施加于地球能量收支上的一种扰动。就像大气层中盖了一张毯子，这些气体吸收了本应从地球表面及大气中逸出到太阳的红外热辐射。

我们小组计算出这些人为温室气体正在加热地球表面，其比率几乎是每平方米2瓦能量。我们知道圣诞树上的一盏小灯泡大约消耗1瓦电能，绝大部分是以热的形式散耗的。因此仿佛人类在地球表面上每平方米放置了两盏这样的小灯泡，日夜不熄。

看似荒谬实则有理的情况在于，计算所给出的结果提供了一种悬殊的对比，即在令人畏惧的大自然力量和小电珠之间存在着必然联系。的确，这些小灯泡微弱的加热既不能兴风作浪，也不能抚平我们的鸡皮疙瘩，甚至它们对于海洋表面的加热作用也令人察觉不到，这些热肯定会迅速消散到大洋深处；因此必须要经过许多年，或许要若干个世纪，才能最终使海洋表面变热。

这种表面看似荒谬实则有理的观点，如今大部分已经得到证实，方法是通过对地球气候历史的研究。气候史揭示出，一些持续足够长久的微小力量，能够引起气候的巨大变迁，而且它与历史上的证据是一致的。地球在最近几十年间已经开始变暖，其变暖速率与一些气候模型所预计的速率相符，这些模型都考虑了认为温室气体在大气层中的积累作用。随着冰川在世界范围内的消退，北冰洋的海冰变薄，春天的到来比我成长时的1950年代要提前大约一周时间，气候变暖正在形成引起人们关注的影响。

然而有许多问题还未解决，例如在未来几十年间气候将改变多少？实际后果将是怎样？对此我们能做些什么？由于与经济利害关系密切相关，对于这些问题的争论是要高度负责的。

要对全球变暖进行客观分析，需要在三个问题方面具有定量的知识：气候系统对施扰因素的敏感度，人类正在介入的施扰因素，以及气候对于施扰作出响应需要多久的时间。所有这些问题都可以借助全球气候模型来进行研究，这些模型全部利用电脑进行数字模拟。但是至少迄今为止，我们关于气候敏感度的最精确的知识，仍是基于来自地球史的实证数据。

历史的教训

在过去的几百万年，地球的气候经历过在冰期与温暖的间冰期之间反复多次的波动。南极大陆的冰盖内保存了40万年间的温度记录，这个冰盖除了沿海岸的边缘外，即使在最温暖的间冰期也没有融化。该记录[见47页图]表明，目前的间冰期（全新世）已经有大约有12000年，相当久远了。

自然界以千年为尺度的气候变迁是伴随着地球轨道的变动而缓慢变化的，地球的轨道变动是由于其他行星，主要是木星、土星（因为它们的质量很大）及金星（因为距地球非常近）的万有引力所致。这些扰动很难影响太阳对地球的年平均入射能量，但它们能改变太阳入射能（或称日射率）的地理及季节分布，其程度高达20%。长时期的日射率变化能影响冰盖的形成与融化。

日射率及气候的改变也会影响植物、土壤及海洋对二氧化碳及甲烷的吸收与释放。气候学家们目前正在发展一种有关随着地球的变暖，海洋与陆地释放出二氧化碳及甲烷的吸收与释放。气候学家们目前正在发展一种有关随着地球的变暖，海洋的陆地释放出二氧化碳及甲烷的机理的定量认识，但是古气候数据已经是一个有关此类信息的宝库。通过对冰期气候变迁这一最关键问题的深入了解，可以提供有关气候敏感度的一种实证度量。

年复一年的降雪形成了南极大陆和格陵兰的冰盖以及很多山地冰川，从封闭在冰雪内的空气微泡中可以精确得知冰期大气的成份。另外，冰期时的冰盖、植被及海岸线的地理分布如今都已经过勘测。从这些数据我们得知，在冰期与今天之间，气候施扰因素的变化量大约是每平方米6.5瓦。这一施扰因素使全球温度改变了5℃（9华氏度），也就意味着气候敏感度为每瓦每平方米0.75±0.25℃。尽管几种气候模型也得出了相似的气候敏感度，但该实证结果更为精确可靠，因为它包含了在真实世界中相关的所有作用，甚至包括那些我们尚未在各种模型中足以精准地加入进去的那些作用。

这些原始数据为我们提供了另一个重要的深入认识，即地球轨道的变化引发了气候变迁，而所有发生气候变迁是由于大气及地球表面特性的改变，因此全球的能量平衡也随之变化所致。如今这些大气及地球表面特性更多地是受到人类影响，已经超过了地球轨道变动的影响。

当今气候施扰因素

最近的几个世纪中，气候施扰因素的最大变化是由于人为的各种温室气体所造成的。大气中各种温室气体吸收热辐射，而阻止其逸出到太空去，其结果是这些气体造成了众所周知的毯子变厚效应，它们使更多的热量返回到地面，而不是让其逸入太空，因此地球辐射到太空中的能量较之于从太阳吸收的能量要少。这种地球能量的暂时失衡，结果造成了地球逐渐变暖。

由于海洋具有吸收热的巨大容量，使得地球大约在经历了一个世纪后才能够达到一种新的平衡；也就是说，地球再一次把它从太阳接收到的能量数额与辐射到太空中去的能量额变得相同。当然，这种平衡时建立在一种更高温度层面上的；在此期间，当它达到新的平衡前，会有更多的施扰因素加入进来。

最重要的单一人为温室气体是二氧化碳，它主要来自于燃烧化石燃料（包括煤炭、石油及天然气）；其他人为温室气体的综合效应与之不相上下。这些其他气体，尤其是对流层臭氧以及包括甲烷在内的前身物质，都是烟雾中的成分，而烟雾直接危害着人类健康及农业生产。

气溶胶（空气中的微小颗粒）是另一主要的人为气候施扰因素，其作用较为复杂。一些“白色”气溶胶如硫酸盐，来源自化石燃料中的硫，具有较高的反射性，因此可以减少太阳对地球的加热。而碳黑（煤烟灰）则是化石燃料、生物燃料及其他野外生物体不完全燃烧的产物，它吸收阳光，因而加热了大气层。这类气溶胶直接的气候施扰因素至少有50%是不确定的，部分原因是气溶胶的总量尚没有很好地得到测量，另一部分是因为它们的复杂性。

气溶胶能改变云团的性质，因此也产生了另一间接的气候施扰因素。它们生成的较明亮、存在时间较长久的云团，能够减少地球吸收的日光数量，因此气溶胶的间接作用是造成气候变冷的负面扰因。

其他的人为气候施扰因素还包括农田取代森林，由于森林即使地上覆盖着雪也是暗色的，因此林木的消退也减少了阳光的加热作用。

自然界的各种施扰因素，例如火山喷发及太阳亮度的起伏变化，这在以千年衡量的时间尺度上几乎没有任何扰动作用；但有证据显示，在过去的150年间，太阳亮度小幅变化，充其量不过达到每平方米不到0.1瓦的气候施扰作用。

自1850年以来，所增加的施扰因素净值是每平方米1.6±1.0瓦。尽管有较大的不确定值，但有证据表明，此估计值大致是正确的。证据之一就是在过去几十年间，观测到的全球温度与按这些施扰因素所推导出的气候模型相当吻合。更重要的是，在过去50年内观测到的世界海洋的热增量与估计的施扰因素净值是相符的。

全球变暖

自从1800年代后期开始广泛使用仪器测量至今，在此期间内地球平均表面温度已增加了大约0.75℃。其中大部分变暖时间发生在1950年以后，此期间升温值约为0.5℃。对在过去50年中所观察到的变暖原因可以很好地加以研究，因为当时大多数气候施扰因素都已被观测到了。尤其是从1970年代开始，对太阳、同温层气溶胶以及臭氧等进行了卫星测量。此外，人类活动造成的温室气体增加，有70%发生在1950年以后。

最重要的数值是地球能量的失衡[见51页图]。这种失衡是长期过程的结果，这一过程使海洋变暖了。因此我们得出结论：现在地球能量有某些失衡，其量值在每平方米0.5瓦至1瓦之间，也就是地球吸收的太阳辐射能大大多于它以热的形式发散到太空中的能量。即使大气成份不再进一步变化，地球表面也会因此最终继续升温0.4℃至0.7℃。

失衡能量中的大部分是进入海洋中的热量。美国国家海洋与大气管理局的Sydney Levitus分析了过去50年间海洋温度的变化，发现在过去50年中，世界海洋的热含量增加了大约每平方米10瓦·年。他还发现在今年间，海洋的热存储率与我们的估计是一致的，也就是说现在地球的能量失衡值在每平方米0.5瓦至1瓦左右。注意到足以使冰融化而让海平面升高1米所需要的热量是大约每平方米12瓦·年（就全球平均而言），这些数值的意义就是，如果地球的能量失衡达到每平方米1瓦，那么在12年内就能积累到这些能量。

根据模型得到的温度变化及海洋的热存储值与实际观测结果非常吻合，无疑使我们确信，目前观测到的全球气候变迁是由于自然界及人类活动施扰因素共同造成的。目前的海洋热存储率是至关重要的全球性度量标准，它不仅仅决定着已经进行中的全球附加变暖的量值，而且也等于为稳定当今地球气候所需要减少气候施扰因素的量值。

定时炸弹

1989年在巴西里约热内卢制定的联合国关于气候变化的框架协议，其目的在于稳定大气层成份，以“防止危险的人类影响干扰气候系统”，而且要以不破坏全球经济的方式达到这一目的。因此，构成“危险的人类影响”致使全球变暖的标准应予以明确，而这正是该问题至关紧要而困难的部分。

联合国成立了一个关于气候变化问题政府间研究小组（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC），负责分析全球变暖现象。该小组已经确定了气候施扰因素的几个未来前景方案，利用这些前景方案模拟21世纪的气候，并估计对温度的影响，以及降水量改变对于农业、自然生态系统、野生动物及其他事物的影响。IPCC小组估计，如果全球变暖达到几摄氏度的话，那么在100年内海平面变化将高达几十厘米。该小组计算的海平面变化主要是由于海水的热膨胀以及极地冰盖体积的轻微变化所致。

这些缓和的气候效应，即使伴随着温室气体的急剧增加，都给人们留下一种印象，即我们还没有面临危险的人类影响干扰到气候这种程度。然而我对此持有异议，我们实际上比一般人所意识到的要更接近于这种危险境地，因此应当强调缓解这些气候变化，而不是被动地去适应它们。

以我的观点，全球变暖中占支配地位的重大事件是海平面的改变，以及冰盖将以多快的速度崩解的问题。全世界人口中相当大部分是生活在仅高于海平面数米的范围内，还有价值数以万亿计美元的基础设施。为保护全球的海岸线，需要确定一个全球变暖的底线限制，到此限度就会构成“危险的人类影响”。

地球历史及当前人为的全球能量失衡，为有关海平面变化的前景共同绘制了一幅受到扰乱的画面。来自南极的温度记录数据表明，过去50年的气候变暖已使全球温度升高到了目前间冰期（全新世）以来的接近最高峰值处；加上一些正在进行之中的附加变暖，将会使我们处于通往地球最高温度水平的中途阶段。这个最高温度水平是指在全新世之前的一个间冰期即依米安（Eemian）期，该时期的气候要比全新世更加温暖，当时的海平面估计要比现今高出5至6米。只要施扰因素比目前的水平再多增加每平方米1瓦，便会使全球的温度达到依米安间冰期的大致最高水平。

现在主要的问题是，冰盖融化对于全球变暖的响应有多快？联合国IPCC小组计算了冰盖在100年内的轻微变化，然而IPCC小组的计算仅包括了降雪量，蒸发量及融化方面变化的逐步效应。在真实的世界中，冰盖的分崩离析是由高度非线性的作用过程及反馈所引发的驱动的。随着上一个冰期结束之后，冰川消退的峰值比率是一持续的融化比率，即每年融化的冰超过14000立方千米，这对应着大约每20年海平面上升1米，该速率持续了若干世纪。最迅速的融化时期与地球最迅速的变暖时间是一致的，也是可以测量到的。

在已经变暖的地球上，若已知当前异乎寻常的全球变暖比率，那么我们就能预计在格陵兰岛上及南极大陆边缘处，夏季融化及降雨的地区将会扩展到更大区域。海平面上升其本身就有举高海冰棚的倾向，而海冰棚是支撑着大陆冰的。海平面上升动摇了海冰棚，使其脱离固着点。随着冰棚的破裂，加速了陆冰朝向海洋的运动。虽然冰川的形成是缓慢的，然而一旦冰盖开始崩溃，它的消亡则会是惊人的迅速。

人类引发的全球性能量失衡，为冰的融化提供了丰富的能量供给。另外冰盖被碳黑等气溶胶所遮暗，因此冰盖对太阳光的吸收愈为强烈，更增添了对融冰的能源补充。而且由于融冰水使得冰的表面变暗，又形成了融冰的正反馈过程。

当然，所有这些考虑并不意味着我们预期，在今后的不多年月中海平面就会有很大的变化。冰盖加速崩溃的前提条件是需要长久的时间，或许要许多个世纪。（NASA最近发射的ICESat测冰卫星，能够探测出冰盖加速崩溃的早期征兆。）如果整个地球的能量失衡继续增加，我预计显著的海平面上升将会更早地开始。有一点看来是明确的，那就是在未来几代人期间，超过某种限度的全球变暖将会造成海平面不可避免的巨大变化。而且一旦发生了大规模的冰盖崩溃，实际上将不可能使其停止。堤坝可以保护有限的地域，诸如纽约曼哈顿及荷兰，但是全球海岸线的绝大部分将会被淹没。

我认为，危险的人类影响其程度大小很可能是由能量失衡多少所确定的，即由全球的温度及地球能量辐射失衡确定影响程度。在这种失衡条件下，不容忽视的冰川消退变得实际上是不可避免的。基于古气候的证据，我建议附加的全球变暖其最高的谨慎水平应不多于约1℃，这意味着附加的气候施扰因素应不超过大约每平方米1瓦。

气候施扰因素预警方案

考虑到人口增长、经济发展及能源状况等，基于这些繁杂的背景条件，联合国IPCC小组为21实际确定了多个气候施扰因素的未来预警方案。该小组估计，在今后50年内增加的气候施扰因素，单就二氧化碳而言是每平方米1瓦到3瓦；若再包括其他温室气体及气溶胶作用，则气候施扰因素是每平方米2至4瓦。基于我们的标准判断，即或是IPCC小组的最低附加施扰因素，也会造成危险的人类影响干扰气候系统。

然而IPCC小组描述的情景可能是过于悲观了。首先，他们忽略了在排放中的变化（有些减少排放的行动已经在进行之中），因为人们担心全球变暖而已经采取了措施。其次，他们设想实际空气污染情况将会继续恶化、到2050年时臭氧、甲烷及碳黑污染都比2000年要大。第三，他们低估了在今后50年间可以减少温室气体排放的技术进展。

为确定这些预警方案的另一变通途径，是考察各种气候施扰因素在当地的发展趋势，追寻这些观测到的因素何以正在改变，同时尝试搞清是否一些合理的行动能够有助于进一步改变其增长率。

温室气体气候施扰因素的增长率在1980年代初期达到峰值，其量值为每10年每平方米约0.3瓦。施扰因素的减少首要原因是减低了含氯氟烃的排放量，因为含氯氟烃对于同温层臭氧具有破坏作用，目前已经逐渐停止了该化合物的生产。由于含氯氟烃已经减少，二氧化碳及甲烷成为最重要的两种温室气体。二氧化碳排放的增长率在二次世界大战后陡增，从1970年代中期到1990年代中期涨势趋平，近些年间平缓上升，目前的增长率约为每年百万分之二。在过去20年里，甲烷的增长率急剧下降，至少减少了三分之二。

这些增长率是与全球化石燃料使用率相关联的。从二次世界大战结束直至1975年期间，化石燃料废气的排放率每年增长超过4%，而其后则每年仅增加1%。化石燃料增长率的这一变化发生于石油禁运及1970年代的油价增长以后，随之强调了提高能源效率。甲烷的增长率也受到了其他因素的影响，这其中包括水稻耕作的变化，以及在废物填埋及采矿作业等活动中增加措施收集甲烷气体。

如果这些温室气体按目前的增长率继续下去，那么添加的气候施扰因素在今后50年间将会达到每平方米大约1.5瓦，对这一量值还必须加入因其他施扰因素如大气层臭氧及气溶胶等引起的变化量。这些施扰因素就全球范围而言还未得以很好的监测，然而已经知道，在一些国家其数量正在增加，而同时在另一些国家则有所减少，其净效果应当是不大的，然而它能增添每平方米多达0.5瓦的能量。因此，如果排放量仍不降低，那么在今后50年内人为的气候施扰因素就会增加到每平方米近2瓦的数量。

这一气候施扰因素“当前趋势”的增长率是处在IPCC小组预计值的低端，其预计范围在每平方米2瓦至4瓦之间。而IPCC小组的每平方米4瓦的预警方案则要求二氧化碳排放年幂指数增长率达到4%，且持续50年，以及空气污染大幅增加，而这种情景是令人难以置信的。

然而，这一“当前趋势”的预警方案已经大于了每平方米1瓦的水平，这个水平是我建议的作为评估当前我们是否处于“危险的人类影响”而设定的判断标准所做的最佳估计。由此提出了一个问题，是否还有另一种具有更低气候施扰因素的可行未来预警方案。

光明的未来

我研究开发出了一个专门替代的未来预警方案，在该预测模型内增加的气候施扰因素在最近50年内约保持为每平方米1瓦。它包含有两个内容：第一是终止或逆转空气污染的增长势头，尤其是对煤烟、大气臭氧及甲烷；第二是在今后50年间，化石燃料的二氧化碳排放量一直保持平均值，与今天的数量大体相仿。在此预计方案中，二氧化碳及非二氧化碳部分是同等重要的。我相信这些考虑是切实可行的，而且与此同时要保护人类健康并增加农业产量。

在论及空气污染时，我们应当着重于那些对全球变暖影响最大的物质成份，甲烷便是其中之一。如果甲烷的人为来源得以减少，那么甚至可能会使大气中的甲烷数量也有所减少，这就为地球变凉提供了条件能够部分抵消二氧化碳增加的影响。减少碳黑气溶胶有助于抵消硫酸盐气溶胶减少而造成的增热效应。除了甲烷，大气层臭氧的前身物质，特别是二氧化氮及各种挥发性有机化合物都应予以减少，以期减少低空大气层的臭氧，它是烟雾的首要成份。

为减少甲烷所需采取的各种行动，诸如在垃圾填埋场和在废弃物管理部门，以及在化石燃料开采期间对甲烷进行截留收集，这些行动都具有经济效益，从而部分地补偿了耗费的开销。在某些场合下，甲烷作为燃料的价值完全支付了收集截留的费用。减少碳黑也会有经济效益，它既可减少生命及工作年限的损失（微小的煤烟颗粒携带有毒性的有机化合物及金属成份，能进入到人的肺叶中），又能在世界上相当多的地方增加农业产量。碳黑的首要来源是柴油燃料及生物燃料（例如木柴及牛粪），为了健康的原因，这些来源需要予以处理。借助于各种改进的技术，柴油可以被燃烧得更干净。但是还有更好的解决办法，例如使用氢燃料，可以彻底消除臭氧的前身物质及煤烟。

提高能源效益及增加使用可再生能源，可以在近期遏止二氧化碳排放量的增长。由于能源使用将继续上升，所以长时期减少二氧化碳的排放量是一场很大的挑战。这项工作的进展应广开途径，包括继续提高能源效益，更多地使用可再生能源，以及使用产生很少或没有二氧化碳的新技术，或者是能截留或分离二氧化碳的新技术。如果公众能够接受的话，下一代核能源可以发挥重要作用。在2050年以前，还会出现许多目前我们想象不到的新技术。

在过去几年间所观测到的全球二氧化碳及甲烷的排放趋势[见52页图]表明，真实世界的有关量值实际上低于IPCC小组所有的预警方案。但所观测到的这种较低的增长率究竟仅是一种侥幸，很快就会回到IPCC小组所预计的增长率，还是一种具有深远意义的根本差异，这些还有待于得到证实。与之相对照的是，我所提出的替代预警方案值与实际观测到的增长率是一致的。这并不奇怪，因为我是根据头脑中的观测结果来制定该预警方案的；而且自制定替代预警方案后三年，一直在按此方式继续进行观测。然而我并不认为，无需关心减少人为气候施扰因素所做的努力就能取代替代预计方案的结果。

如果气候的真实状况比人们一直所认为的更接近于达到危险的人类影响干扰气候的水平，那我还会感到乐观吗？如果我们把今天的情况同10至15年前的做一比较就会注意到，为遏止气候改变所需要的主要因素现在已经明显迅速地具备了。我知道稳定温室气体的浓度不是件容易的事，但我依然乐观，因为我期待着继续积累有关气候变迁及其影响的实证证据，而这将影响公众、公众利益团体、产业界及各级政府部门。问题是，我们的应对行动还来得及吗？

[林景新/译  赵庚新/校]