全球變暖的物理基礎(chǔ)和科學(xué)簡史 _大氣層

引言
全球氣候變暖已不是單純的學(xué)術(shù)問題，而是早已成為國際社會和各國政府所關(guān)心的政治問題。尤其是在政府間氣候變化專門委員會第4次評估報告(Theof thePanel on,通常簡稱)工作組被授予2007年諾貝爾和平獎和2009年所謂的“氣候門”)事件之后，全球變暖在社會上引起很大爭論，這些爭論很有些類似于核武器的出現(xiàn)所引起的關(guān)于物理學(xué)的爭論以及目前生命科學(xué)一些領(lǐng)域的發(fā)展與倫理道德的沖突所引起的爭論。一旦爭論超出了學(xué)術(shù)的范疇，全球變暖的科學(xué)基礎(chǔ)和許多概念都被模糊了，其科學(xué)歷史也被淡化了。本文的目的既不是為了澄清那些超出學(xué)術(shù)范圍的爭論，也不是為了維護(hù)全球變暖的觀點。相反，我們將介紹全球變暖的物理學(xué)基礎(chǔ)及其科學(xué)發(fā)展的歷史，目的是為了讓讀者對全球氣候變暖有一個全面的科學(xué)認(rèn)識。
雖然全球變暖在最近幾十年才成為熱門的研究領(lǐng)域，但認(rèn)識全球變暖的科學(xué)基礎(chǔ)在大約兩個世紀(jì)前就已開始建立了。從傅里葉在1827年首次提出地球大氣具有溫室效應(yīng)，到今天人們認(rèn)識到人類燃燒化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳(CO2)將導(dǎo)致全球氣候變暖，其間經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程.與其他科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展一樣，人類對全球變暖的認(rèn)識也經(jīng)歷了從最初的感性認(rèn)識到理論基礎(chǔ)的建立，再到逐步修正和完善的過程。這期間有幾個關(guān)鍵的步驟是與物理學(xué)的發(fā)展聯(lián)系在一起的，那就是量子力學(xué)理論和輻射傳輸理論的建立以及氣體分子輻射和吸收譜線的測定。正是由于現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展,大氣的溫室效應(yīng)、溫室氣體以及大氣中CO2濃度增加導(dǎo)致全球變暖等的堅實的科學(xué)基礎(chǔ)才得以建立。
在全球變暖科學(xué)近200年的發(fā)展歷史中，除了大氣科學(xué)家之外，許多物理學(xué)家、化學(xué)家和天文學(xué)家都做出了直接或間接的巨大貢獻(xiàn)，其中既包括一些舉世聞名的科學(xué)家，如傅里葉、丁鐸爾、阿倫尼烏斯、施瓦氏、錢德拉塞卡等，也有一些對公眾來說名字比較陌生的學(xué)者。我們將從本文中看到，即使如傅里葉這樣著名的學(xué)者，在構(gòu)建該科學(xué)領(lǐng)域的最初根基時，仍免不了犯一些錯誤，甚至是根本性的錯誤。但是瑕不掩瑜，這是科學(xué)認(rèn)知過程的必然，絲毫不沖淡這些科學(xué)巨人的聰明和智慧。
全球變暖的物理基礎(chǔ)
1大氣層的溫室效應(yīng)
大氣層的溫室效應(yīng)可以通過比較地球表面的實際觀測溫度和假定沒有大氣層存在的情況下的輻射平衡溫度來說明。假定沒有大氣層的存在,地球表面的輻射能量平衡可以用下面的公式來表示：
S0(1-α)πR2=4πR2σT4. (1)
這里的S0=-2是太陽常數(shù)，也就是太陽輻射在地球軌道的輻射通量，α=0.3,是地球的行星反照率，也就是30%的太陽輻射被反射回太空,只有70%的太陽輻射被地面吸收，R=是地球半徑， σ= 5.67*10-8Wm-2K-4是斯特蕃-玻爾茲曼常數(shù)，T是全球平均地表溫度。(1)式的左邊表示地球以圓形截面接收太陽的短波輻射，右邊表示地球以球面向太空輻射的紅外輻射。把上面所有的參數(shù)值代入(1)式，得到地表輻射平衡溫度是T =255K 。而觀測到的全球平均地表溫度是288K，這說明大氣層的溫室效應(yīng)把地表溫度升高了33K 。
我們也可以使用(1)式計算其他行星的輻射平衡溫度。例如,已知金星的行星反照率是0.78，太陽常數(shù)是-2，將其代入(1)式，得到金星的輻射平衡溫度是225K 。但金星的實際地表平均溫度大約是730K ，所以，金星大氣的溫室效應(yīng)將其表面溫度升高了大約500K 。這個數(shù)值比地球大氣的溫室效應(yīng)導(dǎo)致的溫度升高的數(shù)值要大得多，說明金星大氣的溫室效應(yīng)比地球強(qiáng)得多。這是因為金星大氣比地球大氣含有更多的CO2 。金星表面的大氣壓力是93個大氣壓，其中的95%是CO2 。對火星而言，其大氣層非常稀薄,其大氣壓強(qiáng)不足地球的百分之一，盡管其大氣中CO2的含量也高達(dá)96%，但其溫室效應(yīng)非常弱。
雖然我們形象地把大氣對地面的增溫作用比喻作玻璃溫室的保溫效應(yīng)，但它們之間既有相似的地方，也有本質(zhì)的不同。它們的相同點是，都允許太陽短波輻射透過，并且都阻擋紅外長波輻射透過,使地面得到加熱；不同點是,溫室玻璃阻擋了溫室內(nèi)外的熱力對流和熱量交換，而地球大氣層中則有熱力對流運動發(fā)生。當(dāng)大氣下層被加熱而產(chǎn)生向上運動時，下層的熱量被輸送到了大氣高層，同時由于大氣層的壓力隨高度的升高而降低，因此，下層的氣塊進(jìn)入高層之后由于體積膨脹而降溫。
2溫室氣體的分子結(jié)構(gòu)和輻射譜
大氣層具有溫室效應(yīng)并不意味著所有大氣成分都對溫室效應(yīng)有貢獻(xiàn) 。實際上只有幾種含量很少的痕量氣體具有溫室效應(yīng)，它們分別是：CO2、H2O、CH4、N2O 和O3等.這幾種氣體在大氣中所占的比例都非常小，通常被稱為痕量氣體。相反，大氣的主要成分N2和O2則沒有溫室效應(yīng) 。這些痕量氣體與N2和O2在溫室效應(yīng)上的差異，主要是由于它們的分子結(jié)構(gòu)決定的。圖1是4種溫室氣體的分子結(jié)構(gòu) 。CO2和N2O分子中的三個原子呈直線排列，該分子結(jié)構(gòu)決定了它們沒有永久性的偶極矩，因為無論從其哪一端來看都是相同的，因此，不可能有單純的轉(zhuǎn)動躍遷，也就是說沒有單純的轉(zhuǎn)動能量變化。但是，這種線性排列的分子有三種振動模態(tài)：對稱拉伸、非對稱拉伸和彎曲。當(dāng)分子結(jié)構(gòu)從基本態(tài)向任何一種振動態(tài)轉(zhuǎn)化時，都需要吸收一定的能量，根據(jù)量子力學(xué)的原理，吸收或放出的能量是量子化的，也就是Eυ=nhυ(n=1,2,3,…) 。振動躍遷需要的光子頻位于電磁波紅外波段，如CO2的振動躍遷所需要的光子波長大約在15μm附近(主要對應(yīng)于三種振動模態(tài)中的彎曲模態(tài)) 。雖然CO2分子沒有單純的轉(zhuǎn)動躍遷,但在產(chǎn)生振動躍遷時，會出現(xiàn)瞬時的偶極矩。所以，伴隨著振動躍遷，也有瞬時的轉(zhuǎn)動躍遷發(fā)生。這種振動-轉(zhuǎn)動躍遷所吸收或放出的光子對應(yīng)于一個較寬的頻率帶，而非一條線。水汽分子與CO2的分子結(jié)構(gòu)不一樣，不是直線排列的，具有永久的偶極矩，所以，水汽分子除了具有振動-轉(zhuǎn)動躍遷之外，還有單純的轉(zhuǎn)動躍遷。水汽有一個重要的振動-轉(zhuǎn)動吸收帶位于波長6.3μm處，另有單純的轉(zhuǎn)動模態(tài)位于波長大于12μm的紅外波段。
圖1 三原子分子結(jié)構(gòu)和振動模態(tài)示意圖
圖2是幾種溫室氣體對應(yīng)于太陽輻射和地球紅外輻射的吸收譜。N2O在4μm和7μm的地方有兩個強(qiáng)的吸收帶；O3除吸收太陽的紫外輻射之外，在9.6μm的紅外譜段也有一個強(qiáng)的吸收帶；CO2除了在15μm處有一個強(qiáng)的吸收帶，在2-4.5μm 的波段還有弱的吸收帶；水汽是一個強(qiáng)的吸收性氣體，從近紅外到7μm的波段散布著一些吸收帶。因為水汽具有單純的轉(zhuǎn)動躍遷，又因為轉(zhuǎn)動躍遷所需要的光子能量較低，所以水汽在12—200μm之間均有強(qiáng)的近乎連續(xù)的吸收帶。相對于這些溫室氣體而言，N2和O2僅吸收能量(頻率)很高的光子，并且一旦吸收這些光子，就被光解。例如，O2吸收波長小于200nm的光子，后被光解，O2光解后生成兩個氧原子，氧原子與氧分子結(jié)合生成O3 。
從圖2中可以看出，大氣層對太陽輻射(尤其是占太陽輻射大部分的可見光)基本是透明的，而對地球紅外輻射基本是不透明的。這也是大氣層具有溫室效應(yīng)的本質(zhì)所在。在地球紅外輻射的峰值附近(大約10μm附近)，地球紅外輻射可以相對多地穿越大氣層進(jìn)入太空，所以，這一波段通常被稱為“大氣窗口” 。
圖2 太陽和地球輻射譜以及各種溫室氣體的吸收率(橫坐標(biāo)是電子波的波長，縱坐標(biāo)是溫室氣體的吸收率。100%表示輻射能量完全被大氣吸收， 0%表示輻射能量完全不被大氣吸收) 。
3氣候系統(tǒng)的反饋機(jī)制
氣候系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng) ，包括各個分量之間的相互作用，例如，既包括大氣、海洋、陸地、冰雪之間的相互作用，還涉及物理、化學(xué)和生物等過程。當(dāng)其中一個分量發(fā)生變化時，這些相互作用將引起其他分量發(fā)生變化，并反饋給最初的變化，從而造成更大的變化。目前所關(guān)心的主要反饋過程包括：水汽正反饋、冰-雪反照率正反饋、云-輻射的反饋等。
水汽正反饋指的是，CO2增加導(dǎo)致地面和大氣溫度增加，造成更多的地表(海洋)液態(tài)水蒸發(fā)進(jìn)入大氣層，因為水汽本身也是溫室氣體，水汽的增加將使得地表和大氣溫度升高更多，從而導(dǎo)致更多的液態(tài)水蒸發(fā)進(jìn)入大氣層，產(chǎn)生更強(qiáng)的增溫，從而構(gòu)成一個正反饋的過程。例如，如果大氣是干空氣，單純的CO2加倍造成的地面增溫大約是1.1K，如果考慮水汽的正反饋，則CO2加倍造成的地面增溫將是5.2K 。
冰和雪的反照率比陸地和洋面大得多，洋面對太陽輻射的反照率一般小于0.1，陸地的反照率通常小于0.2，而冰的反照率一般大于0.6 ，雪的反照率大于0.8 。因此，冰和雪覆蓋面積的變化將造成地表接收太陽輻射能量的巨大變化。如果溫度升高造成冰-雪覆蓋面積減少，地表反照率將減少，地表接收太陽輻射增加，地表溫度升高，從而造成冰-雪覆蓋面積進(jìn)一步減少，溫度進(jìn)一步升高,構(gòu)成一個正反饋機(jī)制。以地球歷史氣候的長期變化為例，在冰川期和間冰期之間的氣候轉(zhuǎn)化過程中，冰-雪反照率正反饋起著至關(guān)重要的作用。以現(xiàn)代氣候變化為例，北極附近的變暖比全球其他地方的變暖幅度大得多，這也是因為北冰洋的海冰和周邊的雪蓋的正反饋在起作用。
地表對太陽輻射的平均反照率大約只有0.15 。但全球的天空平均大約有60%是被云層覆蓋的，正是云層的覆蓋，地球的行星反照率實際是大約0.3.相對于水汽和冰-雪反照率正反饋，云-輻射的反饋作用則比較復(fù)雜，因為低層的液態(tài)水云主要反射太陽輻射，降低地表溫度，而高層的冰晶云則允許太陽輻射透過，阻擋地球的紅外輻射，具有溫室效應(yīng) 。另外，云量的測定也是一件困難的事情。因此d3dwindower勾住用dll不存在什么意思，確定云-輻射反饋的強(qiáng)度和正負(fù)符號是非常困難的。云-輻射反饋是氣候變化研究中最不確定的因素之一。
全球氣候變暖的科學(xué)歷史
1傅里葉提出大氣具有溫室效應(yīng)
回顧全球變暖的科學(xué)歷史，通常可追溯到數(shù)學(xué)家傅里葉在1827年提出的地球大氣具有溫室效應(yīng)的論點。需要指出的是，傅里葉在提出這一論點時，他并沒有給出(1)式那樣的定量計算，而只是定性地論述了這一問題。這是因為當(dāng)時現(xiàn)代物理學(xué)的許多方面都還處于“嬰兒”階段。雖然紅外輻射早在1800年就被德國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn),但那時紅外輻射仍然被稱為“暗熱”(dark heat)或“暗輻射”(dark ) ，很類似今天所說的“暗能量” 。雖然已認(rèn)識到紅外輻射的強(qiáng)度隨溫度的升高而升高，并且知道紅外輻射可以穿越真空，但還不知道如何定量地計算紅外輻射傳輸。可見，當(dāng)時對紅外輻射的認(rèn)識還相當(dāng)模糊。盡管如此，傅里葉的論文提出了以下幾個重要的論點：(1)地表溫度是由其接受的能量與其失去的能量之間的平衡所決定的，因此，計算地表溫度需要首先確定其能量的源和匯；(2)地球表面的熱能有三個可能的來源：太陽光、地球內(nèi)部熱能的擴(kuò)散和傅里葉所定義的“太空溫度”()，傅里葉認(rèn)為地?zé)岬呢暙I(xiàn)可以忽略不計；(3)紅外輻射是地球熱能失去的唯一方式,因為紅外輻射隨溫度的升高而升高，所以，地表溫度將在得到的能量與失去的能量相等時達(dá)到平衡狀態(tài)；(4)可見光被地表和海洋所吸收,并轉(zhuǎn)化為紅外光；(5)地球大氣對太陽光是透明的，但對紅外輻射是不透明的。雖然傅里葉對這些問題的論述都是定性的，但他的第5個論點基本是我們今天對大氣的溫室效應(yīng)和溫室氣體的通俗描述，他的關(guān)于輻射能量平衡、地表溫度與輻射能量之間的關(guān)系、地球大氣的輻射傳輸特性和地?zé)岬淖饔玫鹊闹庇X認(rèn)識基本奠定了后來研究地表溫度問題的基礎(chǔ) 。在論述大氣層對地球表面能量所起的作用時，傅里葉曾用瑞士登山家de 發(fā)明的有玻璃蓋子的“熱箱”做比喻。傅里葉指出，大氣層就像該玻璃蓋子一樣，對太陽光是透明的，但對紅外輻射有阻擋作用，其效果很像玻璃溫室的效應(yīng)(如前所述，大氣層的溫室效應(yīng)與玻璃溫室的增暖效應(yīng)有著本質(zhì)的不同) 。
作為一位數(shù)學(xué)物理學(xué)家，傅里葉不可能對一個科學(xué)問題的論述僅停留在定性的層面，他最擅長的還是使用數(shù)學(xué)的語言來論證物理問題。傅里葉在論述地?zé)釋Φ乇頊囟鹊呢暙I(xiàn)時，其結(jié)論是通過嚴(yán)格的推導(dǎo)給出的。傅里葉根據(jù)金屬熱傳導(dǎo)的原理來計算地球內(nèi)的熱量向地表的擴(kuò)散，盡管他的計算過高地估計了地?zé)岬臒醾鲗?dǎo)，但其結(jié)論是，地?zé)釋Φ乇頊囟鹊呢暙I(xiàn)是非常微弱的，基本可以忽略不計。傅里葉還使用了地表溫度的周期性日變化和季節(jié)變化作為邊界條件計算地球次表層的溫度變化，正是根據(jù)這樣的計算，他后來發(fā)展出了我們今天稱之為傅里葉級數(shù)的重要數(shù)學(xué)分析工具。傅里葉還根據(jù)該計算正確地預(yù)測了地球次表層溫度的日變化隨土壤深度的加深而迅速衰減，但次表層溫度的年際變化隨深度的衰減要弱得多。我們知道，傅里葉最為重要的科學(xué)貢獻(xiàn)就是推導(dǎo)出固態(tài)物體熱傳導(dǎo)的偏微分方程。根據(jù)傅里葉本人的說法，試圖解釋地?zé)嵯虻乇淼膫鲗?dǎo)是其解決熱傳導(dǎo)問題的主要動力。
在構(gòu)建現(xiàn)代科學(xué)基礎(chǔ)的早期階段，人們的認(rèn)知總是會出現(xiàn)這樣或那樣的錯誤，有一些在我們今天看來甚至是根本性的錯誤,即使像傅里葉這樣的科學(xué)巨人也不例外。他在解釋為什么極地的地表溫度在極夜期間接近200K 而不是無限低時，曾提出在太空存在大約200K的“太空溫度” 。他認(rèn)為正是這一熱源的存在，極夜期間極地的溫度接近200K 。我們今天知道，傅里葉所謂的“太空溫度”應(yīng)該是宇宙背景溫度，大約是3K，而不是200K 。我們也知道，極地在極夜期間的地表溫度之所以接近200K，是由于大氣和海洋自熱帶向極地輸送熱量的結(jié)果，輸送來的熱量與極地紅外輻射冷卻之間的平衡決定了極地溫度在極夜期間接近200K，而不是因為存在所謂的太空熱源。
2溫室氣體的確定
在傅里葉提出大氣層具有溫室效應(yīng)30多年之后，愛爾蘭物理學(xué)家丁鐸爾才通過實驗確定了大氣中哪些氣體具有溫室效應(yīng) 。丁鐸爾曾明確指出，他測量溫室氣體的目的是為了解釋大氣的溫室效應(yīng)及其對地球氣候的影響。丁鐸爾發(fā)現(xiàn)大氣的溫室效應(yīng)只是幾種含量很少的由三原子組成的分子貢獻(xiàn)的，也就是CO2和H2O等，而大氣的主要成分氮氣和氧氣并沒有溫室效應(yīng)(氮氣在壓力足夠大的環(huán)境下也具有溫室效應(yīng)) 。這些測量結(jié)果使丁鐸爾意識到，地球氣候的改變并不需要整個大氣層在質(zhì)量上有根本的改變，而只需要幾種痕量氣體的變化。丁鐸爾也意識到，CO2是地球氣候變化的關(guān)鍵因素，因為雖然水汽的溫室效應(yīng)比CO2更強(qiáng)，但大氣中水汽的含量是由大氣的溫度決定的(克勞修斯-克拉珀龍方程)，當(dāng)水汽含量達(dá)到飽和時，水汽凝結(jié)形成降水，從而減少大氣中的水汽。當(dāng)然，水汽的正反饋將放大CO2的溫室效應(yīng),使得地球表面的增溫遠(yuǎn)大于單純的CO2增加所造成的溫度升高。
圖3是丁鐸爾實驗裝置的示意圖。他使用該儀器測量了溫度較低的氣體對紅外輻射的吸收以及當(dāng)氣體被加熱時紅外輻射的特性。丁鐸爾所測量的氣體吸收和發(fā)射紅外輻射的特性也就是后來的基爾霍夫定律。他還發(fā)現(xiàn)，在氣體濃度較低并且壓力較低的情況下，氣體的吸收性正比于氣體的濃度，而當(dāng)氣體濃度足夠高時，繼續(xù)增加氣體的濃度對氣體吸收紅外輻射沒有影響，這是現(xiàn)在所知的吸收線飽和效應(yīng) 。
圖3 丁鐸爾測量溫室氣體所使用的實驗裝置示意圖
在丁鐸爾的時代，還沒有關(guān)于分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。因此，丁鐸爾試圖使用化學(xué)鍵的概念來解釋為什么三原子分子能夠吸收紅外輻射,而雙原子分子如N2和O2不吸收紅外輻射。我們現(xiàn)在知道,雙原子分子也具有化學(xué)鍵，它們之所以不吸收紅外輻射是因為這些雙原子分子的電子對稱性，它們在振動時不會出現(xiàn)偶極矩,因此也不會吸收或放射紅外輻射。可見，對溫室氣體的正確和全面的理解是在分子結(jié)構(gòu)物理學(xué)和量子力學(xué)建立了之后才有的。
3氣候?qū)O2的敏感性
傅里葉提出了大氣層具有溫室效應(yīng),丁鐸爾發(fā)現(xiàn)了大氣中只有CO2 等痕量氣體才具有溫室效應(yīng) 。但無論是在傅里葉的時代或是丁鐸爾的時代，都無法就氣候?qū)O2變化的敏感性進(jìn)行定量計算.直到1896年，瑞典物理化學(xué)家阿倫尼烏斯才開始定量地計算氣候?qū)O2變化的敏感性。阿倫尼烏斯的主要研究工作是物理和化學(xué) ，他于1903年獲諾貝爾化學(xué)獎，他的一項重要成果是推算CO2和水汽對紅外輻射的吸收譜，并使用斯特蕃-玻爾茲曼定律和能量平衡原理計算氣候?qū)O2變化的敏感性以及水汽的正反饋效應(yīng) 。
如前所述，CO2和水汽對紅外輻射的吸收包括了在不同波段上的吸收帶，今天對它們吸收性的測量是在實驗室使用精密儀器進(jìn)行的，而在阿倫尼烏斯的時代，并不具備這些實驗條件。阿倫尼烏斯推算CO2和水汽對紅外輻射的吸收所使用的數(shù)據(jù)是來自美國天文學(xué)家 P.積累的月光紅外波段的觀測資料。曾試圖根據(jù)對月光紅外波段的觀測來確定月球的表面溫度。阿倫尼烏斯的想法是使用這些觀測數(shù)據(jù)來計算整個大氣柱中的CO2和水汽對月光紅外輻射的吸收特性。圖4中的帶方塊的斷線是阿倫尼烏斯使用的觀測數(shù)據(jù)所得到的CO2和水汽的吸收譜，6.5μm附近的水汽吸收帶清晰可見，但阿倫尼烏斯的推算數(shù)據(jù)并沒有延伸到15μm的波段，實際上CO2在該處有一個最強(qiáng)的振動吸收帶，CO2之所以是強(qiáng)的溫室氣體正是由于該吸收帶的存在。與現(xiàn)在的測量對比，兩者定性地一致，但定量地講，還有很大的差距。
圖4 阿倫尼烏斯使用的觀測數(shù)據(jù)所推算的CO2和水汽的吸收帶(縱坐標(biāo)軸上的1表示CO2和水汽對該波段的紅外輻射沒有吸收， 0表示完全吸收。圖中帶方塊的斷線是阿倫尼烏斯的推算結(jié)果，點線和實線是在兩種不同的CO2和水汽含量條件下根據(jù)現(xiàn)在的CO2和水汽吸收譜所繪出的吸收帶) 。
在驗證氣候?qū)O2的敏感性時，阿倫尼烏斯設(shè)計了一個簡單的氣候模式，該模式在垂直方向只有一個等溫的大氣層，在緯度方向是格點化的，并有季節(jié)變化，類似于我們今天所說的一維氣候模式。該模式還考慮了水汽的正反饋和冰-雪反照率的正反饋。利用該模式，阿倫尼烏斯發(fā)現(xiàn)，如果大氣中的CO2濃度增加一倍，全球平均的地表溫度將升高6℃ 。與現(xiàn)在精確的多層氣候模式給出的地表氣溫對CO2加倍的敏感性數(shù)值(2—4℃)相比，阿倫尼烏斯的模式過高地估計了氣候?qū)O2變化的敏感性。他的誤差主要來源于兩點：(1)阿倫尼烏斯所推算的CO2和水汽吸收譜并不準(zhǔn)確，過高地估計了CO2的溫室效應(yīng)；(2)他的一層等溫大氣模式高估了大氣層向外輻射的紅外輻射，也就是降低了大氣的溫室效應(yīng) ，二者的綜合效應(yīng)是高估了CO2和水汽的溫室效應(yīng) 。如果把現(xiàn)在準(zhǔn)確的CO2和水汽吸收譜放到阿倫尼烏斯的氣候模式，結(jié)果是氣候?qū)O2的敏感性將弱得多。
雖然阿倫尼烏斯的簡單氣候模式給出的結(jié)果有較大的誤差，但他是第一位定量地計算氣候?qū)O2的敏感性的科學(xué)家，也是第一位提出人類燃燒的化石燃料有可能導(dǎo)致全球變暖，并且有可能阻止氣候系統(tǒng)向下一個冰川期演變的科學(xué)家。有意思的是，阿倫尼烏斯認(rèn)為氣候變暖將有助于人類生存環(huán)境的改善，而且日益增加的地球人口需要更為溫和的氣候環(huán)境。這一觀點也是目前那些認(rèn)為全球變暖并非是一件壞事的人們的主要論點之一。
4輻射傳輸和能量平衡
當(dāng)氣候科學(xué)進(jìn)入20世紀(jì)之后，它的發(fā)展極大地得益于物理學(xué),尤其是物理學(xué)中關(guān)于分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識以及量子力學(xué)的發(fā)展極大地促進(jìn)了人們對氣體分子吸收譜(分子光譜)的理解。這些物理學(xué)理論告訴我們，一種氣體分子的吸收譜是由其分子結(jié)構(gòu)決定的(如CO2和水汽的分子結(jié)構(gòu)決定了它只吸收和放出紅外波段的電磁波)，吸收譜中的每一根吸收線實際上是該分子在兩個振動態(tài)之間的能量差，是量子化選擇性吸收的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上,溫室氣體的吸收譜也在實驗室得到了廣泛和準(zhǔn)確的測量。
另一個對氣候?qū)W發(fā)展具有重要貢獻(xiàn)的是天文學(xué)領(lǐng)域輻射傳輸理論的發(fā)展和完善。在20世紀(jì)初期，天文學(xué)家和天體物理學(xué)家出于對恒星結(jié)構(gòu)以及恒星內(nèi)部能量的徑向輻射和對流的研究興趣，建立了輻射傳輸?shù)幕纠碚摚@方面的代表性工作是施瓦氏在1906年發(fā)表的論文。在該論文中，施瓦氏給出了輻射傳輸?shù)幕痉匠?還有一些天文和天體物理學(xué)家為了解釋地球大氣層對太陽輻射傳輸?shù)挠绊懞托Ｕ栞椛涞牡孛嬗^測結(jié)果，也開始研究太陽輻射在地球和太陽系行星大氣中的傳輸問題。一個代表性工作是Frank Very在1908年發(fā)表的論文。他們已開始用多層大氣的模型來研究輻射傳輸問題，而非像阿倫尼烏斯那樣的一層大氣模式。著名天體物理學(xué)家錢德拉塞卡在1950年發(fā)表了他的關(guān)于輻射傳輸?shù)闹鳎瑥亩到y(tǒng)地建立了輻射傳輸理論。
到了20世紀(jì)50年代，已經(jīng)有了更為準(zhǔn)確的CO2吸收譜的數(shù)據(jù)，先進(jìn)的計算機(jī)的出現(xiàn)也為準(zhǔn)確地計算多層大氣輻射傳輸和CO2吸收譜的積分提供了有效的計算工具(需要指出的是，即使現(xiàn)代的巨型計算機(jī)比半個世紀(jì)前的計算速度和存儲空間大了許多，對輻射傳輸和輻射譜的積分仍然是一項復(fù)雜的工作。為了節(jié)約計算時間或加快計算速度，現(xiàn)代氣候模式采用的仍然是近似的帶模式，而非對數(shù)百萬條吸收線進(jìn)行逐線積分) 。這些為更準(zhǔn)確地計算氣候?qū)O2的敏感性提供了條件。在這一背景下，美國學(xué)者普拉斯首先使用了更為準(zhǔn)確的CO2吸收譜和多層大氣輻射傳輸模式來計算CO2變化對氣候的影響。他的結(jié)果表明，CO2加倍將造成地面增溫大約3—6℃，這說明阿倫尼烏斯的計算結(jié)果僅代表了氣候?qū)O2敏感性范圍的上邊界。
雖然普拉斯的計算結(jié)果比阿倫尼烏斯的結(jié)果更為可靠，但普拉斯對地面輻射能量平衡的解釋存在錯誤。在普拉斯的計算中，假定了CO2增加僅造成地面溫度的升高，而大氣層溫度是不變的，其結(jié)果將造成大氣層頂入射和向外輻射的不平衡。實際上，在大氣中CO2增加之后，大氣對流層的溫度必將升高，正是由于大氣對流層在較高溫度下向下輻射紅外能量的增加才造成了地面溫度的升高，而在大氣層頂，入射的太陽輻射和出射的地-氣系統(tǒng)能量應(yīng)該是平衡的。
在普拉斯的計算中，還沒有很好地考慮水汽的吸收譜,因為那時還沒有完整的水汽吸收譜的測量結(jié)果。這主要是因為水汽的紅外吸收譜比CO2的要復(fù)雜得多,并且延伸到遠(yuǎn)紅外波段。另外，普拉斯的計算也沒有考慮大氣的垂直對流運動。當(dāng)CO2增加使地面增溫之后，近地面層大氣密度變小。將產(chǎn)生上升運動，空氣的上升將把大氣低層的熱量帶到對流層高層，完成上下層大氣之間的熱量交換，從而改變大氣的熱力結(jié)構(gòu) 。這些問題直到20世紀(jì)60年代后期才由和解決。他們設(shè)計了更為真實的輻射傳輸模式，并充分考慮了水汽的吸收譜以及水汽的反饋作用。他們最為重要的貢獻(xiàn)是考慮了大氣的對流運動，并清楚地解釋了在地面和大氣層頂?shù)妮椛淦胶鈫栴} 。正因為如此，人們才認(rèn)為是和的工作真正把全球變暖的問題推向了現(xiàn)代。半個世紀(jì)過去了，他們的論文仍然是我們認(rèn)識全球變暖最基礎(chǔ)的參考文獻(xiàn) 。
在和構(gòu)建輻射對流模式之后不久，前蘇聯(lián)氣候?qū)W家和美國氣候?qū)W家分別獨立地提出了氣候能量平衡模式，他們引入了冰-雪反照率的正反饋機(jī)制，并考慮了赤道與極地之間的熱量輸送問題。在他們的模式中，準(zhǔn)確的大氣輻射傳輸并不是他們關(guān)心的重點，所以，他們采用的是近似的灰體大氣來代替輻射傳輸計算，在考慮赤道與極地?zé)崃枯斔蜁r，沒有使用真實的三維大氣運動中的熱量輸送，而是用熱量擴(kuò)散的方案來代替，這些近似保證了他們構(gòu)建的氣候模式是簡單的，并且可以簡明而定量地揭示氣候系統(tǒng)在冰-雪正反饋機(jī)制作用下的不穩(wěn)定性和氣候平衡態(tài)問題。根據(jù)他們的模式，氣候系統(tǒng)在相同的太陽輻射條件下可以出現(xiàn)三種氣候態(tài)：(1)兩極沒有冰蓋的溫暖氣候,如6500萬年前的恐龍時代；(2)兩極存在冰蓋的溫和氣候；(3)全球完全被冰封的冰雪地球氣候。其中第一種和第三種氣候態(tài)是穩(wěn)定的氣候態(tài) ，而第二種是不穩(wěn)定的氣候態(tài) ，在外強(qiáng)迫或氣候系統(tǒng)內(nèi)部擾動的作用下，冰-雪正反饋機(jī)制很容易導(dǎo)致該氣候態(tài)向第一種或第三種氣候態(tài)轉(zhuǎn)化。長期以來，第三種氣候態(tài)一直被認(rèn)為是該簡單模式的數(shù)學(xué)解，并沒有物理或現(xiàn)實上的意義。但近10年來的研究表明，全球性冰封的冰雪地球氣候有可能在25億年前和7億年前出現(xiàn)過。
5三維大氣環(huán)流模式
地球大氣是三維運動的流體，通過三維大氣運動把太陽輻射能量和地球紅外輻射能量在全球重新分布，大氣運動也同時輸送動量、水汽和其他化學(xué)物質(zhì) 。很難想象一個沒有考慮大氣三維運動的氣候模式能夠反映地球氣候的真實狀況。和的輻射對流模式雖然考慮了單一氣柱中的大氣垂直運動，但只是固定了大氣溫度垂直遞減率條件下的垂直運動(在該模式中，相對濕度也是固定的) 。和的能量平衡模式雖然考慮了赤道與極地之間的熱量輸送，但他們使用的是熱量擴(kuò)散近似，而非真正意義上的大氣熱量輸送。這些簡單氣候模式的另一個主要缺陷是沒有考慮云對輻射傳輸?shù)挠绊懀M管云對太陽輻射的反照率是被考慮的。
隨著輻射傳輸模式的完善，也由于計算能力的快速提高，人們開始考慮使用更真實也更復(fù)雜的模式取代簡單的氣候模式。這便是覆蓋全球的三維大氣環(huán)流模式(model，GCM) 。在GCM中，需要數(shù)值求解的是三維流體動力和熱力學(xué)方程，因為在這些流體方程中，各個變量都隨時間變化，給定初始和邊界條件之后，可以對這些方程進(jìn)行時間積分。如果我們以現(xiàn)在的氣候狀況作為初始和邊界條件，對時間的積分也就相當(dāng)于預(yù)測未來的氣候。這是GCM優(yōu)越于過去簡單的氣候模式的主要原因。云和降水是氣候系統(tǒng)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，這在GCM 中是一個自然的受大氣運動控制的物理過程,但過去的簡單模式卻無法反映這一過程。仍然是和首先在GCM 的發(fā)展方面走出了開創(chuàng)性的一步。他們的GCM計算結(jié)果表明，CO2加倍將導(dǎo)致全球平均地面溫度升高大約3℃ 。和也發(fā)現(xiàn)了全球氣候變暖并不均勻，陸地比海洋升溫要大，并且隨著氣候變暖，全球降水量將增加，這些結(jié)果都是先前的簡單氣候模式所無法做到的。
鑒于GCM為氣候變化研究和預(yù)測提供了廣闊的前景，20世紀(jì)80年代以來，世界各國的主要氣候研究機(jī)構(gòu)都紛紛發(fā)展各自的GCM 。美國哥達(dá)德空間研究所氣候?qū)W家翰森為首的團(tuán)隊也較早地發(fā)展了他們的GCM，并利用該GCM廣泛地研究了氣候系統(tǒng)中的各種反饋機(jī)制,指出了云-輻射的反饋機(jī)制在氣候變化中起著重要的作用。他們的另一個重要貢獻(xiàn)是海洋由于其較大的熱容量(熱力慣性),將推遲全球變暖的出現(xiàn)，也就是地表氣溫的增加將落后于CO2增加達(dá)幾十到上百年。這與實際結(jié)果基本一致，CO2在工業(yè)革命時就開始增加，而全球變暖基本是從20世紀(jì)70年代開始的。
6大氣CO2濃度和溫度升高的觀測
前面我們回顧的是如何利用實驗、理論和計算的手段理解CO2的溫室效應(yīng)及其對氣候變化的影響。一個關(guān)鍵的問題我們還沒有談到,那就是CO2濃度是否是在隨時間升高? 地表氣溫是否在隨時間升高? 本節(jié)將從觀測的角度來回答這兩個問題。
美國加州大學(xué)圣地亞哥分校教授 D.(1928—2005)是第一個用儀器觀測大氣CO2濃度的。他于1958年在國際地球物理年組織的資助下，在夏威夷的Mauna Loa山峰建立了世界上第一個CO2觀測站，并開始CO2觀測，因此，提供了世界上時間最長的CO2儀器觀測資料。的觀測最初曾得到了美國自然科學(xué)基金會(NSF)的支持，但后來中止了，因為NSF認(rèn)為的觀測只是常規(guī)性的工作，沒有太大意義。但在1963年，NSF使用的觀測結(jié)果發(fā)出警告：CO2增加的溫室效應(yīng)有可能造成全球變暖，在1965年向美國總統(tǒng)科學(xué)顧問委員匯報類似的觀點時，同樣使用了的觀測結(jié)果。
圖5是觀測的大氣CO2濃度時間序列圖。CO2濃度從1958年的(每百萬體積單位中所占的分量)增加到2006年的大約(2012年6 月的CO2濃度是) 。目前的CO2濃度與工業(yè)革命前的CO2濃度()相比，增加量已超過了。圖中的紅線代表月平均時間序列，紅線的波動是CO2濃度的年循環(huán) ，波動幅度大約是7ppmv 。這是因為北半球夏季植物茂盛期間的光合作用消耗了大量的CO2 ，因此,北半球CO2濃度自夏季開始下降，直到9—10月植物枯萎，光合作用減弱，CO2濃度又開始回升，在次年的5月份植物繁茂之前達(dá)到最大值。發(fā)表了多篇關(guān)于大氣中CO2增加的重要論文，其中最重要的是1960和1970年的兩篇論文。在1960年，他的觀測才剛開始2年，論文在當(dāng)時并沒有引起很大的轟動，但1970年的論文產(chǎn)生了巨大的影響，學(xué)術(shù)界和社會才開始認(rèn)真地考慮人類燃燒化石燃料造成的2增加將有可能導(dǎo)致全球氣候變暖。
圖5 在夏威夷觀象臺觀測到的大氣中CO2濃度隨時間的變化(紅色線是月平均值，藍(lán)色線是年平均值。見《物理》網(wǎng)刊彩圖，下同。圖中右下角的方框中的曲線給出的是CO2濃度的年循環(huán) 。該時間序列曲線通常被稱為“”曲線)
雖然溫度的測量記錄可以追溯到17世紀(jì)或者更早，但可靠的全球平均溫度觀測記錄通常自1850年開始，因為在早期，占全球70%的海洋溫度觀測記錄很少。即使在今天，海洋表面的氣溫觀測主要是通過衛(wèi)星觀測，直接的觀測仍然很難覆蓋全部海洋.在人口稀少的陸地，直接的溫度觀測同樣也很少。英國東安吉利亞(East )大學(xué)的P.D.Jones教授在這方面做了大量的工作，他整理了世界各地的各種溫度觀測資料，給出了公認(rèn)比較可靠的自1850年以來的全球平均溫度時間序列。圖6是他們更新到2010年的南北半球和全球平均地表氣溫距平時間序列。無論是全球還是南北半球的平均溫度自1900年以來均呈上升趨勢，除了1940—1960年這段時間,溫度是下降的，北半球變暖較南半球強(qiáng)一些。線性回歸表明，在1900—2010年間，南北半球分別增溫1.12℃和0.84℃,全球平均增溫0.98℃ 。美國賓州州立大學(xué)教授 E.Mann等使用樹木年輪等替代資料推算了過去1000年的北半球地面平均氣溫變化，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的氣溫在過去1000年都是最高的。除了地面氣溫，整個大氣對流層的溫度也在升高d3dwindower勾住用dll不存在什么意思，美國華盛頓大學(xué)付強(qiáng)教授等使用衛(wèi)星微波遙感的溫度資料計算了過去30年的對流層溫度變化趨勢，發(fā)現(xiàn)對流層溫度也是升高的。全球變暖是就全球平均溫度的長期的變化趨勢而言的，并非意味著持續(xù)不斷的溫度升高，因為氣候系統(tǒng)有其自身在不同時間尺度上的自然變化，如圖6 中60—70年代的變冷，可以被看作氣候系統(tǒng)自然波動的結(jié)果，也有人認(rèn)為是人類活動造成的氣溶膠增加，氣溶膠散射太陽輻射，導(dǎo)致地面變冷。但總體來講，全球平均溫度在過去100年是升高的。
圖6 南北半球和全球年平均地表氣溫距平時間序列，這里的溫度距平指的是每年的溫度都減去了1961—1990年30年的溫度平均值(摘自)
7學(xué)術(shù)界的呼吁和政府間氣候評估報告
阿倫尼烏斯在100多年前已思考過，化石燃料的燃燒將導(dǎo)致CO2增加，并將造成氣候變暖。半個多世紀(jì)后的20世紀(jì)50年代，一些學(xué)者開始向社會呼吁，人類活動導(dǎo)致的CO2增加將對氣候產(chǎn)生重要的影響。1979年，美國著名氣象學(xué)家恰尼等受美國科學(xué)院國家研究顧問委員會的委托提交了一份研究報告(后來被稱為“恰尼報告”(The)) 。該報告在研究了各種可能的能夠穩(wěn)定氣候系統(tǒng)的反饋機(jī)制和以及的GCM 模擬結(jié)果之后指出，毫無疑問，CO2加倍將導(dǎo)致全球平均溫度顯著升高，估算氣候?qū)O2加倍的敏感性大約是1.5—4.5℃ 。自該報告之后，全球變暖的概念開始進(jìn)入公眾的視野，并引起歐美各國政府的高度重視。也是從那個時候開始，氣候變化成為了大氣和海洋的主要研究方向，后來也成了整個地球科學(xué)的重要研究方向。
1988年，世界氣象組織和聯(lián)合國環(huán)境署共同成立了“政府間氣候變化專門委員會”(IPCC)，其目的是為世界提供氣候變化的現(xiàn)有進(jìn)展?fàn)顩r和氣候變化對社會、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的潛在影響的全面、綜合的科學(xué)評估，聯(lián)合國和世界氣象組織的195個成員國均可參加。IPCC下設(shè)三個工作組，第一工作組評估氣候系統(tǒng)和氣候變化的科學(xué)問題，第二工作組評估社會經(jīng)濟(jì)和自然系統(tǒng)對氣候變化的脆弱性和適應(yīng)性，第三工作組評估人類應(yīng)對氣候變化的策略，如減緩CO2等溫室氣體排放。IPCC 于1990 年、1995 年、2001年和2007年分別發(fā)表了4次評估報告，第5次評估報告將于2013年發(fā)表.在第4次評估報告中，全世界23個GCM 的模擬結(jié)果表明，CO2加倍將造成2—4.5℃的增溫。圖7是IPCC第4次評估報告使用全世界23 個GCM數(shù)值模擬結(jié)果給出的20世紀(jì)全球平均地表氣溫變化和對21世紀(jì)全球變暖的預(yù)估。在21世紀(jì)的預(yù)估中，使用了幾種不同的溫室氣體排放情景。如果溫室氣體被限制在2000年的水平不變，地球氣溫仍將緩慢增加(桔黃色曲線)，其主要原因是已經(jīng)被加熱了的海洋仍將持續(xù)地放出熱量，并加熱地面和大氣。如果對人類排放溫室氣體的速度不加限制，在21世紀(jì)末，地表氣溫將升高大約3.6℃ 。雖然IPCC 報告受到了這樣或那樣的質(zhì)疑，但其權(quán)威性是不容置疑的，每一次報告都是世界各國數(shù)百名一流氣候?qū)W家共同努力的結(jié)果。
總結(jié)
人類對于全球變暖的認(rèn)識是以數(shù)學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)為基礎(chǔ)的.簡要地講，研究全球氣候變暖或氣候變化就是求解流體力學(xué)方程、熱力學(xué)方程和輻射傳輸方程，并試圖探索人類活動對氣候系統(tǒng)產(chǎn)生的重要影響。氣候系統(tǒng)動力學(xué)、熱力學(xué)和輻射傳輸這幾方面的耦合包含了物理和化學(xué)等過程,甚至包括生物過程。氣候系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，各分量之間的相互作用以及涉及的各種反饋過程也是相當(dāng)復(fù)雜的。我們現(xiàn)在對這些過程的了解還非常有限，因此，我們目前還不能很圓滿地回答有關(guān)全球變暖的全部問題。
圖7 氣候模式模擬的20世紀(jì)全球平均地表氣溫距平變化(黑線)和在不同溫室氣體排放情景下21世紀(jì)地表氣溫預(yù)估(彩色線)(圖中的陰影區(qū)代表23個模式集合結(jié)果的不確定性范圍(也就是±1標(biāo)準(zhǔn)差)，這里的溫度距平是指每年的平均溫度減去了1980—1999這20年的平均值。橘黃色線代表溫室氣體含量固定在2000年的溫度距平隨時間變化。B1、A1B和A2代表預(yù)估的溫室氣體在21世紀(jì)的三種排放情景,這些排放情景是根據(jù)未來的經(jīng)濟(jì)、社會、技術(shù)和環(huán)境等因素預(yù)估的。其中， B1代表人類限制溫室氣體排放，但溫室氣體排放以較低的速度增長，在2100年，CO2濃度將達(dá)到(現(xiàn)在是),A2表示人類如不限制溫室氣體排放，溫室氣體將快速增長，在2100年,CO2濃度將達(dá)到， A1B是介于B1和A2之間的一種排放情景，在2100年，CO2濃度將達(dá)到) 。
與其他學(xué)科的發(fā)展歷史一樣，人們對于全球變暖的認(rèn)識也經(jīng)歷了一個漫長的過程，早期對于全球變暖的科學(xué)認(rèn)知甚至存在著這樣或那樣的錯誤。但得益于物理學(xué)等其他學(xué)科的發(fā)展，也通過一代又一代學(xué)者的努力，我們現(xiàn)在對全球變暖才有了一個比較全面的認(rèn)識。未來對全球變暖的認(rèn)識，還將需要與其他基礎(chǔ)學(xué)科的密切結(jié)合，大氣探測技術(shù)和計算機(jī)計算速度的提高也是非常關(guān)鍵的。
無論對全球變暖持支持或反對的觀點，也無論是否承認(rèn)全球變暖是否是由于人類活動造成的，一個不可否認(rèn)的事實是，現(xiàn)在人類改變自身生存環(huán)境的能力是巨大的。我們今天對化石燃料的燃燒實際上相當(dāng)于把地球早期通過光合作用存儲于地球內(nèi)部的太陽輻射能量釋放了出來，這部分能量毫無疑問將對氣候系統(tǒng)產(chǎn)生重大的影響。
本文選自《物理》2012年第8期
歡迎個人轉(zhuǎn)發(fā)分享，刊物和機(jī)構(gòu)如需轉(zhuǎn)載，請聯(lián)系授權(quán)事宜：
商務(wù)合作事宜請聯(lián)系：
【全球變暖的物理基礎(chǔ)和科學(xué)簡史】更多精彩文章：您可以通過回復(fù)”年份+月份”的形式接收精彩往期文章，比如回復(fù)””即可接收2014年10月份的所有文章。您也可以返回主頁點擊屏幕下方子菜單獲取最新文章、往期文章或直達(dá)賽先生微博。謝謝！
賽先生由百人傳媒投資和創(chuàng)辦。上帝忘了給我們翅膀，于是，科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)我們飛翔。
微信號：
本文到此結(jié)束，希望對大家有所幫助。

继夫的玩弄H辣文的小说|女人与拘性猛交视频|精品欧美高清不卡高清|一起做亏亏的事情的视频|啦啦啦在线视频观看|望月直播下载ios版本|国产日韩欧美一区二区三区

全球變暖的物理基礎(chǔ)和科學(xué)簡史