【編者按】自上世紀(jì)90年代以來，有關(guān)全球變暖的爭(zhēng)論愈演愈烈，至今已經(jīng)成為一個(gè)重要的政治與生態(tài)話題。“復(fù)旦通識(shí)”組織“全球變暖”系列，邀請(qǐng)不同高校相關(guān)學(xué)科的教師撰文，從各自的專業(yè)領(lǐng)域與學(xué)術(shù)興趣出發(fā)，圍繞全球變暖這一席卷國際政治和社會(huì)輿論的重大公共議題，進(jìn)行不同角度的觀察與討論，思考“人類命運(yùn)共同體”將如何面對(duì)這一可能即將席卷全球的危機(jī)。
“全球變暖”研究緣起和簡(jiǎn)要?dú)v程
20世紀(jì)90年代以來，“全球變暖”爭(zhēng)論愈演愈烈，現(xiàn)今已是一個(gè)席卷國際政治和社會(huì)輿論的重大公共議題。但在40-50年以前，科學(xué)家群體談?wù)摰念}目并非“全球變暖”，而是“全球變冷”，原因有三。一是1970年代人類有了航天遙感技術(shù)，首次可以進(jìn)行全球地表觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)粉塵排放阻擋了太陽光入射，引起北半球持續(xù)數(shù)年的降溫現(xiàn)象(圖1)；二是古海洋學(xué)的發(fā)展揭示了地表氣候的冰期/間冰期旋回規(guī)律，每個(gè)間冰期持續(xù)的時(shí)間都比較短。按照這個(gè)規(guī)律，目前已經(jīng)持續(xù)了一萬多年的間冰期可能就要結(jié)束了，地表氣候?qū)⒕徛M(jìn)入下一個(gè)冰期；三是當(dāng)時(shí)美蘇兩大集團(tuán)冷戰(zhàn)正酣，全社會(huì)被核大戰(zhàn)和核冬天的陰影籠罩。在這種背景下，西方地質(zhì)學(xué)界致函當(dāng)時(shí)的美國總統(tǒng)尼克松，呼吁關(guān)注核戰(zhàn)可能導(dǎo)致的“全球大變冷”趨勢(shì)，以至大眾媒體報(bào)道的都是諸如“如何在將臨的冰期中幸存下來”等聳人聽聞的信息。
在一片喧鬧和疑惑中，不乏遠(yuǎn)見卓識(shí)之士，美國地球化學(xué)家華萊士·布洛克(Wallace Broecker，圖2)就是其中最有影響的一位。早在1975年，他就發(fā)表文章指出，人類排放的二氧化碳引起的溫室效應(yīng)將導(dǎo)致全球變暖，這一趨勢(shì)將很快壓倒目前的降溫趨勢(shì)，我們事實(shí)上正站在全球變暖的起點(diǎn)！20世紀(jì)80年代開始，全球地表平均溫度開始快速拉升，到1990年代末，平均表溫升高幅度已經(jīng)達(dá)到0.5oC！這一事實(shí)完全證實(shí)了當(dāng)初布洛克的猜測(cè)。至此，“全球變暖”也從科學(xué)議題正式擴(kuò)大成為政治和公共議題。1997年，141個(gè)國家和地區(qū)簽署《京都議定書》，呼吁限制發(fā)達(dá)工業(yè)國家的碳排放量。
進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)界發(fā)現(xiàn)地表暖化出現(xiàn)減速甚至停滯現(xiàn)象。從1997-1998年的超級(jí)厄爾尼諾事件開始，出現(xiàn)了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)15年的“全球變暖停滯期” (圖1)，由此引發(fā)一輪大討論。但在這段時(shí)間里，自然因素卻是有利于全球降溫的，比如太陽活動(dòng)處于極弱期，全球火山活動(dòng)加劇。但經(jīng)過嚴(yán)密計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)降溫因素并不足以抵消溫室氣體持續(xù)排放帶來的增溫效應(yīng)。那么多余的熱量去哪里了？經(jīng)過大規(guī)模監(jiān)測(cè)追蹤，發(fā)現(xiàn)原來熱量進(jìn)入了大洋深處。海洋是一個(gè)龐大的熱能儲(chǔ)庫，自工業(yè)革命以來，超過90%的人為溫室效應(yīng)能量進(jìn)入了海洋內(nèi)部，而滯留在地表的不足10%的熱量引發(fā)全球1.3oC的升溫和越來越頻發(fā)的極端氣候事件。如果海洋把這90%熱量還給地表，引發(fā)的氣候效應(yīng)將難以想象。2015-2016年的超級(jí)厄爾尼諾活動(dòng)再次改變大洋狀態(tài)，之后全球地表溫度又開始新一輪的大幅拉升(圖1)。
圖1 工業(yè)革命以來大氣二氧化碳濃度和全球平均地表溫度波動(dòng)記錄。原始數(shù)據(jù)來自美國大洋與大氣管理局網(wǎng)站(www.noaa.gov)。
圖2 美國科學(xué)院院士華萊士·布洛克(1931-2019)，哥倫比亞大學(xué)教授，被譽(yù)為L(zhǎng)amont海洋實(shí)驗(yàn)室的靈魂，以研究全球氣候變化、海洋化學(xué)、海洋環(huán)流等課題馳名科學(xué)界。照片來自網(wǎng)絡(luò)。
冰期旋回中的溫度和二氧化碳變化
過去一百多年以來，大氣二氧化碳濃度和全球表溫的緊密相關(guān)關(guān)系(圖1)，讓人下意識(shí)地就認(rèn)為兩者之間存在因果聯(lián)系，即二氧化碳濃度上升推動(dòng)增溫。但拋開表面現(xiàn)象，兩者關(guān)系事實(shí)上十分復(fù)雜。在數(shù)年至數(shù)十年的時(shí)間尺度內(nèi)，地球氣候系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)因素有許多，例如太陽活動(dòng)強(qiáng)度、火山噴發(fā)規(guī)模、溫室效應(yīng)等。氣候系統(tǒng)包含大氣、森林、海洋、冰蓋等不同子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間存在規(guī)模不等的物質(zhì)和能量交換。碳在不同子系統(tǒng)內(nèi)部的停留時(shí)間也差別巨大。因此定量研究碳排放與全球氣候變化是個(gè)很有挑戰(zhàn)性的課題。聯(lián)合國政府間氣候變化評(píng)估委員會(huì)（IPCC）一致致力于利用復(fù)雜的數(shù)值模型預(yù)測(cè)不同碳排放規(guī)模帶來的未來地球升溫幅度，但預(yù)測(cè)結(jié)果誤差很大。在科學(xué)界，仍有相當(dāng)多的科學(xué)家質(zhì)疑全球變暖是由人類活動(dòng)引起。
地質(zhì)記錄則提供了一個(gè)很好的時(shí)間窗口，供我們觀察和審視過去的二氧化碳與氣候變化的關(guān)系。南極洲和北極格陵蘭島幾千米厚的冰川沉積提供了這些遠(yuǎn)古記錄。這些冰川是過去幾十萬年以來降雪不斷累積形成的。降雪剛落在冰面上的時(shí)候，內(nèi)部疏松，跟大氣可以直接交流。隨著新的降雪在上面不斷堆積，下面積雪開始?jí)簩?shí)，空隙變小，最后在冰川內(nèi)部形成許多密閉的氣泡(圖3)。這些氣泡就是遠(yuǎn)古大氣的“化石”，當(dāng)中就封存著古大氣的化學(xué)組成信息！科學(xué)家在冰川高原上鉆取出了幾千米長(zhǎng)度的冰芯，目前可以恢復(fù)出過去80萬年以來的大氣二氧化碳濃度波動(dòng)歷史(圖3)。同時(shí)，冰塊本身由氫和氧兩種元素組成，氫和氧的同位素分餾與降雪時(shí)的大氣溫度有關(guān)。因此，利用氫、氧同位素又可以重建極地大氣溫度歷史。
令人驚訝的是，過去80萬年以來，溫度和二氧化碳濃度波動(dòng)呈現(xiàn)出一種近乎完美的吻合關(guān)系(圖3)。我們可以把過去80萬年劃分為8個(gè)冰期-間冰期旋回，每個(gè)旋回持續(xù)時(shí)間8-12萬年，平均為10萬年。其中前四個(gè)冰期旋回振幅比較小，最近四次振幅很大。以最近四次冰期為例，大氣二氧化碳濃度為180-190 ppm (即萬分之2.8和2.9)，到間冰期時(shí)，上升到280-290 ppm。冰期-間冰期旋回中100 ppm的濃度變化，相當(dāng)于大氣層中多了2000億噸的碳，對(duì)應(yīng)于南極大氣溫度上升9-12oC。由于我們身處間冰期，對(duì)現(xiàn)今的氣候比較熟悉，但冰期時(shí)的地球面貌就完全是另一幅景觀。由于寒冷，冰期地球上的冰川規(guī)模巨大，現(xiàn)今的北歐、加拿大和美國北部，都?jí)涸跀?shù)千米厚的冰層之下。全球海平面下降了120米，我國東海大陸架全部出露成為陸地，海岸線一直推進(jìn)到現(xiàn)今的沖繩群島附近。冬季時(shí)，橫掃東亞大陸的西伯利亞高壓和寒潮比現(xiàn)今嚴(yán)酷許多，中國內(nèi)陸出現(xiàn)嚴(yán)重的干旱和荒漠化現(xiàn)象。熱帶地區(qū)近地面大氣溫度也大幅下降了4-6oC。因此，冰期與間冰期地球氣候狀態(tài)的差別非常顯著。
值得注意的是，工業(yè)革命以來，二氧化碳濃度從280 ppm上升到410 ppm, 上漲幅度為130 ppm，這已經(jīng)超過了冰期-間冰期旋回的振幅(圖3)。另外，410 ppm的二氧化碳濃度是過去80萬年以來地球從未有過的峰值，有人推測(cè)這甚至是過去1000萬年以來的峰值？這么高的二氧化碳濃度到底意味著怎樣的氣候效應(yīng)呢？這是壓在科學(xué)家心頭一個(gè)未解和沉重的話題。以12萬年前的間冰期為例，當(dāng)時(shí)二氧化碳濃度僅僅比我們身處的間冰期高5-7 ppm(圖3)，極地冰蓋就因?yàn)楸容^溫暖的環(huán)境發(fā)生了小范圍的崩解，導(dǎo)致全球海平面上漲了2-5米。
但為何現(xiàn)今如此高的大氣二氧化碳濃度峰值還未引起氣候從間冰期向冰期轉(zhuǎn)型呢？一種觀點(diǎn)認(rèn)為，在冰期-間冰期旋回中，我們研究的對(duì)象是地球氣候在千年-萬年時(shí)間尺度上的變化，不能直接對(duì)標(biāo)于目前幾十年-百年等級(jí)的氣候變化。此外，在冰期-間冰期旋回中，氣候變化和二氧化碳波動(dòng)，到底誰是因、誰是果，目前還沒有結(jié)論，因此不能簡(jiǎn)單外推。
另一種觀點(diǎn)恰恰相反，認(rèn)為目前大氣二氧化碳濃度升高已經(jīng)影響到氣候系統(tǒng)的各個(gè)層面，從海洋受熱體積膨脹到極地冰架加速崩塌，從北極夏季海冰面積萎縮到極地生態(tài)系統(tǒng)變遷，從海洋酸化、珊瑚礁大規(guī)模白化到極端氣候事件頻率上升等等，都是這種表現(xiàn)。但這僅僅只是開始，二氧化碳的氣候效應(yīng)還未充分展現(xiàn)。只要給予充分時(shí)間，即便二氧化碳濃度不再增加，氣候變化的趨勢(shì)和程度還會(huì)繼續(xù)深化。另外，有很多證據(jù)表明地球氣候系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)。這意味著到了某個(gè)臨界點(diǎn)，氣候狀態(tài)會(huì)突然從一種模式快速跳躍到另一種模式。目前我們似乎逼近了這個(gè)臨界點(diǎn)，氣候狀態(tài)的跳變可能會(huì)很快來臨。
圖3 過去80萬年以來大氣二氧化碳濃度和南極大氣溫度的波動(dòng)歷史。原始數(shù)據(jù)來自Lüthi et al.(2008, Nature, 453, 379-382)和美國大洋與大氣管理局網(wǎng)站(www.noaa.gov)。
工業(yè)革命以來，人類釋放二氧化碳的規(guī)模和速度是如此之大，除了剛才談到的冰期旋回，地質(zhì)歷史上另一個(gè)能與之相對(duì)比的事件還要追溯到5500萬年前的古新世-始新世極熱事件。不知由何種因素觸發(fā)，當(dāng)時(shí)海底陸坡上埋藏的天然氣水合物大規(guī)模崩解，據(jù)估計(jì)在數(shù)千年時(shí)間里，一共有3.5萬億噸的碳被釋放到大氣中；與此對(duì)應(yīng)，同期的全球平均氣溫比背景值高出5-10oC，海洋大幅度酸化導(dǎo)致底棲生物發(fā)生集群性絕滅(圖4)，陸地動(dòng)植物群落也發(fā)生重大絕滅和變革，極地和熱帶海洋溫差減小，海洋洋流系統(tǒng)改組，全球極端水文事件強(qiáng)度增大，陸地上暴雨、泥石流、滑坡崩塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)……之后又過了十多萬年，地球氣候狀態(tài)才恢復(fù)到背景值。一百多年以來人類活動(dòng)累計(jì)釋放的碳為4000多億噸，比古新世-始新世極熱事件低一個(gè)數(shù)量級(jí)。但是人類釋放碳的速率，卻比古新世-始新世極熱事件高一個(gè)數(shù)量級(jí)。如果延續(xù)目前碳排放的加速度趨勢(shì)，最快在140年之后，也就是大約5代人的時(shí)間，我們的碳排放總規(guī)模將達(dá)到古新世-始新世極熱事件時(shí)的規(guī)模。
但大氣溫度和大氣二氧化碳濃度一定是正相關(guān)的嗎？前面談到的80萬年的冰芯記錄似乎證明了軌道尺度上兩者的正相關(guān)關(guān)系，但如果放眼整個(gè)新生代的氣候演變歷史，特別是始新世-漸新世之交（約34百萬年前）南極冰蓋形成之后，深海底棲有孔蟲d18O（氧穩(wěn)定同位素）記錄反映的全球逐漸變冷的趨勢(shì)與構(gòu)造尺度上相對(duì)平穩(wěn)的大氣二氧化碳濃度記錄似乎又沒有什么關(guān)系（Zachos et al., 2008, Nature，451， 279-283）,最近1千2百萬年來全球不同海區(qū)的海水表層溫度記錄也與大氣二氧化碳濃度記錄不怎么吻合（Herbert et al., 2016，Nature-Geoscience，9，843-849）。
長(zhǎng)時(shí)間尺度上的地質(zhì)記錄告訴我們，地球氣候狀態(tài)并非是穩(wěn)定的，而是可以經(jīng)歷幅度巨大的變化，從一種狀態(tài)跳躍到另一種狀態(tài)，除此之外還有偶發(fā)性的環(huán)境災(zāi)難事件。短時(shí)間尺度上的歷史觀測(cè)同時(shí)也表明，大氣二氧化碳濃度有可能是觸發(fā)氣候變化的一個(gè)扳機(jī)。盡管全球變暖與大氣二氧化碳之間的關(guān)系仍然不明，但從現(xiàn)在開始進(jìn)行策略討論、制定減緩碳排放的政策也是一種明智之舉。
圖4 5500萬年前災(zāi)難性的碳釋放事件，導(dǎo)致海洋大幅度酸化和底棲生物集群絕滅。利用先進(jìn)的鉆探技術(shù)，從海洋深處獲取長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米的巖芯。發(fā)現(xiàn)發(fā)生該事件時(shí)，正常淺灰色的碳酸鹽沉積物被紅褐色粘土沉積代替，經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)十多萬年時(shí)間才又恢復(fù)正常。原始圖片來自Zacho et al. (2005, Science, 308, 1611-1615)，經(jīng)編輯修改。
本專欄內(nèi)容由復(fù)旦大學(xué)通識(shí)教育中心組稿。
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