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全球气候变暖的综合分析 

 

对地球未来气候的预测是一场带有赌博性质的学术辩论。但地球是人类的唯一家园,我们无处可逃,一旦赌输后果很严重。我们不应该把自己及子孙后代的命运押在一场赔率未知的赌博上,无论赔率是10%,50%还是90%。换句话说,即便联合国专家组的预测只有10%的准确性,我们也应该尽力减少温室气体的排放,尽可能保持地球大气层结构的相对稳定。这是我们对全球气候变暖问题应有的态度。

根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的《2007气候变化综合报告》(以下简称IPCC报告,详见本文参考资料1),如果不采取措施控制二氧化碳等温室气体的排放,地球平均气温很可能(90%可能性)将持续升高,造成海平面上升和极端气候等灾难性后果。但也有人说这纯属杞人忧天,还有人说这纯粹是某些学者和政客的骗局。

其实二氧化碳是无辜的,首先它是植物生存不可缺少的要素。其次,如果没有大气中二氧化碳等温室气体的作用,地球现在的平均气温将是零下15摄氏度以下(而不是现在宜人的摄氏14度),基本不适合人类生存。但任何东西都要有度,一旦过多就会成灾。二氧化碳等温室气体正是如此。

虽然对地球气候的未来意见不一,但对温室气体会造成地球气温升高这个问题是意见一致的。意见的分歧在于以下两点:

1, 气温将来会升高多少?
2, 气温的升高是不是人类活动造成的?

对第一个问题《IPCC报告》的答案是:2099年的气温可能比1999年上升0.6到4度,海平面上升0至0.59米。之所以取值范围这么大是因为未来100年地球的人口,经济和技术的发展存在很大不确定性。

对第二个问题《IPCC报告》的回答是:气温上升超过90%可能性是人类活动造成的。

IPCC的结论引起了广泛的质疑。疑问包括:

A, 气温资料的准确性(城市扩张热岛效应导致气象站测量误差),以及是否存在故意隐瞒和修改原始数据等学术腐败(详见本文参考资料2:美国国会少数党委员会对“气候门”事件的调查报告)。

B, 分析手段(模型)是否恰当。这实际上是质询人类对地球长期气候的驱动因素到底了解多少。《IPCC报告》第49页列举了9项影响气候的因素(辐射强迫列表),除了二氧化碳和甲烷两项之外,其他7项的认识程度都是中到低,包括太阳辐射强度和云的反射效应等。这些因素存在很大的不可预测性。换句话说,气候模拟模型可以很灵活,相关参数的修改就可能得出相反的结论。从这个角度来说,气候学家和魔术师有类似之处。

C, 缺乏历史分析。《IPCC报告》正文对地球气候的历史分析很少提及,对1750年之前的气候变化更是只字不提,只在《技术摘要》简单解释了古气候。但古气候分析是我们了解气候变化的原因以及预测未来最重要的手段之一。如果我们不能解释历史,那我们也很难预测未来。以下三个历史气候事件尤其需要详细分析:

       a,1940年到1975年温室气体排放急剧增加,而全球气温却持续下降,以至于那个时代的科学家一直在讨论地球是否将进入一个小冰河期;

       b,中世纪暖期(Medieval Warm Period,简称为MWP ),是欧洲一个不寻常的温暖期,从大约十世纪一直持续到十四世纪,其夏季平均气温比现在还高0.7到1.4摄氏度。

       c,新仙女木事件。仙女木原是一种生长在北极地区的植物,但在12900年前却出现在温带(欧洲中部)。格陵兰冰芯分析表明,这个时期地球平均气温曾在短短十年左右骤降近10度(低温维持了一千年之后又突然急剧上升,仿佛有人摁下了按钮)。此事件说明在人类活动对气候的影响可以基本忽略不计的时代,气温的变化幅度不但可能很大,而且变化的速度也可能极其快速。

以上三个历史气候现象说明地球气温可能以较大幅度(突然)变化,而这种变化和人为的二氧化碳排放可能没有关系。目前对以上三个历史气候现象没有令人满意的解释。这说明我们对地球气候变化的内在机制缺乏全面了解。

从整个地球46亿年的历史来看,虽然我们很想让地球平均气温保持稳定,但变化是永恒的。《IPCC报告》反复强调1850年以来的气候变化,但一百多年在地球历史上只是九牛一毛。以离我们最近的第四纪来说(200万年前到现在),平均气温的波动就超过10摄氏度,海平面升降的幅度在100米以上。

在第四纪,冰川曾扩张又萎缩4次以上,造成寒冷的冰期和温暖的间冰期。冰期严重的时候全球三分之一以上的陆地终年都被厚达千米的冰层覆盖,冰川在欧洲直抵意大利北部(阿尔卑斯山),在美洲冰川覆盖了整个加拿大以及底特律。我们现在就处于一个较温暖的间冰期。学界目前对冰期是否会回来以及什么时候回来这样的问题没有定论。

《IPCC报告》主文也回避了这样的问题。但IPCC在其附件中却有一个较为肯定的回答(详见本文参考资料3,IPCC《技术摘要》第56页):“有关地球对轨道强迫的认识表明:地球在至少三万年内不会自然进入另一个冰期。”但IPCC并没有说明这个推论是怎么得来的。

以目前我们对地球气候变化机制的有限理解,还不能够对很多历史气候现象做出满意的解释。一个事件,如果对其成因都不确定,预测的可信度就不可能高,尤其是长期预测,可能不会比扔硬币的概率高多少(50%准确性)。

在一个间冰期之内气候也能发生较大变化。3000多年前的中国商朝,大象等亚热带动物曾生活在中原河南一带,今天大象却在云南南部。老一辈气候学家竺可桢先生的初步结论是:在中国近五千年历史中的最初二千年(即从原始社会的仰韶文化到奴隶社会的安阳殷墟时代),大部分时间的年平均温度比现在高摄氏两度左右。一月温度大约比现在高摄氏三到五度。(参阅本文参考资料4:竺可桢《中国五千年来气候变迁的初步研究》)

影响地球气候变化的根本原因在于太阳辐射。地球轨道变化会导致接收到的太阳辐射变化。同时,地球的大气圈、岩石圈、水(海洋)圈、冰雪圈、生物圈以及人类圈(人类活动)等一起相互作用,共同决定了地球的气候。

本人认为一个完整的地球气候预测报告至少应该包括以下列表中的各项因素分析:

 

整个《IPCC报告》中只对上表中的第十一项(人为温室气体)做了详细分析,其他因素很少或没有涉及,尤其缺乏对洋流的强度和方向分析,这有可能导致根本性的预测错误。目前对新仙女木事件的最佳解释之一就是北大西洋洋流突然改变。好莱坞电影《后天》并不完全是凭空捏造,只是洋流变化的速度有些夸张。

以上列表可以看出,气候变化有着不同时间尺度的周期性,从2到7年的厄尔尼诺周期、11年的太阳黑子周期,到千年周期、万年(十万年)尺度的地球轨道周期,构造运动的百万至千万年周期,以及亿年级别的宇宙周期等等。此外也不排除气候的无周期随机变化(原因不明)。

很多科学家声称这些周期应该加以分别研究,比如《IPCC报告》研究的是百年级别的气候变化,那就不应该把万年级别的地球轨道周期参合进来。但我们也不应该排除不同尺度时间周期叠加的可能性。中国科学院汪品先院士在2007年极地科学研讨班的讲座中阐述了如下观点(详见本文参考资料5):

“250万年之前北极冰盖为什么会形成?有一种观点认为除了构造运动外,地球运动轨道的变化是重要原因,这一时期偏心率特别高,斜率也特别大,叠加了造成北半球太阳辐射量大幅度降低,形成冰期。当120万年斜率周期和40万年的偏心率周期碰上,就可能产生非周期性的事件如北极冰盖的形成。”

关于两极冰盖的一点闲话:从46亿年的地球历史来看,我们现在处于地球的非常时期。90%以上的时间里地球的气温比现在要高得多(那时的二氧化碳含量和人类一点关系没有),根本没有两极冰盖。南极冰盖是在3000万年前开始形成的,北极冰盖是250万年前才开始形成的。像现在这样两极都有冰盖的情况非常罕见。

从汪品先院士的观点扩展开来,不同的短周期也有叠加的可能性。比如11年的太阳黑子周期一旦和某种洋流周期叠加,就可能造成极冷气候(或极暖气候)。再加上一些无法预测的因素如大型火山突然爆发(1991年皮纳图博火山爆发就让地球平均气温在一年之内下降了近0.5摄氏度),以至于混沌理论的支持者坚称地球气候的长期趋势根本就是不可预测的。

如果我们进一步扩展,气候的长短周期也有套叠的可能性。IPCC报告只是说现在有气温升高的趋势,至于是短期变化还是长期趋势,报告并没有说明。现在的地球处于高温的间冰期,理论上来说气温的长期趋势应该是下降(我们迟早会再回到冰期)。那我们现在观察到的气温上升是不是长期下降中的一个小插曲?

就我们目前对地球气候变化机制的有限理解,这样的问题极难回答。引起气候变化的原因太多了,上面列表的就有十一个,当然还可以列出其他原因,对其中很多原因我们根本搞不明白,可预测性很低,更不要谈可控制性。

联合国专家组也承认目前气候预测的局限性,《IPCC报告》原文如下:

“尽管本报告提供了气候变化科学认识方面新的、重要的政策相关信息,但气候系统的复杂性以及控制其特性的多重相互作用限制了我们充分认识地球气候未来进程的能力。尚不能完全地科学认识气候系统许多分量及其在气候变化中的作用。关键不确定性包括云、冰雪圈、海洋、土地利用以及气候与地球生物化学循环之间的耦合所起的作用。本报告所涉及的科学领域仍在持续飞速发展。”

但是,我们并不能因此就否定《IPCC报告》。这是目前主流科学家对地球未来气候的一份重要分析报告,其预测具有一定的科学依据。虽然有其他科学家坚称自然因素对气候变化的影响才是决定性的,但双方都不否认人类活动增加了地球大气的不稳定性,正在对地球自然气候系统造成影响。唯一的争执在于这种影响到底有多大。

换句话说,人类正在地球上进行一个实验(或称赌博),我们把越来越多的二氧化碳等温室气体排入大气层中,看看地球气候到底会如何变化。这是一个危险的实验,因为我们把自己唯一的家园变成了实验室,而且不肯定实验结果将会怎样。

虽然我们不知道这个实验的结果,但别的实验室的结果是一个很好的参考。金星的大气非常浓厚,相当于90个地球大气压,97%由二氧化碳组成。由于强烈的温室作用,其地表平均气温高达470摄氏度(足够融化铅和锡),这比水星的地表温度摄氏179度还高得多。而水星几乎没有大气,它和太阳的距离是0.57亿公里,金星距离太阳是1.08亿公里。这两个地球的邻居完美说明了二氧化碳的强烈温室作用。

现在,我们开始在地球上进行温室气体试验。但是,地球是人类的唯一家园,我们无处可逃,一旦赌输后果很严重。我们不应该把自己及子孙后代的命运押在一场赔率未知的赌博上,无论赔率是10%,50%还是90%。换句话说,即便联合国《IPCC报告》的预测只有10%准确性,我们也应该尽力减少温室气体的排放,尽可能保持地球大气层结构的相对稳定。

这是我们对全球气候变暖问题应有的态度。


杨飞,2010311日,长沙。

 

参考资料:

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)《2007气候变化综合报告》

美国国会参议院少数党委员会关于气候门事件的报告(英文)

IPCC《技术摘要》

中科院汪品先院士在2007年极地科学研讨班的讲座

此为初稿,请大家指正。谢谢。

 

 

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