上一回，我們講到了葉篤正院士對咱們中國氣象事業(yè)的貢獻，也講到了他很早就注意到了國際氣象學界提出的全球氣候變化的問題，這個問題實際上就是我們現(xiàn)在經(jīng)常說到的全球變暖。咱們這一回終于講到全球變暖這檔子事兒了。19世紀科學家們意識到大氣層有可能會影響到地球的整體溫度。法國的物理學家傅立葉在1827年出版了一篇論文，其中就提到了溫室效應理論。溫室效應的道理也很簡單，太陽發(fā)出的巨大能量是以光的形式輻射到了地球的表面，波長比較短，能量集中在了可見光波段。地球表面吸收了一部分太陽光的能量。通俗點說就是地球表面被曬熱了，地球表面就會以紅外輻射的形式向外散發(fā)熱量。大氣層對于可見光來講幾乎是透明的，但是。對于紅外線來講，卻不是透明的。大氣層吸收了這些紅外輻射，并將其反射到地表，大氣層就像一層被子一樣裹在了地球的表面，地表的熱量散發(fā)不出去。后來物理學家們就對地球表面的平均溫度產(chǎn)生了很大興趣，大氣中的成分很復雜，到底是哪些氣體對地球的溫度有影響呢？這就要提到丁達爾的貢獻了。丁達爾現(xiàn)象
很多人都知道丁達爾現(xiàn)象，如果空氣不那么干凈的話，陽光照進屋子的時候會形成一道一道的光束。這個現(xiàn)象就是他發(fā)現(xiàn)的。他早年間學習的是測繪技術，又正好碰上了英國鐵路大發(fā)展，需要大量測繪人才。所以那一陣子他的工作還是挺忙的，后來。建設鐵路的熱潮過去了，他也就不得不改行了。后來丁達爾跑到德國，在羅伯特·本生的門下學了兩年。后來又回到了英國，在法拉第手下打雜。當時法拉第的老師戴維妒忌法拉第的成就，所以把他發(fā)配到了冷門專業(yè)，讓他去研究晶體和磁學。丁達爾就跟著法拉第一塊兒鼓搗晶體和磁學的各種試驗，他們發(fā)現(xiàn)了抗磁現(xiàn)象。到了1856年，丁達爾考察了阿爾卑斯山，他也成了登山活動的先驅(qū)。從那以后，他每年都會到阿爾卑斯山去。在阿爾卑斯山，丁達爾開始研究冰川和冰川運動。因為對冰川的研究，使得他開始注意到了陽光加熱效應。1859年春天開始研究熱輻射和氣體之間的關系。丁達爾的測量裝置
到了1861年，丁達爾通過試驗測定了氣體吸收和發(fā)射紅外輻射的特征，他發(fā)現(xiàn)整個大氣層里。對溫室效應起到最大作用的是水蒸氣，其次是二氧化碳和甲烷。大氣的主要成分，氮氣和氧氣沒有溫室效應。雖然水蒸氣和二氧化碳在整個大氣層中所占的比例非常小，但是起到主要作用的就是它們。就在丁達爾所處的時代，地質(zhì)學有了快速進步。大家有能力對整個地球的演化進行研究。科學家們發(fā)現(xiàn)，地球的歷史上經(jīng)歷了很多次變冷變暖的交替過程，他們想了解為什么在遙遠的過去地球的表面經(jīng)歷了一次又一次的冰期。當時大家提出了各種各樣的假說，但是誰都沒辦法說服誰。這就引起了瑞典著名化學家阿倫尼烏斯的興趣。阿倫尼烏斯（1909）
這個阿倫尼烏斯1903年因為電化學方面的成就獲得了諾貝爾化學獎。他認為地球大氣層之中的二氧化碳含量可能是導致冰河期循環(huán)的關鍵因素。到了1896年，阿倫尼烏斯利用月光的觀測數(shù)據(jù)，計算了大氣中水蒸氣和二氧化碳對紅外光的吸收特性。這個計算過程很復雜，因為氣溫升高會導致大氣之中的水蒸氣增多，水蒸氣也是溫室氣體。也就是說二氧化碳增加一點點，會像杠桿一樣撬動更多的水蒸氣，加劇溫室效應，這不是單一因素。再說了，氣溫升高，地球上的冰雪就會減少，冰雪能把太陽光反射出去，冰雪減少會使得氣溫變得更熱。這也是一種正反饋機制?？紤]到這些問題，最終的計算結果表明，如果大氣中CO?的含量減少一半左右，可能會導致歐洲的平均氣溫下降約4~5℃，這與冰河時期的情況是一致的。不過當時阿倫尼烏斯還是比較樂觀的，他覺得地球變得越來越暖和是一件好事。隨著全球變暖，冰雪全都融化了。寒冷地區(qū)不就不冷了嘛，原來種不了糧食，現(xiàn)在不就能種糧食了嗎？這有什么不好的？不過當時大家對阿倫尼烏斯的研究不怎么太關注。進入20世紀以后，西方國家的工業(yè)化已經(jīng)是如火如荼地展開了，到了二戰(zhàn)前夕，石化燃料燃燒大約累計排放了1500億噸的二氧化碳。1938年，英國的工程師卡倫德發(fā)表了全球147個氣象站的直接觀測數(shù)據(jù)。他詳細列舉了大氣中二氧化碳的積累速度，水蒸氣和二氧化碳對紅外線的吸收以及二氧化碳對大氣層逆輻射的影響，大氣層逆輻射與氣溫的關系。據(jù)現(xiàn)在的觀察數(shù)據(jù)，自1880年以來二氧化碳濃度在不斷增加，導致地球每年以0.005℃的速度在變熱。卡倫德
當然這個卡倫德也滿懷樂觀情緒，他也覺得全球變暖是一件好事兒。當時大家普遍認為冰河時代是一個非常悲慘的時代，對人類來講是個大災難，所以能夠遠離冰河時代，當然就是一件幸福的事兒。但是這個卡倫達遭到了氣象學界的廣泛質(zhì)疑。說白了還是因為他本人不是干這個專業(yè)的。他是個工程師，是個熱力學專家，專門鼓搗蒸汽機、透平機之類的玩意兒。當時的英國氣象局局長喬治辛普森爵士就認為二氧化碳的含量上升與氣候變暖之間并沒有因果關系，只是巧合而已。你要這么說，卡倫德也沒有辦法回答。他只好說，未來20年的溫度曲線將為評價二氧化碳增溫的準確度提供寶貴的證據(jù)，他把答案留給了時間。但是讓他想不到的是。日后的研究數(shù)據(jù)是大大出乎卡倫德的意料。1938年是啥年份??？全面抗戰(zhàn)已經(jīng)都開始了好久了，1939年歐洲也打起來了，二戰(zhàn)全面爆發(fā)。誰還顧得上全球變暖？大家的關注重點都不在這兒嘛。二戰(zhàn)結束以后，世界的經(jīng)濟開始快速恢復。到了1958年，二氧化碳的排放量幾乎是1945年的兩倍。但是這十幾年間，全球的氣溫卻略有降低。這就奇了怪了。科學家們發(fā)現(xiàn)這件事遠沒有想的那么簡單，因為二氧化碳是可以被吸收的，植物可以把二氧化碳變成氧氣。有大量的二氧化碳實際上會溶解在海水之中。這些因素不能不考慮，所以科學家們不得不去考慮新的反饋機制。世紀營軍事基地
美國人在格陵蘭島的西北部建立了一個軍事基地叫“世紀營”，這個營地用地下的核反應堆提供能源，格陵蘭島有很多冰川，美國人想在這里建立一個能夠威脅蘇聯(lián)的導彈基地。他們在地下挖了很多半埋式的隧道。但是美國人說是進行科學研究，沒說是導彈基地，這種先斬后奏的行動弄得丹麥政府像吃了蒼蠅一樣惡心。但是因為冰川活動，世紀營基地半埋式的地下隧道承受不了這種壓力。后來美國人也就撤離了。但是美國人在這個地方還是搞了一些科學研究的。他們打了一個洞，打穿了冰層，獲得了大約1.4公里長的冰芯。冰川其實是一次次降雪逐漸堆積，被巨大的重量壓成了結實的冰塊，這種冰塊之中夾著很多小氣泡，這些氣泡就成了古代大氣成分的“化石”。通過研究冰芯，可以對古代的地質(zhì)與氣候變遷提供證據(jù)。通過對格陵蘭冰芯的研究，大家發(fā)現(xiàn)末次冰期之中，氣候由暖變冷非?？?，只花了100年時間。上世紀中期，全球的氣候的確是比較冷。再加上美蘇的冷戰(zhàn)，大家都生活在核冬天的陰影之中。幾千枚核彈爆炸引起了遮天蔽日的煙塵，這些煙塵會遮蔽太陽光，造成全球變冷，也就是進入到核冬天?，F(xiàn)在對冰芯的研究加劇了這種擔憂。再加上60~70年代環(huán)保運動開始興起，大家也意識到空氣中的塵埃不是個好東西。保護環(huán)境的思想開始深入人心。到了1972年，這種擔心全球變冷的情緒達到高潮。42位學者在布朗大學召開研討會，聚焦“間冰期何時以及怎樣結束”。他們回顧了古氣候研究進展，初步達成共識：當下的暖期可能在數(shù)百年內(nèi)以快速降溫宣告結束?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)遠遠不夠，現(xiàn)在還不足以預測冰期到來的時間和評估人類活動的影響。 給總統(tǒng)尼克松的信
1972年的年底，哥倫比亞大學拉蒙特-道爾地球觀測臺的臺長喬治·庫克拉和布朗大學地質(zhì)系主任羅伯特·馬修斯聯(lián)名致信尼克松總統(tǒng)。他們說“幅度史無前例的全球氣候惡化，具有非常真實的可能性，而且可能很快到來”。這封信的影響力在氣象學史上可以說是絕無僅有，可把美國政府嚇了一跳，趕快成立了氣候變化委員會來研究這事兒。從此，氣候變化就不僅僅是一個科學研究的問題了。而是一個政治問題。說白了，地球?qū)嵲谔珡碗s了，是個混沌系統(tǒng)。稍微改變一下參數(shù)，結果就會大幅度擺動。這事兒實在太復雜了。就在很多科學家擔心全球變冷，再次進入冰期的時候。也有一些人得出了完全相反的結論。未來的氣候不是變冷，而是變暖。就在1958年3月份，查爾斯·基林就在夏威夷的莫納羅亞山頂安裝了觀測儀器。定點觀測大氣之中的二氧化碳濃度。這個觀測點海拔3400米，夏威夷島遠離一切人類污染，大氣質(zhì)量非常好，這個地方也是眾多大望遠鏡的安裝地，空氣非常純凈，1960年公開了數(shù)據(jù)。當然，數(shù)據(jù)采集一直延續(xù)到了今天，這就是著名的“莫納羅亞曲線”，也叫“基林曲線”。這個數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出鋸齒狀，因為這個地方地處北半球，每年的春夏是植物快速生長的季節(jié)，會吸收大量的二氧化碳。但是在秋冬季節(jié)，隨著植物的凋零，大量以固體形式存在的碳元素又會變成氣態(tài)的二氧化碳。所以，莫納羅亞曲線呈現(xiàn)出鋸齒狀也就一點都不奇怪了。但是排除這些鋸齒狀的波動，看總體趨勢，全球的二氧化碳含量在快速上升，而且還是越來越快。地球海洋化學家布洛克爾冷靜地審閱了世紀營的冰芯數(shù)據(jù)，他發(fā)現(xiàn)過去1000年時間里，世紀營冰芯的溫度變化有80年和180年的周期性波動。從1945年開始的降溫可能就是波動的下降周期。同時，他還用數(shù)值模擬評估了實測的二氧化碳增量對溫度的影響，按照石化燃料3%的增長速度來預測未來溫度變化。最后把數(shù)據(jù)綜合到一起，他斷言，自然降溫會被人類排放二氧化碳引起的溫室效應所抵消。降溫趨勢會在80年代之中的某個時候被逆轉。之后，二氧化碳會主導全球氣溫的變化，在21世紀的最初10年，我們會經(jīng)歷過去1000年里從未有過的溫暖氣候。布洛克爾1975年發(fā)表了論文，標題就是“氣候變化：我們正處在全球變暖的邊緣？”。全球變暖這個詞就此誕生。如今已經(jīng)是2022年了，現(xiàn)實和他所預料的結果基本一致。我們是開了上帝視野在看待這件事，在上世紀70年代中期，大家都懵了，到底全球是變暖還是變冷啊？誰能給個準信兒啊？1979年，美國國家科學院組織了一個由朱爾·查尼領銜的班子，對這件事進行徹底研究。朱爾·查尼的名氣很大，在氣象學界是有威望的。在當時，科學也取得了長足的進步，首先是大家對各種氣體對光的吸收和輻射了解更透徹了，對大氣中的二氧化碳、甲烷、氮氧化物等等氣體都可以給出非常細致的數(shù)據(jù)。另外的進展來自天文學，天體物理學家在研究恒星時候，把恒星發(fā)光輻射機制以及如何加熱恒星大氣也做了相當深入的研究，領銜研究的是錢德拉塞卡，常聽我節(jié)目的朋友們肯定對這個名字不陌生。再說了，到了70年代末，計算機也變得比以前更加強大，計算能力也是今非昔比。朱爾·查尼不就是干這個的嘛。他本人就是計算機數(shù)值天氣預報的開創(chuàng)者。有了計算機的幫助，我們可以計算更加復雜的三維大氣環(huán)流模型。對了，說到數(shù)學計算，別忘了我的數(shù)學史收費專輯【??上圖的二維碼直達購買】，上次講到了歐幾里得幾何學的誕生，下次講初等數(shù)論，大家別忘了去捧個場哦。扯遠了，扯回來。最后，朱爾·查尼提交了一個22頁的報告，這個報告明確指出大氣中的二氧化碳增加一倍，將導致全球變暖1.5~4.5℃。這數(shù)據(jù)是非常準確的，到現(xiàn)在依然沒什么變化。這個報告被遞交給了當時的美國總統(tǒng)卡特。剩下的事兒就是政治家的了。正好在這個時候，中國打開國門，和世界科學界恢復聯(lián)系，所以葉篤正他們幾個就是在哪個時候接觸到了氣候變化這個概念，所以，我們在學術研究上不算落后，搭上了這班車。否者我們在這個問題上連發(fā)言權都沒有。不管是全球變暖還是全球變冷，都跟環(huán)境保護有關系，變冷時因為煙太多，全球變暖是因為二氧化碳太多，反正在這都是燒出來的玩意兒。所以這種事兒就和上世紀開始興起的環(huán)保運動結合在了一起，在民間掀起了很多聲浪。很多相關的跨國公司企業(yè)也因為利益糾葛，開始拼命甩鍋。他們也會找專家，提供評估報告。所以，有關這個問題也還有爭議。
但是政治家們不能等了，世界氣象組織和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署于1988年成立了政府間氣候變化專門委員會（IPCC），由他們來發(fā)布報告。為全世界的決策機構提供參考。IPCC的經(jīng)費來自會員國的捐款，總計600萬歐元，這筆錢花得值啊。IPCC主要是要搞清楚幾件事，首先是從科學角度評估氣候系統(tǒng)如何運行如何變化。然后是社會、經(jīng)濟和自然系統(tǒng)對氣候變化的脆弱性以及適應的可能性。第三條是尋找限制溫室氣體排放和減輕氣候變化負面影響的解決措施。所以，IPCC要出一份報告，基本上要動用全世界幾百位優(yōu)秀的科學家共同協(xié)作才能完成。所以你小看這份報告，拿在手里真是沉甸甸的。目前IPCC已經(jīng)出了5次報告了，今年要出第6次。大家關注的問題漸漸有了答案。1990年的時候，專家們還不能確定溫度快速上升到底是自然原因還是人為因素。第二次報告就已經(jīng)可以明確，人類逃不了干系。人類活動已經(jīng)給氣候帶來了很多不可逆的影響。到了90年代末，曼恩等人給出了一張著名的圖表，也就“曲棍球桿曲線”。他們幾個研究者整理了1000年的溫度數(shù)據(jù)，進入工業(yè)革命以后，氣溫上升速度陡然加快，在圖表上變成了一個翹起的尾巴，非常像曲棍球桿的形狀，所以叫曲棍球桿曲線。就是這樣曲線圖，惹出了一大堆的爭議。因為1000年前是沒有溫度表的，曼恩他們選用了一種樹的年輪數(shù)據(jù)反推當時的氣溫。這就被反對氣候變化的人抓住了小辮子。但是，現(xiàn)在已經(jīng)20多年過去了，科學家們也沒閑著，隨著冰芯、海洋沉積物、珊瑚等等新數(shù)據(jù)不斷添加進來，近100多年來氣溫快速上升這個結論是沒多大問題的。加上曼恩他們的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在的氣溫是1700年來最高的時候，排除他們的數(shù)據(jù)，僅憑其他數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)在是1300年來氣溫最高的時代。我們也要理清一些觀念，地球歷史上有比現(xiàn)在熱得多的時代，但是那時候沒人，跟我們沒關系。我們?nèi)祟惤?jīng)歷過冰河時代，生存環(huán)境非常嚴酷。我們?nèi)祟愐餐^來了。不過那時候是光腳的不怕穿鞋的?，F(xiàn)在就不一樣了，我們有了財產(chǎn)了，我們有了房子，我們過得比古代舒服多了，我們要擔心要顧忌的東西也多了。全球變暖帶來了更多的極端氣候，人類應對這些極端的氣候要付出更多的代價，這些代價其中有我的，也有你的，覆巢之下無完卵。繼續(xù)燃燒石化燃料帶來的好處和引發(fā)的麻煩相比，孰輕孰重？有人賺了便宜，有人倒了霉，你沒看太平洋島國一個個愁眉苦臉，他們的國家真的有可能被水淹了。加拿大和俄國可能還美滋滋的，北極航道說不定能走船了嘛。但是，咱們國家地理跨度太大，南邊有大象，北邊有馴鹿。東邊有大海西邊有沙漠，地理和氣候太復雜了，什么問題我們都會碰上。所以，國家是要算總賬的。科學就是科學，在這方面，咱們國家做的是真不錯，穩(wěn)扎穩(wěn)打，一步一步的改善環(huán)境，長遠布局改變能源策略，一來減少碳排放，二來降低能源安全的風險，三來為新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造機遇。有節(jié)奏，有步驟。不像某些國家，當總統(tǒng)的瞪眼不認賬，到處退群。也不像某些極端環(huán)保人士，除了逃課，除了口嗨，什么實事也不會做。其實有關氣候變化問題，需要全球通力合作，但是在如今的環(huán)境下，實在是很難。歐洲不是開始準備燒煤發(fā)電了嘛，看來二氧化碳是肯定是少不了啊。沒辦法，未來會怎么樣，那就不是我能知道的啦。
氣象學史到此結束。我們下一次講啥呢？你別忘了我是軍迷，福建艦剛下水嘛，大家都關心航空母艦，我們就來講講航母的歷史。我們不見不散。
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