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气候理论的溯源

有关地球变暖的结论并不是所有的人都相信的。因为世界太大，各个地方的人们对于气候变化的感觉和期望是不一样的。在低纬度地区的人们希望地球不要变暖的时候，高纬度地区的人们却希望地球变暖来得更猛烈一些。受多种因素的影响，海平面的上升在各地的表现也不一样。
　　理论比现象更有说服力。透过现象看本质，就是要寻找科学规律，而科学规律的总结就是科学理论。
　　为了更好地惊人醒世，很多仁人志士和天才们，围绕着气候变化的本质，踏上了艰苦而卓绝的探索之路。这种探索是一个漫长的过程。有意思的是，关于气候变化本质的理论，其形成过程可谓是“无心插柳成荫”。
　　这个过程，首先要从一代伟人拿破仑说起。
　　1798年6月22日的深夜，法国埃及远征军的司令官拿破仑站在法国军舰东方号的后甲板上。此刻，地中海的海风温暖而柔和，就像他的故乡科西嘉，带着新鲜葡萄和橄榄油的味道。这次拿破仑要攻击的目标是地中海对岸的埃及——这个历史上赫赫有名的文明古国。拿破仑希望能够重现他的偶像亚历山大当年的辉煌，这也意味着要控制住法国最强大的对手英国与其最富裕的殖民地印度之间的联系通道。
　　为了实现这个雄伟的目标，拿破仑派出了13艘战列舰、329艘运输船——装载着38000名法国最优秀的陆军官兵。尽管在这场远征埃及的战役中，拿破仑的海军不敌英国纳尔逊勋爵指挥的海军，全军覆没，最终使得拿破仑败走麦城，但在征服埃及的陆地战争中，拿破仑的军队还是取得了巨大的胜利。拿破仑的天才之处在于他具有超越时空的眼光，在这支远征军的队伍中，拿破仑带上了一批法国科学院的院士和科学家。
　　拿破仑远征埃及的成果，带给科学界的远比带给法国政府的多。
　　在拿破仑带到埃及的法国科学家中，有一位叫让·巴蒂斯特·约瑟夫·傅里叶（1768～1830），是一位著名的法国数学家物理学家和埃及学家，他最早使用定积分符号，改进符号法则及根数判别方法，是傅里叶级数（三角级数）创始人。
　　1768年3月21日，傅里叶出生于法国中部欧塞尔的一个裁缝家庭，8岁时沦为孤儿，后来他就读于地方军校，1795年任巴黎综合工科大学助教。1798年，傅里叶随拿破仑军队远征埃及，成为拿破仑的得力助手。
　　傅里叶的埃及之行，既是其人生道路的重大转折，也给他带来了一辈子的痛苦。因为受到拿破仑器重，回法国后，随着拿破仑的得势，而被任命为法国格勒诺布尔省省长，成为了一名名副其实的高干。但也是在埃及期间，傅里叶不幸患上了一种病，叫做黏液水肿——一种总是让人感觉非常寒冷的疾病，因此，不管在什么天气情况下，他都必须穿上一件厚厚的大衣。在长期穿大衣的过程中，傅里叶天才的光芒开始闪现。傅里叶的研究，改变了人类对大气层的认知。
　　傅里叶在1820年开始思考一个之前人类从来没有思考过的问题，那就是地球的热量是从哪里来的。在长期的思考研究之后，他得出了一个结论：尽管地球确实将大量的热量反射回太空，但大气层还是保留了其中的一部分并将其重新反射回地球表面。他将此比做一个巨大的钟形容器，顶端由云和气体构成，能够保留足够的热量，使得生命的存在成为可能。为此，他写出了一篇名垂青史的论文，题目叫做《地球及其表层空间温度概述》。这篇论文发表于1824年，而在此之前，由于对热传导理论的巨大贡献，他于1817年当选为法兰西科学院院士，1822年成为科学院终身秘书。遗憾的是，傅里叶1824年发表的这篇论文并没有被看成是他的最佳之作。这篇现在我们看来光芒万丈的论文，在发表的时候，没有引起任何一点儿反应，几乎成为了傅里叶一项自娱自乐的研究成果。
　　现在的科学技术已经充分证明了傅里叶的这个研究成果。地球之所以拥有热量，不至于使地球表面平均温度处于零下15摄氏度，而是很适合人类生存的零上15摄氏度，要充分感谢地球表面的大气层，感谢大气层中的温室气体。因为地球红外线在向太空辐射的过程中，被地球周围大气层中的某些气体或化合物吸收，这才最终导致地球表面温度普遍上升，所以这些气体的功用和温室玻璃有着异曲同工之妙——只允许太阳光进，而阻止其反射，进而实现保温、升温作用，因此它们被称为温室气体。其中既包括大气层中原来就有的水蒸气、二氧化碳、氮的各种氧化物，也包括近几十年来人类活动排放的氯氟甲烷、氢氟化物、全氟化物、硫氟化物等。种类不同，吸热能力也不同，每分子甲烷的吸热量是二氧化碳的21倍，氮氧化合物更高，是二氧化碳的270倍。不过它们和人造的某些温室气体相比就不算什么了，目前为止，吸热能力最强的是氯氟甲烷和全氟化物。
　　人类历史的转折点，常常源于伟大人物和天才们瞬间迸发的灵感。很多人和牛顿一样都躺在苹果树下休息，但大部分人只看到了苹果掉下来，牛顿却在思考为什么苹果不能飞上去，进而得出了万有引力定律，为人类的科学史翻开了具有里程碑意义的新篇章。同样，对于地球为何能够有热量存在这一问题的回答，也来源于傅里叶天才般的灵感迸发。他的这一发现，直接开启了人类关于气候变化的系列理论的建立，也构筑出了如今最热的低碳概念的理论基础。
　　在傅里叶逝世29年后的1859年6月10日，也就是查尔斯?达尔文的著作《物种起源》问世6个月前，物理学家约翰?廷德尔在伦敦皇家学会进行了一系列不同寻常的实验演示。演示会由阿尔贝亲王亲自主持。即便如此，无论是阿尔贝亲王、廷德尔，还是台下那些受人景仰的听众，都无法预料到150年后这次实验的结果将在多大程度上影响世界。廷德尔在实验室里测试了傅里叶提出的理论。他证明热能辐射（即今天我们所谓的长波辐射）的确可以被某些气体所吸收，二氧化碳就可以起到这种作用。1859年，廷德尔用优美凝练的语言对温室效应进行了描述：“大气吸收了入射的太阳热量，但却阻止了这些热量的散失，其结果造成了热量在地表的逐渐聚积。”也因为廷德尔这个实验，现在世界上有了一个对气候变化研究颇有影响的英国廷德尔气候变化研究中心。看来，人只要做对了事情，只要选对了方向，总会被历史记住的。
　　真正让傅里叶的心血发扬光大的还是一位比廷德尔影响更大的天才。他就是瑞典物理化学家斯文特?阿列纽斯。每一位化学爱好者都应该知道这一等式：k=Ae-E　/RT。它描述了化学反应速率（k）与温度（T）以及反应活化能E　之间的关系。这个方程式就以他的名字命名为阿列纽斯方程式。
　　与同时代众多的科学大师一样，阿列纽斯从小就表现出了卓越的天赋。3岁起，在没有父母引导的情况下，阿列纽斯开始了自学。8岁的时候，他直接进入了当地的教堂学校，从五年级开始读书，并在数学和物理方面展现出超人的才华。之后他进入了乌普萨拉大学，从事化学方面的学习和研究。1884年，阿列纽斯向学校提交了长达150页的博士论文，但遗憾的是，教授们并没有给出太高的评价，这篇论文只获得了D，在其努力抗议之下才被重新评定为C。颇具讽刺意味的是，他在这篇论文基础之上进行了进一步研究，并于1887年提出了关于电解质在水溶液中部分离解成完全自由的离子的阿列纽斯理论。这个理论是物理化学发展初期的重要发现，为此，他获得了1903年的诺贝尔化学奖，而同年的诺贝尔物理奖得主则是大名鼎鼎的居里夫人。
　　生活在瑞典这个冰天雪地世界中的斯文特?阿列纽斯，一直非常渴望能够看到更多的阳光，沐浴在温暖中。在读过傅里叶的论文后，斯文特?阿列纽斯很有触动，在1896年率先提出了温室效应学说。阿列纽斯提出了由于人类使用化石燃料，向大气排放二氧化碳，将使地球表面温度不断升高的观点，并给出了二氧化碳排放与大气温度之间的定量关系：如果二氧化碳的数量以几何级数增加，那么大气温度将以算术级数增长。他研究出了第一个用以计算二氧化碳对地球表现温度影响的理论模型。他得出的结论是，如果大气层中的二氧化碳含量减少约40%，地球表面温度就会下降4～5摄氏度，并可引发一个新的冰川期。同理，大气层中的二氧化碳含量翻番的话，地球表面温度就会上升5～6摄氏度。
　　他还估计，大概需要3000年的时间来燃烧矿物燃料，才能使大气层中的二氧化碳含量翻番。那时小冰川期大概已近尾声，对于一个习惯了当时斯堪的纳维亚半岛寒冷冬天的人而言，天气逐渐变暖似乎是一个令人振奋的前景，完全没有现在人类对地球变暖的担忧。
　　1908年，斯文特?阿列纽斯在著作《形成中的世界》中进一步指出：由于工业的迅速发展，大气中二氧化碳的比重在未来几个世纪中会增加到引人注目的程度。将人类的活动与大气温度联系到一起是一个天才的发现。即使是天才，阿列纽斯也只算到当时的二氧化碳与温度变化的关系，只设想到需要3000年的时间来燃烧矿物燃料，才能使大气中二氧化碳的含量翻番。
　　或许阿列纽斯没有想到的是，历史的变化会如此迅猛，人类的发展会如此快速。阿列纽斯于1927年逝世，半个多世纪之后，他的一个科学主张竟然会意外地成为一场旷日持久的气候之争的焦点，并进一步引发了一场浩大的低碳革命。
　　在阿列纽斯发表其计算结果几年后，得克萨斯州的斯平德托普油田突现于世，然后又在得克萨斯州和俄克拉何马州发现了其他储量丰富的油田。亨利?福特的T型汽车取代马匹的速度比任何人预想的都要快得多，而爱迪生发明的电灯也推动了人类社会对电力生产的需求。矿物燃料燃烧量增加的速度远远超过了阿列纽斯的预测，人类排放到大气中的二氧化碳急速增加。
　　但正沉醉在工业革命取得的伟大建设成就而沾沾自喜的民众，没有人再去研究阿列纽斯的这个研究成果，也没有人关心二氧化碳排放是否会引起地球气候的变化。
　　但英国的蒸汽工程师乔治?卡伦德除外，他于1938年发表了一篇文章，题目为《人为生成的二氧化碳及其对气温的影响》。卡伦德根据1880～1934年间从世界各地200个气象站收集来的数据，计算出当时地球的气温已经升高了0.55摄氏度。他预计，由于二氧化碳不断被排放到大气层，21世纪地球的表现温度将会上升1.1摄氏度。
　　卡伦德是一名业余气候学家，蒸汽工程师的身份使他在物理学和动力学方面受过良好的职业训练，并且在没有自动化计算的条件下，卡伦德能够从全球范围内的大量天气数据中发现规律，这也体现了一名工程师出色的分析和归纳能力。
　　但在那个时候，世界气候学界论资排辈的现象很严重。那些正宗的气候学家们，看不起这个不是科班出身的卡伦德，认为他只是在自以为是地自娱自乐。为此卡伦德的研究，一直没有进入主流气候学界。历史依旧保持着公正，后来的主流科学家将人类活动产生的二氧化碳对气候变化的影响定义为“卡伦德效应”。这一举动意味着卡伦德的贡献最终得到了科学和历史的认可。
　　1944年，人类活动对气候变化影响的研究正式离开傅里叶、阿列纽斯这种天才式的玩票性质，正式告别卡伦德这样的草根研究阶段，进入主流科学家的视野。当时，英国著名的气候学家戈登?曼利注意到了卡伦德研究工作的价值。不过，那时的主流科学家们似乎太在意卡伦德低微的科学出身了，没有多少人真正重视一位业余爱好者的结论。直到1954年，美国一名26岁的年轻学者查尔斯?基林虚心请教了卡伦德，在其工作的基础上正式开始了对温室效应的研究。
　　在基林开始研究温室效应问题的时候，科学界已经从理论上认识到，大气中二氧化碳的含量会因为煤、石油等化石燃料的燃烧而出现全球尺度的变化。但对于由人类活动增加的二氧化碳，到底是会累积在地球大气中还是被海洋和陆地植被所吸收则没有任何认识。基林的研究正好破解了这个核心问题。
　　1928年4月20日出生于美国宾夕法尼亚州的基林，按照现在的标准来说，绝对是个好青年。他谦虚，所以能够不顾自己科班出身，低下头向卡伦德这个草根请教。1948年，他在伊利诺伊大学获得化学和同位素地球化学专业学士学位，1954年他在美国西北大学获得博士学位后，来到加州技术研究所做博士后，开展地球化学方面的研究时，开始对观测大气中二氧化碳的含量问题感兴趣。
　　基林是被时任加州大学斯克里普斯海洋学研究所主任的罗杰?雷维尔钦点招进这个研究所的。斯克里普斯海洋学研究所是世界上在海洋学研究方面最好的研究所之一，而雷维尔则是1957～1958年国际地球物理年（IGY）的创立者之一，国际地球物理年是世界各国同时对地球物理现象进行联合观测的一次活动。
　　罗杰?雷维尔因为对基林的欣赏，在国际地球物理年中特意资助基林在夏威夷的冒纳罗亚火山上建立了一个气象观测基地。基林从1958年开始，在这个基地上用自己发明的设备收集二氧化碳样本，并取得了一系列成果。1961年，他提出了著名的“基林曲线”，这一曲线清楚地表明：大气中二氧化碳的含量一直在稳定的增长。基林所收集的数据创造了世界上对大气中二氧化碳含量水平连续观测时间最长的纪录，这项工作为全球气候变化的研究打下了可靠的基础。
　　加州大学斯克里普斯海洋学研究所所长查尔斯?肯内尔甚至认为，科学史上有三次科学观测产生了重大改变：第谷?布拉赫的行星观测导致牛顿重力理论；阿尔伯特?迈克耳逊关于光速的观测让爱因斯坦创造了相对论；而基林对大气中二氧化碳的观测则搭建了今天对气候变化问题的深刻反省。
　　基林也因此获得了诸多殊荣。2002年，74岁的基林获得了美国总统乔治?布什颁发的国家科学奖，这是美国科学界代表最高荣誉的终生成就奖。
　　图1-1著名的基林曲线（图中照片为冒纳罗亚火山气象观测基地）
　　有了基林的研究做基础，在接下来的20年里，针对全球气候变暖的分析迅速增加。在1975年的《科学》杂志上，哥伦比亚大学的华莱士?E.布勒克尔预测，在下个十年期间，全球气候变暖的趋势将会大幅增长。两年后，美国国家科学院发表了一篇题为《能源与气候》的报告。报告称，对于可能存在的全球气候变暖问题，我们既不应当恐慌，也不应当无动于衷，而是要加强这方面的研究。
　　同年，威廉?凯洛格和玛格丽特?米德发表了《大气：已经并正处在危险中》一文。作者在文中要求制定一部《空气法》，以使各个国家都同意将其二氧化碳的排放量减少至某个共同商定的标准。这可以说是后来举世闻名的《京都议定书》的基础。
　　随着20世纪70年代的过去及80年代的到来，老天爷似乎一心要应验人们的预测似的。中纬度冰川退缩的速度从每年30米增加到了每年40米。1979～1994年期间，阿拉斯加寒冷的北坡布鲁克斯岭脚下图利克湖的水温上升了5.4摄氏度。北极的冰盖萎缩了6%，雪线也持续升高，有关大气层的计算机模型预测的结果显示的变暖程度更甚。
　　1987年，联合国、加拿大和世界气象协会共同发起召开了一次会议，来自于46个国家的共330位科学家和决策人聚集在一起，最后发表了一份声明。声明说，“人类正在全球范围内无意识地进行着一场规模巨大的实验，其最终后果可能仅次于一场全球性核战争”。他们进而敦促发达国家立即采取行动，减少温室气体的排放量。
　　历史转折点出现在1988年。在很多中国人的记忆里，那一年属于精彩的汉城奥运会。但在应对气候变化的历史上，这一年敲响了全球气候变暖的警钟。这是有史以来最热的一年，超过了20世纪80年代中曾创下短暂的高温纪录的另外三个年头，69个美国城市，还有莫斯科，分别创下了最高的单日高温纪录。在洛杉矶，温度计的水银柱指向了43摄氏度，一天之内有400个变压器爆炸。而美国中西部则遭受了自20世纪30年代“黑风暴”事件以来最严重的旱灾，黄石国家公园似乎快要燃烧起来了。
　　在这一年期间，詹姆斯?汉森——美国国家航空航天局戈达德太空研究所主任，在美国参议院能源和自然资源委员会上作证时说：“温室效应的存在业已查明，此时它正改变着我们的气候。”他百分之九十九地相信，当时的高温表明确有天气变暖的趋势，而不仅仅是自然变化。他补充说：“我们正在以不正当的手段破坏气候。”可以说，由汉森这样的专家在美国参议院庄严的会议厅中所作的这番陈辞，标志着人类阻止全球气候变暖的行动真正开始了。
　　在无数媒体的聚光灯下，这场作证让汉森戴上了应对气候变化问题的意见领袖的帽子。从此，这位意见领袖成为了最激进的低碳主义者。在他的眼里，后来宣布退出《京都议定书》的美国总统小布什几乎是世界上最邪恶的人。
　　就在这个酷热的夏季，联合国环境规划署与世界气象组织一同在多伦多召开会议，决定成立政府间气候变化专门委员会。这标志着对地球变暖的研究从以前的个人单枪匹马的行为，转化成一种集中全世界所有顶尖科学家的集体研究。政府间气候变化专门委员会汇集了全球的科学家，对气候变化的科研成果进行评估，为政治决策提供科学基础。至此，科学研究进入政治层面，评估范围逐步扩展，气候分析日渐深入，对各国气候谈判的演进提供了科学基础。
　　参与政府间气候变化专门委员会的科学家有数千名之多，为此政府间气候变化专门委员会制定了非常规范的管理办法，设立了严格的组织机构。政府间气候变化专门委员会是一个政府间机构，它向联合国环境规划署和世界气象组织的所有成员国开放。在大约每年一次的委员会全会上，与会者就它的结构、原则、程序和工作计划作出决定，并选举主席和主席团。政府间气候变化专门委员会设有三个工作组：第一工作组评估气候系统和气候变化的科学问题；第二工作组的工作针对气候变化导致社会经济和自然系统的脆弱性、气候变化的正负两方面后果及其适应方案；第三工作组评估限制温室气体排放和减缓气候变化的方案。除此之外，政府间气候变化专门委员会还设立了一个国家温室气体清单专题组。每个工作组（专题组）设两名联合主席，分别来自发展中国家和发达国家，其下设一个技术支持组。
　　政府间气候变化专门委员会本身并不从事科学研究，但会对全世界每年数千篇已出版并已通过细审的气候变化文献进行评估，每5年左右归结成评估报告发布。每份报告都凝结了数千名科学家的研究成果。到现在为止，政府间气候变化专门委员会总共发布了4份评估报告。这4份评估报告，就成为了政府间气候变化专门委员会登上世界舞台的最具杀伤力的武器。每次使用这一武器，都引起全球的巨大轰动。
　　1990年政府间气候变化专门委员会第一次评估报告确认了针对有关气候变化问题的科学基础。报告序篇《给决策者摘要》一文中，第一次将“人类活动导致全球气候变暖”作为主流理论提出。这标志着，人类对于地球变暖的主流理论最终建立。它促使联合国大会作出制定《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）的决定，该公约于1994年3月生效。
　　1995年发布的第二次评估报告证实了第一次报告的结论，并进一步指出，人类活动对全球气候变化具有可辨识的影响。
　　2001年发布的第三次评估报告进一步证实气候变化不可避免，指出近50年的全球气候变暖主要是由人类活动大量排放的二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体的增温效应造成的，并将气候变化与可持续发展联系起来。第二次和第三次评估报告，为1997年《京都议定书》通过以及2005年《京都议定书》生效铺平了道路。理论开始发挥指导实践的价值。
　　在政府间气候变化专门委员会发布的第三次评估报告中，诞生了一条和“基林曲线”具有同样影响力的曲线。美国宾夕法尼亚州立大学年轻的气候学家迈克尔?曼绘制的新的温度分布图荣登首页的重要位置，这就是著名的“曲棍球棒”图表。迈克尔?曼等根据全球仪器测量纪录及从冰芯、石笋、珊瑚、树木年轮等自然资料中获得的历史气候数据，建立了近千年来的北半球温度序列。迈克尔?曼强调近千年来北半球温度处于缓慢下降的过程中，直至20世纪才突然上升，并把这条曲线形象地比喻为“曲棍球棒”。其中心思想是，20世纪地球变暖是近千年来前所未有的，所以20世纪地球变暖是人类活动影响造成的，也就是温室效应加剧的结果。
　　2007年2月，政府间气候变化专门委员会发布的第四次评估报告指出，气候变化发生的程度比之前估计的要高，其负面影响比之前估计的还要严重，近50年全球气候变暖超过90%的可能性是由人类活动（尤其是化石燃料的使用）引起，气候变化“极可能”是人为因素引起的。如果说此前气候变化与人为因素之间的关系及其影响在科学上还存在不确定性，最新的评估报告则打消了这种不确定性，表明全球科学层面，大多数科学家对人类活动对气候变化的负面影响已达成共识。
　　这份报告提到，如果想要逆转气候灾难，需要将大气中的温室气体浓度稳定在450～550ppmppm，一百万体积的空气中所含污染物的体积数。——编者注二氧化碳当量。这就要求到2050年，全球温室气体的排放量在现在的基础上削减25%，甚至更多。
　　至此，从1824年到2007年，人类用长达183年的时间，总算在主流的科学界，建立了一套基于地球变暖问题的科学理论。

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