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        云層加速全球變暖?

        2018-02-19 02:53:40
        廈門科技 2018年1期
        關(guān)鍵詞:低空云層高空

        今天,眾多專家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出超過20個(gè)復(fù)雜的氣候模型,并用大量氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)。所有模型都顯示,由于溫室氣體持續(xù)排放,地球正在變暖。但是多年來,它們始終無法對云的影響做出統(tǒng)一判斷?,F(xiàn)在,這一情況開始改變,不同模型對云的模擬結(jié)果開始趨于相同。衛(wèi)星數(shù)據(jù)和其他觀測數(shù)據(jù)一起,揭示出變化的云層正在怎樣改變地球。那么,這些新見解是會給我們帶來希望,還是會加深我們的恐懼呢?

        加速全球變暖的循環(huán)

        想象一下工業(yè)革命前夕的地球。六大洲的人類已經(jīng)在砍伐森林,建造牧場和城鎮(zhèn)。然而幾千年來,大氣中的CO2濃度都保持在280ppm(百萬分之一)。之后,人類發(fā)明了內(nèi)燃機(jī)??爝M(jìn)到20世紀(jì)末,此時(shí)大氣中的CO2濃度已經(jīng)大大增加了。截至2017年,大氣中CO2濃度已經(jīng)超過400ppm。這一巨變影響了整個(gè)星球系統(tǒng),承載著我們呼吸的對流層也在變暖。大陸在升溫,淺海也在升溫。大氣中,空氣和水蒸氣循環(huán)開始發(fā)生改變。按照目前的趨勢,到本世紀(jì)中期,大氣中CO2濃度將達(dá)到工業(yè)革命前的兩倍,地球?qū)⑦M(jìn)一步加熱。幾百年之后,地球最終將在更高的溫度下達(dá)到新的平衡。

        地球?qū)O2濃度加倍的響應(yīng)被稱為 “平衡氣候敏感度”(equilibrium climate sensitivity,簡稱ECS)。每一個(gè)氣候模型都顯示,ECS大于0,也就是說,當(dāng)大氣中CO2含量加倍時(shí),會有一定程度的氣候變暖。但是,這些模型對變暖程度的預(yù)測從2℃到4.5℃不等,從造成顯著影響到產(chǎn)生災(zāi)難性后果。

        這些模型的預(yù)測結(jié)果之所以不一樣,很大程度上是因?yàn)樗鼈儗υ频目捶ú煌?。如果能更好地處理云的問題,我們就能大大縮小地球變暖的變化范圍,做出更準(zhǔn)確、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)念A(yù)測。但是,準(zhǔn)確評估云的影響并不容易,原因有兩個(gè):第一,氣候變暖對不同種類的云的影響不同;第二,云的變化能以多種方式影響氣候變暖。

        這種雙向交互作用就是反饋。我們對一些氣候反饋機(jī)制了解頗深。比如說,海冰的顏色亮白,因此能將大部分太陽光線反射回太空,但它們?nèi)诨?,顏色更深的海水顯露出來,就無法反射原來那么多的陽光了。這會讓空氣變暖,導(dǎo)致更多的海冰融化,露出更多深色海洋,反射更少的陽光。這樣,一個(gè)加速全球變暖的循環(huán)反饋機(jī)制就形成了。我們對這類正反饋機(jī)制的研究相當(dāng)成熟,對于這類機(jī)制會如何影響氣候變化,大多數(shù)氣候模型的預(yù)測也是一致的。

        了解云的反饋機(jī)制要困難得多。和自然歷史博物館的檔案員一樣,氣候科學(xué)家也創(chuàng)造了一種粗略的云分類法,根據(jù)不同的特征對云進(jìn)行區(qū)分。這里面云的兩個(gè)基本屬性是,云距離地表的高度和云的透明度。低空云有時(shí)相對透明,在晴朗天氣里看起來就像打散的泡芙一樣蓬松;有時(shí)卻完全不透明,就像海邊彌漫的霧。高空云也有不同的形態(tài),從幾乎不會遮擋住陽光的縷狀云,到在雷暴天氣中遮天蔽日、壓城欲摧的烏云,同樣變化多端,各有不同。

        這套分類法很管用,因?yàn)樗黠@地指出了云層影響地球變暖或變冷的主要方式。有些云能困住來自地球的熱量,只把一部分熱量輻射到外部空間,因此會加劇溫室效應(yīng)。如果沒有它們,地球會變得更泠。就保溫而言,位于寒冷高空的云層表現(xiàn)得尤為出色。

        其他的云則起相反的作用,它們阻擋陽光到達(dá)地球表面,讓地面保持涼爽。這種效應(yīng)在低空厚云層中非常明顯。在目前的氣候條件下,這種效應(yīng)要強(qiáng)于云層的溫室效應(yīng)。事實(shí)上,目前云層的凈制冷效果依然強(qiáng)大,比CO2濃度加倍導(dǎo)致的升溫效果還要強(qiáng)5倍左右。

        這就意味著,哪怕是微小的云層變化也會產(chǎn)生巨大的影響。如果透明的高空云增多,入射的太陽光不受影響,但它們能鎖住更多熱量,這樣地球就會變暖。如果不透明的低空云增多,陽光被擋在外面,地球就會變得更冷。云的遷移一樣重要:當(dāng)反射陽光的云從明媚的熱帶和亞熱帶遷移到寒冷黑暗的極地,它們的冷卻效果就會減弱。云層的高度也很重要:高空云移到更寒冷的高處后,它們的溫室效應(yīng)就會加強(qiáng)變暖的地球也會改變寒冷高空云中冰晶和水滴的比例,讓它們變得更加濕潤、厚實(shí),從而阻擋更多的陽光。

        這些效果沒有一個(gè)是孤立存在的,也正因如此,氣候模型對云的處理就格外困難。一些模型顯示,云層是強(qiáng)烈的正反饋,將顯著加劇全球變暖。有些模型則顯示,云層是微弱的負(fù)反饋,能輕微減緩全球變暖。把云層看作是最強(qiáng)烈的正反饋的模型,預(yù)測的平衡氣候敏感度是2℃到4.5℃這個(gè)升溫范圍的最大值。

        我們無法很好地模擬云,這一點(diǎn)兒都不奇怪。因?yàn)樵瓶梢院艽?,也可以很小。云雖由微小的水滴和冰晶組成,卻始終覆蓋著地球70%以上的地區(qū)。在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)模型時(shí),我們必須有所取舍:是關(guān)注細(xì)節(jié),在一小塊區(qū)域詳細(xì)地模擬云中的每顆水滴,和它們的湍流運(yùn)動,還是在宏觀上,模擬云層上升、下沉,將水蒸氣帶到世界各個(gè)角落的大規(guī)模運(yùn)動。魚與熊掌不可兼得。我們無法追蹤任意時(shí)刻、整個(gè)大氣中每一顆水滴的行為,因?yàn)檫\(yùn)算量太大了。

        因此,我們嘗試將微觀和宏觀統(tǒng)一起來,也知道這樣做意味著要有所妥協(xié)。一個(gè)全球氣候模型,應(yīng)當(dāng)使用簡單的參數(shù)來描述總體行為。我們根據(jù)大氣物理學(xué)知識得出這些參數(shù),并通過與全球小區(qū)域的精細(xì)氣候模型對比,然后進(jìn)行測試并加以改進(jìn)。

        當(dāng)然,現(xiàn)在仍沒有一個(gè)統(tǒng)一宏觀和微觀的完美模型。那有沒有可能找到呢?

        云層怎樣變化?

        現(xiàn)在,我們先來解決第一個(gè)挑戰(zhàn):高空云。通過測量,我們有充分的理由相信氣候會重塑大氣,進(jìn)一步提升對流層(產(chǎn)生各種天氣的低空大氣層)與上方的平流層之間的邊界。我們推測,高空云會隨著升高的邊界線一起上升。

        勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermore National Laboratory)的科學(xué)家馬克·澤林卡(Mark Zelinka)深入思考過這一提升的影響。他表示,當(dāng)?shù)厍蛟贑O2的影響下變得更暖和時(shí),它會通過紅外輻射向太空傳遞熱量,給自己降溫。如果高空云仍在原來的高度上,它們就會和大氣同步變暖。這樣一來,高空云就會向太空輻射更多的熱量。但是,澤林卡等人會認(rèn)為,高空云的高度會升高,讓自己的溫度保持跟之前一樣。因此,它們不能把所有增加的熱量都輻射到太空中,沒有輻射走的那部分熱量就會反過來進(jìn)一步加熱大氣。這樣就會形成一個(gè)正反饋:高空云越升越高,地球自我冷卻的能力也就越來越弱。

        那么,低空云又將如何變化呢?氣候模型似乎都認(rèn)為,地球變暖,低空云將會減少。然而,英國氣象局(Met Office)的氣候?qū)W家、云反饋模型對比項(xiàng)目(Cloud Feedback Model Intercomparison Project,CFMIP)的馬克·韋伯(Mark Webb)卻認(rèn)為,實(shí)際情況要更為復(fù)雜(不知道是單純巧合,還是我們這個(gè)領(lǐng)域的多樣化程度實(shí)在不高,很多云層研究專家都叫馬克)。韋伯跟同事爭論的是,為什么地球變暖會導(dǎo)致低空云減少。這一現(xiàn)象背后的機(jī)制,可能與濕潤的低空云被上層干燥空氣以對流或湍流的方式稀釋有關(guān)。韋伯表示,傳統(tǒng)模型的計(jì)算能力不夠,沒法直接模擬這些局部過程,只能給出估計(jì)值,彼此差別很大。雖然不同模型對低空云層減少多少意見不一,但關(guān)鍵的一點(diǎn)是,大多數(shù)模型都認(rèn)為低空云會減少。低空云的減少意味著,反射回太空的陽光也會減少,這樣就又形成一個(gè)加速全球變暖的正反饋。

        還有一個(gè)效應(yīng)需要考慮。大氣的整體環(huán)流,主要是由赤道和兩極在光照和溫度上的差異驅(qū)動。溫暖的熱帶空氣會上升,并逐漸冷卻。上升到高空之后,空氣就開始向更冷的兩極地區(qū)橫向移動。在移動的過程中,空氣變冷并在緯度30°左右的地區(qū)下沉回到地面。下沉過程中,空氣又變得溫暖、干燥起來。上升的空氣在冷卻時(shí)帶來降水,因此熱空氣帶地區(qū)是多雨氣候,而空氣下沉地區(qū)則是沙漠型氣候。

        氣候變化將改變這一模式。北半球高緯度地區(qū)比熱帶地區(qū)升溫快,這一現(xiàn)象被稱為北極放大效應(yīng)(Arctic amplification),會導(dǎo)致兩極和赤道之間的溫差縮小?,F(xiàn)在,二者的溫差已經(jīng)縮小了,并將帶來巨變。或許,最重要的一個(gè)后果是熱帶地區(qū)擴(kuò)張,將多雨帶和干燥帶推向兩極。這對陸地的影響之一,是多雨帶和干燥帶的交界地區(qū),比如地中海、薩赫勒和美國西南部地區(qū),很可能會變得更加干燥。事實(shí)上,我和勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的席琳·邦菲斯(Céline Bonfils)最近分析了衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)跟預(yù)期一樣,這些地區(qū)的降水模式發(fā)生了變化。如果云也跟著一起遷移,云的反射層也會從低緯度地區(qū)遷移到高緯度地區(qū)。而高緯度地區(qū)光照強(qiáng)度弱,與在熱帶地區(qū)相比,云的降溫效果就會下降。

        要改進(jìn)氣候模型,還有一個(gè)復(fù)雜的因素必須加以考慮:全球變暖會改變云的組成。云是由微小的水滴和冰晶顆粒組成,厚實(shí)的低空云往往含水量更高,透明度比薄薄的高空云低。當(dāng)氣候變暖時(shí),更多高空云中的冰晶融化成液體,導(dǎo)致透明度降低,從而擋住更多的陽光。澤林卡表示,如果冰云“解凍”,它就會變得更濕潤、“多汁”。這種負(fù)反饋是抑制全球變暖的重要剎車器。

        接近真相的預(yù)測

        前面提到,不同模型預(yù)測的全球溫度上升區(qū)間在2℃到4.5℃。因?yàn)樽兓喽说脑?,縮小這一預(yù)測區(qū)間變得無比困難。但是,我們有一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫可以用:過去發(fā)生的歷史。

        自從20世紀(jì)80年代人類把氣象衛(wèi)星送入地球軌道以來,我們就開始觀測云層了。我們將模型與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,從而改進(jìn)模型。但是,有些較為老舊的衛(wèi)星的測量結(jié)果可能會有問題。地球觀測衛(wèi)星上的攝像儀器,通過從黑色背景中找尋白色物體的方式來找云。但是,它們無法將云和其他白色物體區(qū)分開來,尤其是無法區(qū)分富含冰晶的云和白雪皚皚的地面。此外,高空云還會掩蓋低空云層的變化。

        但是,在過去十年間,我們的觀測有了很大進(jìn)步,主要?dú)w功于“午后列車”(A-train)。美國航空航天局的“午后星座”(Afternoon Constellation),又稱“午后列車”,是由六顆地球觀測衛(wèi)星組成的一組飛行衛(wèi)星。它們按照一條軌道飛行,通過燃燒燃料保持軌道穩(wěn)定。其中的兩顆,云探測衛(wèi)星(Cloud-Sat)和云-浮質(zhì)激光雷達(dá)及紅外探險(xiǎn)者衛(wèi)星(CALIPSO)為我們提供了無比寶貴的信息。CloudSat衛(wèi)星使用的無線電波,能輕易穿透輕薄的高空云,探測更為厚實(shí)的低空云層。它還能判斷某片云是在降水還是在降雪。CALIPSO衛(wèi)星利用激光雷達(dá)來對云進(jìn)行成像,能分辨出云是由冰晶組成,還是由水滴組成。

        這些衛(wèi)星一起加深了我們對云層的理解,告訴我們云在未來會如何變化。觀測結(jié)果似乎支持我們的觀點(diǎn),即隨著地球變暖,高空云在上升,地球的自我冷卻能力也會因此降低。還有一項(xiàng)近期研究揭示出,只有一部分高空云出現(xiàn)液滴增加,冰晶減少的現(xiàn)象,并非所有高空云都是如此,跟預(yù)期不符。這意味著,高空云含水量上升的負(fù)反饋可能并不像我們之前想象的那樣明顯。

        CloudSat衛(wèi)星和CALIPSO衛(wèi)星于2006年發(fā)射升空,它們的數(shù)據(jù)記錄時(shí)間太短,不足以讓我們在氣候的自然波動中確認(rèn)氣候變化。為了加深理解,設(shè)計(jì)用于觀測短期天氣趨勢的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也被科學(xué)家納入研究范圍。值得一提的有兩個(gè)項(xiàng)目,一個(gè)是國際衛(wèi)星云氣候?qū)W項(xiàng)目(International Satellite Cloud Climatology Project),另一個(gè)是探路者大氣擴(kuò) 展項(xiàng) 目 (Pathfinder Atmospheres-Extended Project),但是,美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的馬克·理查森(Mark Richardson)表示,這些項(xiàng)目研究的氣象衛(wèi)星設(shè)計(jì)各不相同,每天采集天氣數(shù)據(jù)的時(shí)間窗口也不一樣。即便如此,我和澤林卡仍然相信,只要知道去哪里尋找,這些記錄就能提供線索。

        我們首先提出了一個(gè)簡單的問題:地球上云量最多的區(qū)域和最晴朗的地區(qū)的緯度在哪里?和我們預(yù)料的一樣,熱帶地區(qū)的云量達(dá)到了峰值。在中緯度的狹窄地帶,由于盛行風(fēng)帶來的風(fēng)暴,云層覆蓋率也相對較高。在亞熱帶沙漠較多的緯度上,大氣氣壓高,空氣干燥,天氣晴朗,不利于云的形成,這是最晴朗的區(qū)域帶。

        隨后,我們研究了從1984年到2009年長期氣象衛(wèi)星的觀測記錄,來確定云量最多的地區(qū)和最晴朗地區(qū)所在的緯度,在這段時(shí)間是否發(fā)生了變化。我們有了一個(gè)了不起的發(fā)現(xiàn):中緯度地區(qū)和晴空萬里的亞熱帶緯度地區(qū)的云層,正被推向兩極,這和模型的預(yù)測完全相符。此外,每一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)集都證明了,大氣循環(huán)模式的改變導(dǎo)致云的分布模式更靠近兩極。將這一發(fā)現(xiàn)與在不包含人類排放活動的條件下運(yùn)行模型得到的結(jié)果進(jìn)行比較,我們確定,這些變化過于顯著,沒法單獨(dú)用氣候的自然波動來解釋。而且,這些變化比科學(xué)家此前預(yù)測的還要大。

        這些觀測帶來的結(jié)果令人不安。如果低空云反射云層向兩極方向移動得太遠(yuǎn),它們的冷卻能力就會大大降低:它們阻擋的將是微弱的溫帶陽光,而不再是強(qiáng)烈的熱帶陽光。這樣的云層遷移會形成強(qiáng)烈的正反饋,進(jìn)而增加氣候敏感度。

        之后,加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校的喬爾·諾里斯(Joel Norris)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究,在考慮衛(wèi)星記錄間隔的情況下,也發(fā)現(xiàn)了云層分布模式向極地移動的趨勢。這些數(shù)據(jù)還表明,高空云或許在上升。科學(xué)家正在爭論這些變化的影響,以及它們是應(yīng)該歸因于溫室氣體排放、還是歸因于1991年皮納圖博火山噴發(fā)進(jìn)入大氣中的顆粒物開始減少,還是歸因于氣候的自然波動,抑或是這些因素的某種組合。但有一點(diǎn)很清楚,那就是:長期的觀測并沒有發(fā)現(xiàn)云能減緩全球變暖的任何跡象。

        解鈴還須系鈴人

        觀測結(jié)果描繪的未來愈加清晰:高空云在上升,云層分布模式正在向兩極移動。這兩種趨勢都會加速全球變暖。短期觀察表明,熱帶地區(qū)云量減少,對陽光的阻擋也減少,進(jìn)而加劇變暖;另外,高空云解凍對全球變暖的剎車效果也沒有我們認(rèn)為的那樣有效。前景不容樂觀。

        那么,現(xiàn)在能否說云會讓全球變暖逼近平衡氣候敏感度的上限呢?平衡氣候敏感度是一個(gè)理論值,描述大氣中的CO2含量迅速翻倍最終會帶來的氣候反應(yīng)。雖然大氣中的CO2含量翻倍還沒有發(fā)生,但我們能研究它可能帶來的后果。另外,大氣中CO2含量在上升并不是理論上的。如果世界各國繼續(xù)保持目前的排放水平,截至本世紀(jì)中葉,大氣中CO2含量就會翻番。更多的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),更高分辨率的模型,更多富有創(chuàng)造性、銳意進(jìn)取的科學(xué)家,將一道幫助我們確定地球會變暖多少。

        與此同時(shí),人們也得同另一個(gè)頑固不化、拒絕屈服的群體作斗爭:50%的美國人不接受人類正在改變氣候這一事實(shí)。如果CO2排放量繼續(xù)增加,地球?qū)⒆兣淮蠼貎骸,F(xiàn)在來看,云似乎只會讓全球變暖更加嚴(yán)重,或者至少可以說對緩解這個(gè)問題毫無幫助。解鈴還須系鈴人,解決全球變暖問題,是人類的任務(wù)。

        (摘自《環(huán)球科技》2018年1月號總第145期)

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