吳思語
摘要:金星與地球作為太陽系中相鄰的兩顆行星,有著相似的星球半徑、質(zhì)量、密度以及重力加速度等。然而,金星與地球表面的溫度卻截然不同:地球的年平均溫度為15℃左右,而金星的年平均溫度卻高達462℃。為了分析兩者的差異,本文首先建立單層溫室氣體模型以計算星球溫室效應的增溫幅度,并利用水的相圖以及全球變暖-水汽正反饋調(diào)節(jié)機制分析了導致兩個行星不同地表溫度的原因。
關(guān)鍵詞:溫室效應? ?金星? ?地球? ?正反饋調(diào)節(jié)? ?水相圖
一、引言
(一)全球變暖
眾所周知,全球變暖越來越多的引起了科學界、社會學界以及世界民眾的擔憂與關(guān)注。2018年10月,政府間氣候變化專門委員會發(fā)布了最新一期特別報告:自工業(yè)革命以來,人類活動已經(jīng)導致了全球年平均氣溫上升了1 ℃左右,將全球變暖的勢頭控制在1.5 ℃以內(nèi)對人類和自然生態(tài)系統(tǒng)有明顯的益處,同時還可確保社會更加可持續(xù)和公平(IPCC special report 15, 2018)。
全球變暖,即在一段時間內(nèi),地球因溫室效應而造成溫度持續(xù)上升,并帶來全球氣候變化等后果的公地悲劇之一。大氣中的溫室氣體分子從基態(tài)被激發(fā)到震動態(tài)所需要的能量恰好處于地球的長波輻射波段,這使得地球的部分長波輻射在散逸到宇宙的過程中會首先被溫室氣體分子吸收,并將溫室氣體激發(fā)至震動態(tài)或旋轉(zhuǎn)態(tài)。隨著溫室氣體分子恢復到能量基態(tài),所吸收的能量會被再次輻射出來,其中返回地球表面的部分會被地球吸收并導致地表溫度的上升,這就是溫室效應的由來。
然而,自工業(yè)革命以來,人類的生產(chǎn)生活,諸如生物化石燃料的燃燒與土地利用類型的改變等,二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)等溫室氣體被人為過量地排放到大氣中,使得大氣中的溫室氣體濃度顯著升高(Keeling et al., 2001),由此造成的溫室效應明顯加劇,進而導致了全球變暖等問題。除了由溫室氣體的增加所直接帶來的溫室效應外,多種反饋調(diào)節(jié)機制也在全球氣候變化中起到很重要的作用。其中,最大的正反饋調(diào)節(jié)機制即為水蒸氣的反饋調(diào)節(jié)機制。
(二)水蒸氣的正反饋調(diào)劑機制
水蒸氣是最主要的自然源溫室氣體。與可以不斷進入到大氣中的二氧化碳等外源強迫不同,大氣中的水蒸氣含量是溫度的函數(shù)。水蒸氣通過蒸發(fā)進入大氣,并且蒸發(fā)速率取決于海洋和空氣的溫度,由克勞修斯-克拉珀龍關(guān)系所描述。如果在大氣中增加額外的水蒸氣,它會在一兩個星期內(nèi)凝結(jié)成雨或雪。同樣地,如果大氣以某種方式析出水分,蒸發(fā)效應可以在短時間內(nèi)將大氣中的水蒸氣含量恢復到正常水平。
由于水蒸氣與溫度存在正相關(guān)的關(guān)系,水蒸氣對全球氣候系統(tǒng)會因此產(chǎn)生一個正反饋調(diào)節(jié)作用,這也是全球氣候系統(tǒng)中最大的正反饋(Soden & Held, 2006)。隨著溫度的升高,蒸發(fā)速率增加,大氣中積累更高含量的水蒸氣。作為溫室氣體,水蒸氣吸收更多的熱量, 使空氣進一步變暖,并導致更快的蒸發(fā)速率。簡言之,二氧化碳引起的氣候變暖的效應被水蒸氣的正反饋調(diào)節(jié)效應放大了。
如果沒有任何反饋調(diào)節(jié),大氣中現(xiàn)有的二氧化碳含量增加一倍,地球大約會經(jīng)歷 1 ℃左右的增溫。在此假設(shè)的基礎(chǔ)上,水蒸氣的正反饋調(diào)節(jié)所帶來的增溫效應大約是二氧化碳溫室效應的兩倍。在綜合考慮所有的反饋調(diào)節(jié)作用后(例如,由于冰融化而導致的反照率損失等負反饋調(diào)節(jié)),二氧化碳倍增所導致的總增溫效應大約為3 ℃(Soden et al., 2006; Knutti & Hegerl 2008)。
(三)金星與地球的相似性與不同性
在太陽系的八大行星中,同為類地行星的金星與地球最為相似,常常被稱為地球的“孿生”行星。如表1所示,金星與地球有著相似的質(zhì)量、體積、密度、重力加速度與相近的公轉(zhuǎn)軌道半徑、公轉(zhuǎn)周期等。然而,作為距離地球最近的行星,人類的探測器卻鮮有成功地抵達金星表面。1982年3月,前蘇聯(lián)金星13號探測器在金星的南緯7.5度、東經(jīng)303處著陸,工作了127分鐘后即與地面失去聯(lián)系。雖然金星13號在金星表面上只工作了短短的127分鐘,但卻已經(jīng)創(chuàng)下了航天器在金星表面存活時間最久的世界紀錄。這足以說明金星表面自然環(huán)境的惡劣程度。
金星的表面溫度終年高達465°C,并且大氣中充滿濃厚的二氧化碳,占到了金星大氣含量的96.5%,大氣壓是地球海平面處氣壓的92倍之高(即,金星大氣層的質(zhì)量是地球大氣層的92倍),這創(chuàng)造出了整個太陽系中最強烈的溫室效應。
*輻射溫度的計算由公式(3) 給出,詳見2.1,**溫室溫度的計算由公式(7)給出,詳見2.2。
那么為什么金星與地球有著如此截然不同的表面環(huán)境呢?為什么金星的溫室效應如此劇烈呢?通過對金星的溫室效應的研究,又能為地球提供哪些借鑒價值呢?本文將通過建立簡單的模型,并利用水的相圖來分析造成金星與地球不同“命運”的原因。
二、研究討論
(一)行星有效溫度
我們首先假定某太陽系行星X的星球半徑為rp,距離太陽中心的距離為d,在星球赤道處接收到的太陽輻通量為S0,行星地表平均溫度為T,平均反射率為α。在不考慮星球大氣層存在的前提下,行星X所輻射出的總能量應與行星X所接收到的總太陽輻射能相同。根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律,理想黑體表面每單位面積在單位時間內(nèi)輻射出的總能量與黑體本身的熱力學溫度T的四次方成正比。據(jù)此,我們可以計算出行星X的總輻射能為(其中σ= 5.67×10-8W·m-2·K-4為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù),? ? ? ? ?為球體的表面積):
根據(jù)圖1所示,行星X的平均反射率為α, 接收太陽能量的投影面積為S=πrp2。故此,我們可以計算出行星X所吸收的總太陽輻射能為:
對于一顆穩(wěn)定的行星來說,溫度基本保持穩(wěn)定不變,即行星所吸收的太陽能量與輻射出的能量相等。據(jù)此聯(lián)立公式(1)(2),即可求解行星X的地表有效平均溫度:
根據(jù)天文觀測和衛(wèi)星監(jiān)測的數(shù)據(jù),我們可以得知地球的平均反射率為0.31,赤道處的太陽輻射密度約為1361.5W/m2。按照推導出的公式(3),我們可以計算出地球的平均輻射溫度約為254 K (-19℃)。
然而,按照美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的最新報告(NOAA Global Climate Report for Annual 2017),2017年的全球平均氣溫較上個世紀的均溫13.9℃高0.84℃,即14.74℃。這個溫度卻遠遠高于我們剛剛計算出的地球平均輻射溫度。
-19℃的年平均溫度也與我們的經(jīng)驗相悖,那么, 這33.74℃的溫差來自于哪里呢?這主要是由于在剛剛的簡單模型中,溫室氣體層的存在并沒有被考慮在內(nèi)。在1.1-1.2的論述中,我們已提到,溫室氣體,諸如水蒸氣、二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等可以吸收地球的長波輻射能,并向地面逆輻射長波能。這樣,溫室氣體層如同一層蓋在地球上的“被子”,起到了增溫的效果。因此,為了更加精確的計算溫室效應下的行星溫度,我們需要改進上述的簡易模型 。
(二)單層溫室氣體模型
如圖2所示,假設(shè)在行星X的表面有一平均溫度為T1的溫室氣體層。在對流層內(nèi),大氣的溫度隨著高度的增加而降低,因此溫室氣體層的溫度T1應低于地表溫度T0。
溫室氣體對于太陽的短波輻射來說近似透明,即溫室氣體對短波輻射沒有吸收、逆輻射的過程。因此,太陽的短波輻射可以自由穿透大氣,到達行星X的表面,并被行星所吸收。而行星所輻射出的長波輻射恰好處于溫室氣體分子震動態(tài)(和旋轉(zhuǎn)態(tài))的吸收波段,因此,部分地表長波輻射無法自由穿過大氣層向宇宙逸散。我們假定單層溫室氣體層對地表長波輻射的吸收效率為f。根據(jù)基爾霍夫熱輻射定律的描述, 在熱平衡條件下,物體對熱輻射的吸收比恒等于同溫度下的發(fā)射率。故而,溫室氣體層的輻射效率應等同于吸收效率,即同樣為f。
同樣地,由于行星的表面溫度近似平衡穩(wěn)定,行星X吸收的總能量與散逸到宇宙中的總能量應該相等。其中,行星X散逸到宇宙中的總能量來源于兩部分,一部分是透過大氣進入宇宙的地表長波輻射,另一部分是溫室氣體層向外再輻射出的長波能。據(jù)此,我們可以列出,
而行星X吸收的總能量來源于太陽,即,
另一方面,溫室氣體層同樣處于輻射平衡態(tài),即溫室氣體層“截獲”吸收的地表輻射能等于其再輻射出的總能量。據(jù)此,我們可以列出,
將公式(4)(5)(6)聯(lián)立,我們可以推導出在單層溫室氣體模型中,行星X的地表溫度,即為,
同樣地,將地球平均反射率0.31,地球赤道處的太陽能量密度1361.5W/m2,以及斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)σ代入公式(7),并假定溫室氣體層對地球長波輻射的吸收效率為80%(隨著地球大氣中溫室氣體含量的上升,這個數(shù)值還在緩慢增長),我們可以計算出在單層溫室氣體層模型中地球的平均地表溫度為288.2K(15.1℃)。
這個溫度與美國國家海洋和大氣管理局的觀測值高度吻合(δ < 2%),一方面證明了單層溫室氣體層模型在計算地球溫室效應的問題上的有效性,另一面也說明了溫室效應的存在所帶來的益處——將我們地球的年平均溫度從約-19℃增溫至約15℃,使地球避免了成為冰凍星球的厄運,也為現(xiàn)今存在于地表的一切生命活動、社會活動提供了可能。
(三)對比地球與金星的溫室效應強度大小
按照公式(7) 的推導,我們可以簡單計算出金星的表面溫度為-0.71℃左右(由于金星的大氣96%都是二氧化碳,故假定溫室氣體對星表長波輻射的吸收效率f為100%)。這與金星表面溫度的實際測量值465℃,存在著非常大的差異。
由于金星上的大氣層非常濃厚,且主要為二氧化碳等溫室氣體,所以我們所建立的“單層”溫室氣體模型無法正確的模擬金星上的溫度狀況。經(jīng)過簡單的計算,我們可以推導出N層溫室氣體模型(n ≥ 1,且假設(shè)溫室氣體層的吸收效率f = 100%)中行星表面溫度的公式(8),
由于金星的大氣質(zhì)量是地球的92倍,且大氣層中二氧化碳的含量為96.5%,遠高于地球的408 ppmv,我們可以合理的推測出模型中的溫室氣體層數(shù)N應大于92。按照上述多層溫室氣體模型中行星表面溫度的計算公式,計算可以得出金星地表溫度約為465℃ (N ≈ 108),與天文觀測的結(jié)果非常吻合。
為什么金星的大氣構(gòu)成卻與地球如此不同呢?什么導致了金星大氣的96.5%都為二氧化碳呢?為什么金星大氣質(zhì)量是地球的92倍之多呢?為什么金星表面沒有液態(tài)水呢?深入地研究好這些問題,對地球和人類規(guī)劃長遠發(fā)展有著很高的借鑒價值。
(四)根據(jù)相圖分析兩個星球的不同命運
為了了解金星和地球大氣演化的區(qū)別,我們需要在水的三相圖中研究兩顆星球早期表面溫度、大氣壓力的演變過程,如圖3所示。行星形成初期,表面并沒有大氣層的存在,因此,它們的表面溫度和有效輻射溫度(由公式(3)給出)是相等的。由于行星形成初期缺少云層或表面冰的存在,故而反照率很低,均為0.15左右(Jacob, 1999)。按照公式(3)的計算,初形成時,地球表面的有效輻射溫度約為267K(-5.86℃),金星表面的有效輻射溫度約為314K(41.13℃)。
如圖4中的虛線軌跡所示,隨著水蒸氣等氣體逐漸從行星內(nèi)部通過火山活動等被噴出地表并積聚在大氣中,行星表面的大氣壓逐漸升高。故而,地球、金星的水相圖虛線軌跡首先向壓力軸正方向延伸。在虛線未到達液相區(qū)的時候,地球與金星的表面還不會有液態(tài)水的出現(xiàn)。此時,水全部以氣態(tài)的形式彌漫在地球與金星的大氣中。
另一方面,水蒸氣作為溫室氣體所產(chǎn)生的增溫效應會增加行星的表面溫度。故而,圖4中的虛線開始向溫度軸方向彎折。在地球上,水的飽和蒸氣壓最終達到,此時水蒸汽開始凝結(jié)為液態(tài)水,在地表聚集并形成海洋、湖泊、河流等水體。由于二氧化碳可以溶解于水,后續(xù)噴出地球表面的二氧化碳得以在水中溶解,大氣中的二氧化碳濃度得以維持在較低的水平。溶解的二氧化碳經(jīng)過一些列的化學變化,參與形成了地表的碳酸鹽礦物。
相比之下,由于金星距離太陽更近,初始溫度較高(314K)。因而,水相圖上虛線的溫度軸向彎折導致金星上的水蒸氣始終無法達到水的飽和蒸汽壓,即,液態(tài)水始終無法在金星表面形成。后續(xù)噴出的二氧化碳在金星大氣中不斷累積,溫室氣體的增多觸發(fā)了我們在1.2中所論述的水蒸氣正反饋調(diào)節(jié)機制,隨著金星大氣中的二氧化碳和水蒸氣濃度均不斷累積上升,金星上的溫室效應出現(xiàn)了失控的局面 。另一方面,由于金星離太陽更近,上層大氣中的水蒸氣被更為強烈的太陽輻射光解為H、O原子,H原子和少部分O原子逃離了金星的引力場散逸到宇宙中,留下來的O原子被行星表面的巖石氧化而除去。隨著時間的推移,金星大氣中的水蒸氣逐漸消失,最終形成了現(xiàn)今金星大氣的雛形:96.5%的二氧化碳與幾乎為0%的水蒸氣。作為地球的“孿生”行星,我們可以通過金星的總二氧化碳含量近似推斷地球表面碳酸鹽礦物、有機碳中所蘊含的總碳量。
簡言之,日地之間的合適距離對于避免出現(xiàn)失控的溫室效應、對于地球表面液態(tài)水的形成、對于生命的出現(xiàn)至關(guān)重要。 這也是導致金星與地球截然不同命運的根本原因。
三、結(jié)語
將地球大氣層的演變與它鄰近的行星金星進行比較是有啟發(fā)性的。這兩顆行星大概都是由相似的元素結(jié)合演化形成的,但是它們現(xiàn)在的大氣成分卻大不相同。金星的大氣厚度是地球的100倍,主要由二氧化碳組成。因為金星離太陽更近,所以早期金星的溫度過高,以至于被脫氣失水,無法凝結(jié)形成海洋。二氧化碳通過劇烈的地質(zhì)活動不斷噴出地表并存留在金星大氣中。金星上層大氣中的水蒸氣被光解產(chǎn)生H原子和 O原子,通過散逸、氧化等作用逐漸消失,最終產(chǎn)生了無水的、具有濃厚二氧化碳的金星大氣。
全球變暖已成為制約人類經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要障礙,控制污染物和溫室氣體排放需要我們?nèi)祟惞餐叨戎匾?。盡管在科學界內(nèi)部, 針對諸如氣溫對二氧化碳濃度的響應敏感性等這樣的核心科學問題并沒有取得一致性的結(jié)論,但是,在一定時段內(nèi), 如在2100年前,將大氣二氧化碳濃度, 或?qū)⒌厍虻脑鰷胤瓤刂圃谀硞€適當?shù)乃街畠?nèi),目前已成為科學共識與大部分國家的政治共識。在公平公正的原則下,以人均累計排放為指標、從分配排放權(quán)出發(fā) (Ding et al., 2009), 構(gòu)建全球控制大氣二氧化碳濃度的責任體系不失為我們?nèi)祟惷鎸ξ磥砣驓夂蜃兓魬?zhàn)的合理性關(guān)鍵性出路。
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(作者單位:丁克洛斯中學)