《發(fā)現(xiàn)全球變暖（增訂版）》

[美]斯潘塞·沃特 著 李虎 譯

中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社/2023.6/69.00元

[美]斯潘塞·沃特

科學(xué)史專家，美國(guó)物理研究所物理歷史中心名譽(yù)主任。著有《手握大權(quán)的科學(xué)家》等。

李虎

北京大學(xué)碩士，供職于自然資源部第三海洋研究所，廈門市科普作家協(xié)會(huì)理事。譯有《物種起源（現(xiàn)代注釋版）》《眾病之王：癌癥傳》《細(xì)胞叛變記》等。

這并非一個(gè)科學(xué)高歌猛進(jìn)的故事，而是一段科學(xué)家如何在懷疑與否定中不斷前行的歷史。這也并非一個(gè)學(xué)科孤軍奮戰(zhàn)的故事，對(duì)于如此龐大而復(fù)雜的地球氣候系統(tǒng)，判斷其長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)絕非易事，氣象學(xué)、天體物理學(xué)和海洋學(xué)等學(xué)科陸續(xù)投身其中，力求揭示這個(gè)與人類命運(yùn)息息相關(guān)的系統(tǒng)全景。而今，面對(duì)全球變暖帶來(lái)的更多極端氣候，更多的探索、更多的行動(dòng)正當(dāng)其時(shí)。

從古至今，人們總是在談?wù)撎鞖?。但是?0世紀(jì)30年代，這個(gè)話題發(fā)生了不同尋常的轉(zhuǎn)變。老人們開(kāi)始堅(jiān)持說(shuō)天氣真的不像以前了，他們童年記憶里19世紀(jì)90年代駭人的暴風(fēng)雪、早秋時(shí)節(jié)冰封的湖面等等都結(jié)束了，年青一代趕上了好天氣。大眾媒體上開(kāi)始涌現(xiàn)眾多文章，宣稱冬天真的變得溫和了。氣象學(xué)家仔細(xì)查看了自己的記錄，證實(shí)了這種說(shuō)法：暖化的趨勢(shì)來(lái)了。專家們告訴科學(xué)記者說(shuō)，霜凍晚了，幾百年來(lái)都不曾見(jiàn)過(guò)小麥和鱈魚(yú)的北部地區(qū)現(xiàn)在可以收獲小麥、捕獲鱈魚(yú)了。正如一本著名雜志在1939年所言：“年紀(jì)大的人說(shuō)自己小時(shí)候的冬天更冷，他們很對(duì)……起碼就目前來(lái)說(shuō)，世界是在變暖，搞氣象的人對(duì)此已經(jīng)確信不疑。”

沒(méi)有人為這種變化擔(dān)憂。氣象學(xué)家的解釋是天氣模式的適度變化總是存在的，其周期可長(zhǎng)達(dá)幾十年或者幾百年。如果20世紀(jì)中期恰好是一個(gè)變暖時(shí)期，那還不賴呢。1950年一篇典型的大眾文章向人們?cè)S諾：“新的、廣闊的糧田將被開(kāi)墾出來(lái)?！闭\(chéng)然，如果變暖持續(xù)下去，可能會(huì)出現(xiàn)新的沙漠；海平面上升可能會(huì)淹沒(méi)海濱城市。但所有這些都僅僅是關(guān)于遙遠(yuǎn)未來(lái)的多種推測(cè)而已，許多職業(yè)氣象學(xué)家則懷疑所謂的“全球性變暖的趨勢(shì)”是否真的存在。他們看到的不過(guò)是正常的、暫時(shí)的、地區(qū)性的波動(dòng)。一篇雜志報(bào)道解釋說(shuō)，如果真有變暖趨勢(shì)，“氣象學(xué)家并不知道目前的變暖趨勢(shì)將會(huì)持續(xù)20年還是2萬(wàn)年”。

專家們的這種共識(shí)遭到了一個(gè)人的挑戰(zhàn)。1938年，蓋伊·斯圖爾特·卡倫德（Guy Stewart Call-endar）挺身而出，在倫敦的皇家氣象學(xué)會(huì)發(fā)言談?wù)摎夂?。卡倫德有點(diǎn)越俎代庖，因?yàn)樗⒉皇锹殬I(yè)氣象學(xué)家，甚至稱不上是科學(xué)家。他只是一名蒸汽動(dòng)力工程師，研究氣候是他的業(yè)余愛(ài)好，他把大量業(yè)余時(shí)間用于匯集氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，而他比任何人都更徹底地確認(rèn)這些數(shù)據(jù)的確表明地球上許多地方在變暖?，F(xiàn)在，卡倫德告訴氣象學(xué)家，他知道誰(shuí)應(yīng)該為變暖負(fù)責(zé)——是我們，是人類的工業(yè)！我們到處燃燒化石燃料，排放出千百萬(wàn)噸的二氧化碳，正是二氧化碳在改變著氣候。

這種想法并不新鮮，因?yàn)?9世紀(jì)基礎(chǔ)物理學(xué)已經(jīng)成形。19世紀(jì)初期，法國(guó)科學(xué)家約瑟夫·傅里葉（Joseph Fourier）曾經(jīng)問(wèn)自己：是什么因素決定了像地球這種行星的平均溫度？這個(gè)問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，其實(shí)不然，當(dāng)時(shí)的物理理論剛剛達(dá)到能面對(duì)這種問(wèn)題的程度。當(dāng)陽(yáng)光射到地球表面，給地球帶來(lái)溫暖的時(shí)候，為什么這顆行星不繼續(xù)升溫，直到和太陽(yáng)本身一樣熱呢？傅里葉的回答是：受熱的地表發(fā)射出看不見(jiàn)的紅外輻射（一種常見(jiàn)的熱輻射的類型），把熱量送回了太空。但是，他利用自己的新理論方法計(jì)算紅外輻射的有關(guān)物理量之后，得到的溫度卻遠(yuǎn)在冰點(diǎn)之下——要比實(shí)際的地球冷許多。

傅里葉認(rèn)識(shí)到，理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際的差距是地球的大氣層造成的，大氣層以某種方式把紅外輻射留存住了。他試圖把籠罩著大氣層的地球比作一個(gè)被玻璃板覆蓋的箱子，陽(yáng)光射入箱子，熱量跑不出來(lái)，箱子內(nèi)部就變熱。這個(gè)解釋看似有理，在傅里葉的時(shí)代，已經(jīng)有幾位科學(xué)家開(kāi)始論述是“溫室效應(yīng)”使得地球免于被凍僵。但這是個(gè)誤解，因?yàn)闇厥夷軌虮厥橇硪粋€(gè)原因——陽(yáng)光加熱了溫室里的氣體，玻璃板可以保證被加熱的氣體不致散失。而傅里葉認(rèn)識(shí)到，大氣層為整個(gè)地球保溫的方法更加精巧，大氣層的“高招”是攔截住從地表發(fā)出的部分紅外輻射，防止它們散發(fā)到太空中去。

這其中的道理被英國(guó)科學(xué)家約翰·丁達(dá)爾（John Tyndall）首先解釋清楚了。丁達(dá)爾對(duì)地球大氣層怎樣控制地球溫度的問(wèn)題進(jìn)行了深入的思考，不過(guò)當(dāng)時(shí)大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為紅外輻射可以穿透一切氣體，這種觀念妨礙了丁達(dá)爾的思考。1859年，他決定在自己的實(shí)驗(yàn)室里驗(yàn)證一下。他證實(shí)了紅外線的確可以穿透大氣層里的主要?dú)怏w——氧氣和氮?dú)?，正?dāng)他想放棄實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，突然想到了用煤氣來(lái)嘗試一下。這種煤氣是通過(guò)加熱煤炭產(chǎn)生的，當(dāng)時(shí)用于照明，他發(fā)現(xiàn)紅外輻射碰到這種氣體就像碰到了木板一樣，不能將其穿透。于是，通過(guò)丁達(dá)爾實(shí)驗(yàn)室的煤氣噴嘴，工業(yè)革命宣告了自己對(duì)地球熱量平衡的意義。丁達(dá)爾繼續(xù)試驗(yàn)了其他的氣體，發(fā)現(xiàn)氣體二氧化碳也不能被紅外輻射穿透——這是現(xiàn)在被我們稱為“溫室氣體”的其中一種。

地球大氣層中含有少量的二氧化碳，雖然只占萬(wàn)分之三（按空氣中各成分的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算），但是丁達(dá)爾卻看出它能夠引起暖化。一張紙遮住的陽(yáng)光要比一池清水遮住的陽(yáng)光還多，與此類似，痕量的二氧化碳改變了整個(gè)大氣層的紅外輻射去向。從地表發(fā)出的大部分紅外輻射被空氣中的二氧化碳吸收，其熱量沒(méi)有散發(fā)到外層空間，而是被傳送回空氣里，不僅空氣被加熱了，大氣層保留的部分能量也輻射回來(lái)，從而加熱了地表。所以，有二氧化碳存在的地球，其溫度會(huì)維持在一個(gè)較高水平，比沒(méi)有二氧化碳存在的情況要高。丁達(dá)爾簡(jiǎn)明地寫(xiě)道：“正像攔河建壩會(huì)導(dǎo)致河水局部變深一樣，我們的大氣層攔截了絕大部分紅外輻射，導(dǎo)致地表溫度局部升高?！?/p>

丁達(dá)爾對(duì)這些研究的興趣起源于一門完全不同類型的科學(xué)——他希望解決當(dāng)時(shí)科學(xué)家激烈爭(zhēng)論的一個(gè)謎題：史前冰期?！笆非氨凇钡闹鲝埩钊烁械椒艘乃迹撬淖C據(jù)卻雄辯有力。被侵蝕掉的巖層，北歐和美國(guó)北部隨處可見(jiàn)的奇怪碎石沉積，這些看起來(lái)和阿爾卑斯山冰川的作用一模一樣，只是規(guī)模更加浩大。在激烈的爭(zhēng)論中，科學(xué)家開(kāi)始接受一個(gè)令人吃驚的發(fā)現(xiàn)——很久以前（雖然在地質(zhì)年代上來(lái)說(shuō)并不特別久遠(yuǎn)，因?yàn)槭鲿r(shí)代的人類經(jīng)過(guò)了這個(gè)時(shí)代），地球北部地區(qū)曾經(jīng)被埋在厚達(dá)1.6千米的大陸冰蓋之下。這是什么導(dǎo)致的？

組成大氣層的氣體發(fā)生變化是一種可能，雖然可能性不大。在組成大氣的氣體中，二氧化碳并非“重要嫌疑人”，因?yàn)樗诖髿庵袧舛群艿汀Ｕ嬲匾摹皽厥覛怏w”是水蒸氣。丁達(dá)爾發(fā)現(xiàn)，水蒸氣能輕易地?fù)踝〖t外線。他解釋說(shuō)，水蒸氣“是一個(gè)毯子，對(duì)于英格蘭的植物來(lái)說(shuō)，這個(gè)毯子要比衣服對(duì)人的作用更必要。如果在一個(gè)夏夜把水蒸氣從空氣中拿走……太陽(yáng)升起的時(shí)候，就只能照耀冰封霜凍的英格蘭島了”。所以，如果吸干了大氣層中的水分，冰期就會(huì)降臨。丁達(dá)爾推測(cè)，目前大氣層的平均濕度是由某種自動(dòng)平衡維持的，全球溫度也是如此。

“史前冰期”之謎是1896年由瑞典斯德哥爾摩的科學(xué)家蘇萬(wàn)特·阿列紐斯（Svante Arrhenius）提出來(lái)的。他說(shuō)：假設(shè)大氣中二氧化碳的含量變了，比如火山的爆發(fā)噴出了大量二氧化碳，導(dǎo)致溫度略有上升，這種微小的升溫可能帶來(lái)嚴(yán)重后果——變熱的空氣中將保留更多水分，因?yàn)樗魵馐钦嬲龔?qiáng)大的“溫室氣體”，濕度的增加將會(huì)極大地促進(jìn)暖化。反之，如果所有的火山噴發(fā)恰好都停止了，二氧化碳最終會(huì)被吸收進(jìn)泥土和海水，冷卻的空氣中將會(huì)保留較少的水蒸氣，這個(gè)過(guò)程可能會(huì)演化成一次冰期。