「一年一小災,十年一大災」,氣候變化與災難有什麼關係?

2021-01-15 造就

58條河流發生超出警戒線以上的洪水,重慶市遭受80年以來最大洪災,三峽大壩水位不斷告急……

根據國家減災委、應急管理部的數據,6月以來,南方地區已經歷了多輪強降雨過程,多地發生嚴重洪澇災害,27省(區、市)逾3789萬人次受災。

2020年中國南方地區發生洪災

在我國,洪災幾乎年年有,區別只是範圍大小,且出現頻率呈明顯年代際變化特徵。然而,隱藏在背後的是極端天氣逐漸增多,聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)曾提出警告,全球溫度已高於工業化前水平1.5°C,這會導致極端天氣和氣候事件的頻率、強度增加。

當全球變暖時,很多陸地冰川會融化,大量淡水輸入到大西洋北部,導致當地的海水密度減小,從而不能沉到深海中,於是熱鹽環流就會減速或者停止,其結果就是全球的熱量平衡被打破,高緯度地區變的非常寒冷;颶風、乾旱也會接踵而來……

氣候與災難之間有種難以言說的關聯,為什麼地球溫度逐漸升高,它受哪些因素的影響?人類應該為此負責嗎?

太陽周期

幅度:0.1~0.3℃的冷卻

時間範圍:30~160年的太陽活動低迷相隔幾個世紀

每隔11年,太陽的磁場都會翻轉,推動太陽變亮或變暗的周期為11年。但這種變化很小,對地球氣候的影響可以忽略不計。

太陽周期

更重要的是「大太陽最低值」,過去11000年中太陽活動減少了25次。最近的一個例子是發生在1645年和1715年之間的蒙德極小期(註:蒙德極小期——Maunder minimum,指公元1645~1715年期間太陽活動非常衰微的時期,持續時間長達不可思議的70年,此時也恰好是地球的小冰河期)。

它使太陽能下降了0.04%至0.08%,低於現代平均水平,這是從15世紀到19世紀的一個涼爽時期。科學家們一直認為,蒙德極小期可能是造成"小冰河時代"的原因,但目前仍無定論。

過去半個世紀裡,隨著地球逐漸變暖,太陽卻一直在慢慢變暗,因此不能將全球變暖歸咎於太陽。

火山硫

幅度:約0.6~2℃的冷卻

時間範圍:1~20年

公元539年或540年,薩爾瓦多的伊洛潘戈湖(Ilopango)火山猛烈爆發,其噴發的羽流進入平流層,夏季寒冷、乾旱、饑荒和瘟疫席捲全球。

1991年菲律賓皮納圖博火山的噴發向平流層注入了硫,使平流層變暗並冷卻了大約15個月

伊洛潘戈湖(Ilopango)火山噴發向平流層注入了反射的硫酸滴,遮蔽了陽光,從而冷卻了氣候。這種情況下,海冰會增加,將更多的陽光反射回太空,從而放大和延長全球的冷卻。最終引發了持續20年的溫度下降2℃。

平流層中的火山硫可能具有破壞性,但在地球歷史的巨大範圍內,這個破壞性很小且是暫時的。

短期氣候波動

幅度:最高0.15℃

時間範圍:2~7年

除了季節性天氣模式外,還有其他短周期會影響降雨量和溫度。最重要的一次是厄爾尼諾-南方濤動,涉及熱帶太平洋的環流變化,該變化發生的2~7年內,對北美的降雨量有很大影響。

厄爾尼諾-南方濤動爆發?

因為這些周期之間的相互聯繫,很難證明人類造成的氣候變化在統計學上具有顯著性,而不僅僅是自然變異的又一次波動。但自那時以來,人為的氣候變化已經遠遠超出了天氣和季節性溫度的自然變化。2017年美國國家氣候評估的結論是,「觀測記錄中沒有令人信服的證據可以解釋觀測到的氣候變化」。

軌道擺動

幅度:過去10萬年周期內約6℃;因地質時間而異

時間範圍:23000年、41000年、100000年、405000年和2400000年定期重疊周期

當太陽,月亮和其他行星改變它們的相對位置時,地球的軌道就會擺動。這些周期性的波動稱為米蘭科維奇循環,它會導致中緯度地區的日照量變化高達25%,並導致氣候振蕩。

在大約11700年前的更新世時期,米蘭科維奇循環使地球進入冰河時代。當地球的軌道使北部夏季變暖時,北美洲,歐洲和亞洲的大量冰蓋融化。當軌道降溫到夏季北部時,這些冰蓋又重新長了。由於較溫暖的海洋溶解的二氧化碳較少,因此大氣中的二氧化碳水平隨著這些軌道的擺動而上升和下降,從而擴大了其影響。

今天,地球正在接近北方最低的太陽光,因此,如果沒有人類二氧化碳的排放,我們將在接下來的1500年左右進入另一個冰河時代。

地球在其軌道形狀中經歷周期性的變化,稱為「離心率」

旋轉軸方向的變化,稱為進動

以及其旋轉軸相對於軌道平面傾斜的角度變化

太陽亮度

幅度:恆溫

時間範圍:固定

儘管太陽的亮度會在較短的時間範圍內波動,但總的來說,它的亮度每一百萬年增加0.009%,自45億年前太陽系誕生以來,它的亮度已經增加了48%。

太陽亮度

科學家們認為,太陽的昏暗意味著地球在其存在的前半段保持凍結固體狀態。但是,自相矛盾的是,地質學家發現了34億年前的巖石,這些巖石是在波浪攪動的水中形成的。地球變暖可能是由陸地侵蝕減少、天空晴朗、白天較短和地球富氧大氣之前的特殊大氣成分相結合造成的。

儘管太陽越來越亮,但地球未來的自然條件卻得到了統一看法:地球的恆溫器可以抵消多餘陽光的影響,從而穩定地球的溫度。

二氧化碳排放和風化恆溫器

幅度:抵消其他變化

時間範圍:100000年或更長

長期以來,地球氣候的主要控制旋鈕一直是大氣中的二氧化碳含量,因為二氧化碳是一種持久的溫室氣體,會阻止試圖從地球上散發出來的熱量。

火山、變質巖和被侵蝕的沉積物中碳的氧化都會向天空散發二氧化碳,而與矽酸鹽礦物的化學反應會去除二氧化碳並將其掩埋為石灰石。這些過程之間的平衡起到了恆溫器的作用。

當氣候變暖時,化學反應可以更有效地去除二氧化碳,從而制止變暖。當氣候變涼時,反應效率降低,從而減緩冷卻速度。另外,隨著太陽逐漸變亮,平均二氧化碳的含量會逐漸下降,因此理論上說,從長遠來看,地球的氣候一直保持相對穩定,為人類提供了宜居的環境。

變質巖和被侵蝕的沉積物中碳的氧化都會向天空散發二氧化碳

然而,風化恆溫器需要數十萬年才能對大氣中二氧化碳的變化做出反應。海洋也可以更快地吸收和清除多餘的碳,但同樣要花費數千年時間,並且可能不堪重負,導致海洋酸化。

每年燃燒化石燃料所排放的二氧化碳比火山噴發的二氧化碳多100多倍,這對於海洋和風化作用而言太快了,以至於無法中和它,這就是為什麼我們的氣候在變暖,而我們的海洋在酸化。

板塊構造

幅度:過去5億年大約30℃

時間範圍:數百萬年

因為地殼運動,重新排列土地可能會將風化恆溫器緩慢移至新的位置。

過去5000萬年來,地球溫度一直在降低,由於板塊構造碰撞在溫暖溼潤的熱帶地區,推動了玄武巖和火山灰等化學反應性巖石,從而增加了從天空中吸取二氧化碳的反應速度。

此外,在過去的2000萬年中,喜馬拉雅山、安第斯山脈、阿爾卑斯山和其他山脈的侵蝕速度增加了一倍以上,從而促進了風化。造成製冷趨勢的另一個原因是3570萬年前南美洲和塔斯馬尼亞州從南極洲逐漸消失,這在南極洲周圍引發了新的洋流,促進了海洋環流和消耗二氧化碳的浮遊生物;南極洲的冰蓋隨後大量增加。

板塊構造影響氣候變化

小行星撞擊

幅度:約20℃的降溫,然後5℃的變暖

時間範圍:幾百年冷卻,十萬年變暖

迄今為止,「地球影響資料庫」可以識別190個對地球有影響的隕石坑。除了希克蘇魯伯隕石坑——Chicxulub撞擊(註:希克蘇魯伯隕石坑的形成,據推測是在6500萬年前,與白堊紀-第三紀滅絕事件的年代相吻合。物理學家Luis Alvarezl與其子-地質學家Luis W. Avarez認為此次滅絕事件的禍首即為天體撞擊,證據就是全球年代與之對應的地層中皆有薄黏土層,以及於1970年代時,確認該黏土層的銥含量高達重量的6ppb——地球整體地層的銥金屬含量僅0.4ppb,但隕石可含有470ppb。隕石撞擊造成的灰塵雲在全球沉積,便形成銥含量極高的黏土地層)之外,其他對地球氣候沒有任何明顯的影響。

小行星撞擊

計算機建模表明,Chicxulub將足夠多的灰塵和硫磺吹入高層大氣,使陽光變暗並使地球涼爽20℃以上,同時還使海洋酸化。由於蒸發的墨西哥石灰石在大氣中產生了二氧化碳,地球花了幾個世紀的時間才恢復到撞擊前的溫度,且在此基礎上還增高5℃。

進化和變化

幅度:取決於事件,奧陶紀晚期大約冷卻5℃(4.45億年前)

時間範圍:數百萬年

有時,新生命的進化會重置地球的恆溫器。例如,大約30億年前出現的光合性藍藻就開始通過釋放氧氣使地球變化。隨著它們的擴散,氧氣最終在24億年前的大氣層中上升,而甲烷和二氧化碳的含量則直線下降,這使地球陷入了2億年來的一系列「雪球」氣候。

物種進化

當最早的陸地植物在奧陶紀2.3億年後進化時,它們開始形成陸地生物圈,將碳埋在大陸上,並提取衝入海洋的陸地養分,也改善了海洋的生命。這些變化可能觸發了大約4.45億年前開始的冰河時代。後來,在泥盆紀時期,樹木的進化進一步降低了二氧化碳和溫度,與山區建築共謀迎來了古生代冰河時代。

大火成巖省

幅度:約3~9℃變暖

時間範圍:數十萬年

大火成巖省(註:大火成巖省——large igneous provinces,指連續的、體積龐大的由鎂鐵質火山巖及伴生的侵入巖所構成的巖漿建造,包括噴出的大規模溢流玄武巖和巖漿供體大型放射狀巖牆群。它們在很大程度上與來自深部的地幔柱活動有關, 是地幔柱巖漿活動的直接產物)導致地球上許多物種大規模滅絕。這些火成事件釋放了大量殺手,包括酸雨、酸霧、汞中毒和臭氧層破壞,同時通過向大氣中傾倒大量甲烷和二氧化碳的速度也比風化恆溫器能夠處理的更快,使地球變暖。

大火成巖省導致地球上許多物種大規模滅絕

2.52億年前的二疊紀末事件(end-Permian event)中,消滅了81%的海洋物種,地下巖漿點燃了西伯利亞煤,使溫度升高了5~9℃。較小的古新世-始新世熱最大值事件(The more minor Paleocene-Eocene Thermal Maximum event)發生在5600萬年前,它在北大西洋的油層中蒸煮了甲烷並將其匯入天空,使地球變暖了5℃,並使海洋酸化……

人類活動也正在對環境起著類似的影響,數據顯示,人類產生的二氧化碳排放量、工業化生產與全球溫度升高、氣候驟變有著必然的因果關係(註:二氧化碳分子會吸收紅外輻射,因此隨著二氧化碳分子進入大氣層,它們會捕獲越來越多從地球下方輻射的熱量)。

我們常常感嘆:冬季過去,還沒好好感受春天,夏季卻已驟忽而至。當夏季過去,秋葉未及清掃,冬季又已悄然而至。每年似乎也總能聽到,今年是最熱、最冷、最難的一年,原本以為扛過一年能鬆口氣,但沒想到一個接一個怪獸撲面而來……

未來如何,近百年的全球古地質考察發現,氣候由溫暖到寒冷的變化存在著明顯的溫度疊加效應,且未來可能會持續上升。

(本文未經造就授權,禁止轉載。)

文字 |尹歡歡

版面 | 王海虹

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