全球變暖災難程序已啟動
一系列反饋效應會使氣候變化的速度大大增加，使氣候系統逐漸失控。
撰文 約翰·A·加裡 (John Carey)
翻譯 曹智 白豔瑩 閔慶文
過去十年來，科學家認為他們已經找到辦法，使人類免受氣候變化帶來的最嚴重威脅。據說，將地球變暖的幅度控制在2℃之內，就可以避免海平面上升和極端乾旱等災難的發生。目前大氣中CO2濃度為395 ppm，而工業化前為280 ppm。要讓溫度上升幅度控制在2℃之內，需要將大氣中能夠吸收熱量的CO2含量限制在450 ppm以內。
現在看來，科學家們是錯誤的。全球最新數據顯示，地球變化快得出人意料。北冰洋消融的海冰比預期更多；橫跨阿拉斯加和西伯利亞的永久凍土帶釋放的強力溫室氣體CH4也比模型預測的更多；南極洲西部冰架垮塌的速度比預想更快；冰架後方大陸上的冰川滑入大海的速度也比以前更快；類似2012年夏天，席捲美國大部分地區的洪水和熱浪之類的極端天氣的出現頻率也有上升的趨勢。根據這些現象，可以得出什麼結論？德國波茨坦大學的海洋物理學教授斯特凡·拉姆斯託夫(Stefan Rahmstorf)說：「作為科學家，我們還沒有得出如果將氣候變暖幅度控制在2℃之內，一切將會萬事大吉的結論。」
可能會誘發全球氣候變化加劇的因素是正反饋循環機制，科學家一直假定這種反饋已經開始。例如，海冰的減少導致反射的陽光減少，使更多海水變暖，而這又會使更多海冰融化；更嚴重的永久凍土層融化，會釋放更多CO2和CH4到大氣中，而這反過來又導致永久凍土層進一步融化……
對潛在的快速反饋機制的研究，使一些科學家變成了災難預言家。這些專家說，即使各國立即認真對待降低溫室氣體排放問題，並將大氣中CO2濃度保持在450 ppm的上限之下(雖然這種情況越來越不可能發生)，這些努力可能也會太小、太遲了。美國航空航天局戈達德空間研究所負責人詹姆斯·E·漢森(James E. Hansen)警告說，除非世界CO2水平銳減到350 ppm，「不然我們將會啟動一個人類無法控制的程序。」 他說本世紀海平面的上升幅度可能高達5米，這將淹沒從邁阿密到曼谷的沿海城市。同時，持續的高溫和乾旱可能帶來大規模的饑荒。漢森補充說：「後果是不可想像的」。我們可能正處在快速駛向更暖世界的單向快車道上。
這是危言聳聽嗎？一些科學家是這麼認為的。美國國家海洋和大氣局的艾德·德盧克恩埃克(Ed Dlugokencky)對甲烷含量進行了評估，他說：「我認為，在短期內，災難性的氣候變化是不可能發生的。」美國科羅拉多大學博爾德分校的冰川學家W·泰德·普費弗(W·Tad Pfeffer)對全球融冰進行估算，並得出結論：本世紀海平面上升最大不到2米，而不是5米。然而，他與漢森同樣具有緊迫感，因為即使很小的變化也會威脅到人類文明如果這個文明只對非常穩定的氣候系統有認識的話。「公眾和決策者應該明白，海平面即使只上升60～70釐米，後果就會有多麼嚴重，」普費弗警告說，「這種日漸嚴重的災害真的可以毀滅人類。」
雖然科學家對氣候變化的速度意見不一致，但是這個特別的反饋循環機制如果真的具有放大氣候變化的作用，那它將對地球的未來造成很大威脅。英國南安普敦大學的海洋和氣候變化專家埃爾科·羅林(Eelco Rohling)教授說：「我們必須開始更多地考慮『已知的未知領域』，和『未知的未知領域』。」他解釋說：「我們可能無法確切地知道所有的反饋機制，但過去的變化表明，它們確實存在。」等到研究人員能夠控制未知的時候，可能為時已晚。這引起了紐西蘭惠靈頓維多利亞大學大氣科學家、2007年政府間氣候變化專門委員會(IPCC)核心人員馬丁·曼寧(Martin Manning)的擔憂，他說：「本世紀氣候變化速度之快，使我們來不及了解它。」
從過去看未來
科學家越來越關注氣候劇烈變化的一個很重要的原因是，他們對過去理解得更深刻了。20世紀80年代，科學家通過從冰芯記錄中獲取的信息，了解到地球已經多次經歷突然和劇烈的溫度波動時，都震驚了。迄今為止，科學家已經擁有了過去80萬年的詳細氣候圖片。漢森的最新分析結果顯示，溫度、CO2濃度和海平面之間具有顯著的相關性：它們同增同減，變化曲線幾乎完全重合，但這種相關性並不能證明是人類活動造成的溫室氣體排放引起了氣候變暖。然而，哈佛大學的傑裡米·沙坤(Jeremy Shakun)及其同事的最新研究顯示：上一個冰期，CO2濃度增加要早於溫度增加。在最近的《自然》雜誌上他們得出結論：「由CO2濃度上升引起的變暖是溫度變化的原因之一」。
過去的一些變化快得令人難以置信。羅林對紅海沉積物的研究顯示，大約12.5萬年前的最後一個暖冰期(在兩個冰期之間)，海平面在100年內升降波動高達兩米。羅林說：「這真是快的離譜。」他的分析結果表明：在與我們現在類似的氣候環境中，海平面要比現在高6米多。美國賓夕法尼亞州立大學地球科學教授理察·阿利(Richard Alley)說：「這沒有告訴我們未來是什麼樣的，但這值得我們關注。」
同樣令人驚訝的是，只需要很少一點外部能量(或者說「脅迫」)，就能夠觸發過去那些波動。例如5 500萬年前，北極是一個亞熱帶的天堂，平均氣溫為23℃。那時，鱷魚可以生存在格陵蘭島，熱帶地區對大部分生物來說可能就太熱了。這個溫暖的時期，被稱古新世—始新世極熱(PETM)期，顯然是因為地球溫度升高2℃引起的，當時地球在溫度沒有上升前就比現在暖和。那次升溫可能造成CH4和CO2的快速釋放，這就導致溫度更高和更多溫室氣體的釋放，進而引起進一步變暖。最終的結果是：地球長達幾百萬年的持續高溫(見《環球科學》2011年第8期《全球變暖：速度比幅度更致命》)。
在過去的100年裡，人類活動已經帶來不止0.8℃的溫度升高。溫室氣體被釋放到大氣中的速度，是PETM時期的10倍，這給了環境非常大的壓力。美國普渡大學教授、地球和大氣科學家馬修·休伯(Matthew Huber)說：「如果我們用掉未來100年的碳，我們也將遇到和PETM時期同樣的變化。」
與已知的各個冰期發生變化的原因相比，我們現在更有力地推動著氣候變化。塞爾維亞天文學家米盧廷·米蘭科維奇(Milutin Milankovic)指出，冰期的消長與地球運行軌道和傾斜角的微小變化有關。幾萬年來，其他行星對地球引力的變化使地球軌道從接近圓形逐漸變成輕度偏心圓。漢森說，這些變化使照射到每平方米地球表面的太陽能有了大約0.25瓦的波動，這個量是非常小的。這些能量如果要引起能觀察到的氣候波動，必須經由像海冰變化和溫室氣體排放這類的反饋機制放大。英國皇家霍洛威大學教授、地球科學家尤安·尼斯貝特(Euan Nisbet)說，過去的氣候變暖，「反饋緊接著反饋，如此循環」。
人類排放溫室氣體帶來的氣候脅迫非常大，達到每平方米3瓦(相當於0.25瓦的12倍)，並在不斷上升。那麼，氣候變化的速度會不會也是以前的12倍呢？不一定。「我們不能將過去和未來的響應等同起來，」羅林解釋說，「我們要研究的是全球變暖的運行機制、如何觸發以及結果能有多糟。」
令人不安的反饋機制
科學家已經明白，反饋機制中，反應最快的部分是遍布全球、攜帶著熱量的洋流。如果大量的淡水(坍塌的冰川或增加的降水)傾入北半球海域，暖流就會減緩或停止，推動全球洋流的「引擎」也就停止了，結果會導致格陵蘭島在十年內從冷變暖。美國海洋及大氣管理局地球系統研究實驗室的資深科學家彼得·坦斯(Pieter Tans)說：「格陵蘭島冰芯記錄顯示，變化可能會發生得非常非常迅速，甚至用不了10年。」
阿利回憶說，剛進入21世紀，上述「淡水機制」被弄清楚時，「我們很多人都很緊張」。他補充到，然而更詳細的模型表明，雖然「增加淡水是非常可怕的，但是增加的速度並沒有達到從根本上改變全球氣候的程度」。
反饋機制中一個更直接的、令人擔憂的部分是永久凍土帶，它現在已經開始「冒泡」了。科學家曾一度認為，苔原凍土的有機質只有1米深，所以從升溫開始到深層土壤開始大量解凍，要經過很長時間。根據最新研究，這個判斷是錯誤的。佛羅裡達大學的生物學家特德·索爾(Ted Schuur)認為：「我們所有的發現幾乎都出乎意料。」
第一個意外是凍土中的有機碳深達3米，所以有機碳含量比預期更多。此外，西伯利亞零星分布著覆蓋有富含有機質的永久凍土層的大土丘，被稱為苔原富冰黃土(yedoma)，是由風帶來的泥土堆積形成的。這些碳存量多達幾千億噸。索爾說：「大約是現在大氣中CO2含量的兩倍。」科羅拉多州立大學甲烷研究學者喬·馮費希爾(Joe von Fischer)說：「這種形式的碳是一種定時炸彈。」凍土解凍越多，就會有更多的微生物把有機碳分解成CO2和CH4，造成氣溫升高，進一步使更多的凍土解凍。
定時炸彈爆炸的時間可能正在提前。凍土表面的冰雪融水往往會形成淺湖。阿拉斯加費爾班克斯大學的凱特·沃爾特·安東尼(Katey Water Anthony)發現，有甲烷從湖底釋放出來(見《環球科學》2010年第1期《甲烷：從北極凍土中爆發》)。許多研究人員還發現，永久凍土層融化會分裂成小峽谷，形成熱喀斯特地貌(thermokarsts)，這就會增加凍土暴露在空氣中的面積，加速凍土融化和溫室氣體排放。最近，對挪威斯匹次卑爾根群島和西伯利亞的考察中發現，淺水域的海底有大量甲烷釋放。
如果由點及面鋪展開來，甲烷排放總量足以引起全球氣候大波動。不過，全球甲烷排放量的測算值不一定代表當前甲烷的實際增加量。阿拉斯加費爾班克斯大學致力於永久凍土溫度研究的弗拉基米爾·E·羅曼諾夫斯基(Vladimir E. Romanovsky)說，一是因為甲烷排放的熱點「只存在於局部地區」，二是科學家們更善於發現以前本來就存在的熱點地區。因此，羅曼諾夫斯基說：「我不擔心甲烷增加帶來的氣候劇變。」
其他人並不這麼肯定，特別是因為甲烷有另一個潛在的主要來源熱帶溼地。氣候變暖很可能引起熱帶地區降雨增加，溼地面積將會擴大，溼地生產力也會提高，就會有更強的厭氧分解作用，釋放更多的甲烷。增加的溼地可以釋放與北極變暖差不多、甚至更多的甲烷。我們應該有多擔心？尼斯貝特說：「我們不知道，但我們最好繼續觀測。」
冰凍效應
讓氣候學家最擔心的反饋部分是地球上冰的減少。例如，許多氣候模型並沒有成功預測今年夏天北冰洋海域海冰的急劇減少。尼斯貝特說：「這是模型方面的極大失敗。」格陵蘭島和南極洲的冰川也在迅速消失。
為了弄清楚這是怎麼回事，科學家一直在進行衛星和地面測量手段，繪製格陵蘭島冰川圖，還在南極冰架下安放了探針。美國大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research)資深科學家傑裡·米爾(Jerry Meehl)透露，科學家見到了以前沒有見過的東西。
在格陵蘭島，伍茲霍爾海洋研究所的冰川學家莎拉·達斯(Sarah Das)看到，一個冰水融化的湖泊突然流入914米厚的冰川的縫隙中。水流速度大到足以將巨大的冰川與基巖分離，從而加速冰川滑入海洋。在阿拉斯加，普費弗有數據顯示，巨大的哥倫比亞冰川滑入海洋的速度從1米/天增加到15～20米/天。
南極洲和格陵蘭島沿岸，漂浮在海上的大冰架正在垮塌，這警告我們，冰架有多麼不穩定。溫暖的海水從下面蠶食著冰架，同時溫暖的空氣從上面打開一個個裂縫。冰架能夠起支撐作用，以免基部在海底的冰塊，以及鄰近的陸上冰川在重力作用下滑入海中。雖然浮冰融化不會引發海平面上升，但水下的冰川卻可以。阿利說：「我們正在努力探索海平面上升是否顯著高於預期。」
冰塊減少令人恐懼，不僅是因為它們會使海平面上升，還因為它們會觸發強大的反饋機制。冰能將陽光反射回太空。沒有冰塊後，顏色較深的陸地和海洋會吸收更多的太陽熱量，融化更多的冰。地球表面反射率的變化可以解釋，古氣候記錄中那些較小的能量波動是如何被放大的。漢森說：「同樣的事情也會發生在今天。」
到目前為止，只有少數科學家同意漢森對於海平面到2100年可能會上升5米的預測。「但是我們真的不知道，」阿利說，「我仍然比較傾向於我的預測，即海平面上升較小，但我也不想任何人因為我說的話而購買沿岸地產。」
複雜的變化
地球上過去的氣候波動明確表明，如果我們給予足夠的推動力，反饋機制將極大地改變地球。休伯說：「如果我們燃燒我們能夠獲得的所有的碳，就一定會發生與PETM時期類似的氣候變暖。」這也許會有利於北極鱷魚，但對人類或大多數生態系統沒有好處。
然而，真正讓科學家失眠的可能是，即使這些特定的反饋機制近期不會對人類產生威脅，但它們也可能會驅動其他可以對人類產生威脅的機制。這種機制首先可能影響全球水循環。每年都有實例表明，氣候變化會從根本上改變區域小氣候，帶來洪澇、乾旱等極端天氣。
拉姆斯託夫最新的一項分析表明，像2010年重創俄羅斯的熱浪發生次數提高了5倍，導致這一現象的原因很可能就是已經發生的氣候變暖。拉姆斯託夫說：「這是一個重要因素。」新的研究著眼於2011—2012年美國有史以來最暖冬季期間(這個時期歐洲遭遇了有史以來最冷的寒流)北極海冰的損失。其中隱含的機制是：海冰越少，北極海水溫度越高。秋季，海洋釋放大量熱量，改變大氣的壓力梯度，造成噴流(jet stream，圍繞地球的強而窄的高速氣流帶，集中在對流層頂或平流層，在中高緯西風帶內或在低緯度地區都可出現)更大程度地彎曲，從而長期停留在一個地方。這種彎曲使美國東北部冬季更暖和，東歐卻更寒冷。
潛在的生態反饋使整個機制變得更為複雜。例如，美國和加拿大西部氣溫變暖引起山松甲蟲的流行。蟲災導致幾十萬公頃的樹林死亡，森林從碳匯(健康的樹木吸收CO2)轉變成碳源(死樹分解釋放CO2)。2007年，炎熱導致美國阿拉斯加北坡苔原發生7 000年一遇的火災，加速了這一區域凍土層融化和碳排放。西伯利亞氣候變暖使廣袤的落葉松樹林開始轉變為雲杉林和冷杉林。冬天，落葉松的針狀葉脫落，積雪會將太陽的熱量反射回太空。維吉尼亞大學的生態學家漢克·舒加特(Hank Shugart)解釋說，雲杉和冷杉的針狀葉不會在一個季節全部脫落，太陽熱量還沒到達積雪時就已被這些樹葉吸收。僅植被變化的反饋就可能使地球溫度上升1.5℃。他說：「我們正在玩上了膛的手槍。」
尼斯貝特的「噩夢」是這樣的：首先是甲烷排放量的上下波動，以及非常炎熱的夏季造成大規模火災，排放大量碳。煙和煙霧覆蓋中亞，減弱季風，引起中國和印度農作物大面積歉收。同時，根據厄爾尼諾模式，赤道地區太平洋海水溫升高往往會給亞馬孫和印尼帶來乾旱。熱帶森林和泥炭沼澤也發生火災，釋放更多的CO2到大氣中，進入氣候迅速變暖的快車道。「這是絕對會發生的，」尼斯貝特指出，「我們比我們自己想像的更脆弱。」
但是，各種反饋會變得有多強大？氣候模型能夠很好地解釋過去和現在，但當用它來預測未來時會失靈。索爾補充說，即使地球現在正處在一個轉折點，我們可能也沒有意識到。
對氣候政策來說，令人不安的是科學沒有明確答案。曼寧說：「我們知道氣候發展的方向，卻不知道發展的速度。」 然而，科學家認為，不確定性也不能夠成為不採取行動的理由。相反，不確定性會讓全球更加努力去減少溫室氣體排放，因為不確定性揭示了氣候劇烈變化的風險真的很大。尼斯貝特說：「此刻我們正在做的是，從地質年代的時間尺度上對發生的大事件進行對比，因此，我們會預測，輸入現在的數據能得到與過去發生過的事類似的結果。」
漢森覺得自己如果不對這氣候變化這一問題採取行動，就沒有辦法面對自己的後代。他說：「將逐漸失控的氣候系統留給年輕人是不道德的。」
本文作者
約翰·A·加裡是自由撰稿人，曾任《商業周刊》資深撰稿人，撰寫的內容涉及科學、技術、醫藥和環境。
本文譯者
閔慶文，中國科學院地理科學與資源研究所研究員。他的主要研究領域包括生態農業與農業文化遺產、生態系統服務與生態補償、資源生態與區域可持續發展。曹智和白豔瑩是他的研究生。
精彩速覽
科學家認為，如果地球變暖的幅度可以控制在2℃以下，諸如海平面上升等的大災難就可以避免。
然而，長期數據顯示，在2℃的極限到達之前，有三種全球反饋機制可能導致全球氣候以更快速度的變化：冰雪融化進入海洋、土壤冷凍層釋放CO2和CH4，以及冰川滑入海洋。
這些反饋效應將改變大氣環流、加重蟲災和火災的發生，從而加速氣候變暖。 （環球科學雜誌）