氣候變化是如何被發現的?| 氣候大會特別策劃

pixabay.com

編者按

如今，氣候變化已經成為全球關注的焦點問題，被認為是這個時代的決定性問題。在過去的兩周，《知識分子》 「氣候大會特別策劃」 系列回答了 「全球變暖是真的嗎？」 「升溫1.5度還是2度，世界會有何不同」 「應對氣候變化，植樹造林的作用有多大？」 等問題。

今天的文章，將帶領大家一起回顧氣候變化的發現歷程。

撰文 | 唐自華（中國科學院地質與地球物理研究所）

責編 | 王冠麗

氣候變化是如何成為世人關注的話題？為什麼全球變暖成為了焦點？它又怎樣走進政治舞臺中央？人類用了200年的時間，才釐清了氣候變化背後的科學原理，並通過儀器觀測、數據集成、模擬計算深入認識了地球氣候系統。

「誰發現了全球變暖？不是一個人，而是很多個科學團體。他們的成就不僅是積累數據進行計算，而且把數據聯繫在一起。這顯然是一個社會過程。這一過程非常複雜非常重要。」 美國科學史家 Spencer Weart 如是說。

今天，我們就共同回顧氣候變化的發現歷史。

1.全球變暖的科學基礎

氣候變化記錄至少可以追溯到3000年前。竺可楨先生曾援引《左傳》和《詩經》中的物候資料來證實氣候變遷，但認識其科學原理一直要等到19世紀。

法國數學家傅立葉奠定了地表溫度研究基礎。他寫道：「大氣的介入可以增加 [地表] 溫度，因為陽光的熱量在穿過空氣時遇到的阻力要比在轉化為不發光的熱 [紅外輻射] 時遇到的阻力小」。這被認為是大氣溫室效應的來源而廣為引用（Fleming, 1999）。

1861年，丁達爾（John Tyndall）通過實驗測定了氣體吸收和發射紅外輻射的特徵，發現大氣溫室效應是由含量很少的水汽和CO2貢獻的，而主要成分氧氣、氮氣並沒有溫室效應。這意味著，改變幾種痕量氣體的濃度就可能影響氣候，但丁達爾還不能定量計算溫室效應。

丁達爾的實驗裝置（Tyndall, 1861）

1896年，阿倫尼烏斯（Svante Arrhenius）利用月光的觀測數據，計算了大氣中水汽和CO2對紅外光的吸收特性。考慮水汽和冰-雪反照率的正反饋後，他首次提出，CO2濃度增加一倍，全球溫度將升高6°C。

現在，我們對溫室效應的機制認識更清楚，溫室氣體種類更多樣，甚至可以逐條譜線精確計算紅外光的吸收譜。考慮更複雜的反饋過程，根據最新估計，CO2濃度加倍，地表溫度將上升1.5-4.5°C。

2.CO2溫室效應的第一份觀測證據

時代為驗證阿倫尼烏斯的計算精度提供了絕佳時機。

19世紀末20世紀初，西方國家的工業化已經如火如荼開始。到二戰前夕，化石燃料燃燒大約累計排放了1500億噸CO2，推算人為排放的CO2將導致地球每年0.003°C的增溫。而專業氣象學者承認暫時、區域的氣候波動，對CO2的溫室效應滿腹懷疑。

1938年，英國蒸汽工程師卡倫德（Guy Stewar Callender）發表了全球147個氣象站的直接觀測數據。他詳細介紹了大氣CO2的累積速率、水汽和CO2對紅外線的吸收、CO2對大氣逆輻射的影響、大氣逆輻射及其與溫度的關係，觀測數據明確揭示：自1880年以來，CO2濃度增加導致地球每年以0.005°C的速度變暖。

第一份器測全球升溫數據（Callendar, 1938）

毫不意外，卡倫德的結果遇到了嚴重質疑。例如，時任英國氣象局局長喬治-辛普森爵士（Sir George Simpson）認為大氣尚未達到輻射平衡，具體地點的溫度幾乎全部由空氣垂直運動控制，聲稱溫度與CO2含量同步上升只是巧合。

面對群情洶洶，卡倫德把答案留給了時間，他寫到，「未來20年的溫度曲線將為評價二氧化碳增溫的準確度提供寶貴證據」。

不料全球溫度的器測數據令人卡倫德大跌眼鏡。

3.二戰後的降溫推動氣候變化研究

1945年二戰結束，世界範圍內的工業化導致CO2排放量快速增加，1958年CO2排放量幾乎是1945年的2倍。但是，全球溫度在這10餘年間卻略有降低（Mitchell et al., 1961）。這迫使氣候學家不得不去考慮新的反饋機制。

同一時期，美國學者花了6年從格陵蘭島西北部的世紀營（Camp Century）獲得了第一根透底冰芯。研究者注意到，冰芯記錄中，氣候由暖向冷的轉變 「短的驚人」：末次冰期的開始只花了100年左右（Dansgaard et al., 1972）。

焦慮在1972年1月達到高潮。42位學者在布朗大學召開研討會，聚焦「間冰期何時以及怎樣結束」。他們回顧了古氣候研究進展，初步達成共識：當下的暖期可能在數百年內以快速降溫宣告結束；現有數據不足以預測冰期到來的時間和評估人類活動的影響（Kukla & Matthews, 1972）。

Kukla和Matthews給美國總統的信，倡議氣候變化研究

1972年12月3日，哥倫比亞大學拉蒙特-道爾提地球觀測臺 George Kukla 和布朗大學地質系主任 Robert Matthews 以會議紀要為藍本，聯名致信美國總統尼克森，稱 「幅度史無前例的全球氣候惡化，具有非常真實的可能性，而且可能很快到來」。一個月後，美國國務院國際科技事務局復函，將信件交大氣科學跨部門委員會評審。評審順利通過。1974年8月美國商務部負責組建氣候變化委員會，美國海洋和大氣管理局局長兼任委員會主席。

氣候變化研究歷史中，Kukla 和 Matthews 的這封信影響力絕無僅有：氣候變化從此登上美國政治舞臺，在極大推動相關研究的同時，也成為各方政治力量角逐的舞臺。

4.全球變暖蓄勢待發

1958年3月，在二戰後降溫初步確認的同時，Charles Keeling 開始在夏威夷群島冒納羅亞火山長期定點觀測大氣CO2濃度，1960年首次公開數據。

海洋地球化學家 Wallace Broecker 冷靜地審閱了世紀營冰芯數據。他注意到，過去1000年中，世紀營冰芯的溫度變化存在80和180年周期，1945年開始的降溫可能是溫度自然波動的一部分。他還利用數值模擬評估了實測CO2增量對溫度的影響，並按3%的化石燃料增長速度預測未來溫度變化。1975年8月8日，他論文中斷言，自然降溫已經被人為排放CO2的溫室效應所補償，降溫將在1980年代的某個時候停止；之後，CO2將主導全球溫度變化，到21世紀最初十年，我們將經歷過去1000年裡從未有過的溫暖氣候。

1975年8月8日，Global Warming首次作為科學術語出現

之後，全球溫度一路走高，到2015年，溫度曲線幾乎完美契合了 Broecker 論文的預測。

Broecker的論文標題是Climatic change: are we on the brink of a pronounced global warming ?，這被認為是 「全球變暖」 作為科學名詞誕生的標誌。全球變暖迅速被學界廣泛接受。1976年，蘇聯著名氣象學家、物理氣候學先驅 Mikhail Budyko 聲稱，「全球已經開始變暖。」 1979年，美國國家科學院發表了由 Jule Charney 領銜的科學報告《二氧化碳和氣候》，肯定人為CO2排放導致升溫。這份包括附錄在內只有22頁的報告首開氣候評估先河。

5.IPCC走進舞臺中央

1986年，「全球變暖」 誕生僅僅十年後，不同團隊集成的數據顯示，過去十年是有器測記錄以來最熱的十年。

以全球變暖為主要特徵的氣候變化迫在眉睫，世界氣象組織和聯合國環境規劃署於1988年成立了政府間氣候變化專門委員會（IPCC），試圖為決策者提供有關氣候變化嚴格而均衡的科學信息。IPCC 主要通過評估已經發表的文獻，發布氣候變化評估報告。迄今，IPCC 先後發表了5輪氣候變化評估報告。報告使用 「全球變暖」 描述與溫室氣體濃度增加有關的地球升溫，用 「氣候變化」 表述更廣泛的氣候響應。

到1990年，全球氣溫在過去100年中上升0.3-0.6°C，器測記錄顯示5個全球溫度最高的年份都出現在1980年代，海平面上升10-20釐米。IPCC發表了第一次氣候變化評估報告，肯定了氣候變化，但還不能明確人為活動的影響。

5年後，IPCC第二次報告中指出，人類活動對氣候系統的影響可以 「被檢測出來」，氣候變化已經帶來了許多不可逆轉的影響。

進一步認識人為因素對變暖的影響，需要評價目前的變暖在歷史中的地位。1998-1999年，Michael Mann 等發表的過去千年溫度重建序列顯示：前900年溫度持續緩慢降低，最近100年突然上升，成為最溫暖的一個世紀，即曲棍球棒形狀的溫度曲線。作者言之鑿鑿，論文萬眾矚目。

2001年，第三次氣候變化報告明確指出，「新的更強證據表明，過去50年觀察到的大部分增暖可以歸咎於人類活動」，認為 「通過減少溫室氣體排放，可以降低預測的氣候變暖和海平面上升的速率和程度」。20世紀後期北半球史無前例的增溫得到了越來越多的支持。

Mann等（1999）重建的過去千年溫度序列，「曲棍球棒」

2007年的第四次評估報告承認溫度重建存在覆蓋度不夠和結果不確定性等問題，同時堅持認為：氣候系統變暖毋庸置疑；自20世紀下半葉北半球平均溫度很可能高於近500年任何時段的平均溫度，並且可能最近1300年中最高的；人為溫室氣體排放很可能是變暖主要原因；積極推動各國積極減排溫室氣體。

IPCC最新的氣候變化評估報告發表於2013年。報告顯示，1880-2012年全球增溫0.85°C，同時強調，「人為溫室氣體排放極可能是20世紀中期以來氣候變暖的主要原因。」過去30年裡，謹慎評估了各種溫室氣體的不確定性、氣候系統調整與反饋過程的複雜性，排除了合理的懷疑之後，IPCC（2019）愈發肯定：只有人為溫室氣體排放導致全球變暖，才能完整解釋工業革命以來的氣候系統變異。

1850年以來的全球溫度和CO2記錄

這個判斷是不斷深入認識氣候系統才逐漸明確的。兩百年來，無數學者從原理、實驗、觀測、模擬、集成等等方面不斷迭代、反覆檢驗，最終在IPCC主持下，全球變暖成為數千位專家經過不計其數的討論達成的共識。

誠如美國科學史家 Spencer Weart 所言：「誰發現了全球變暖？不是一個人，而是很多個科學團體。他們的成就不但積累數據進行計算，更要把數據聯繫在一起。這顯然是社會過程。這一過程非常複雜非常重要，因此，最終被體制化為IPCC 的研討、評閱以及談判。」

參考文獻

Arrhenius, S., 1896, On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground: The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, v. 41, no. 251, p. 237-276.

Broecker, W., 1975, Climatic change: Are we on the brink of a pronounced global warming: Science, v. 189, p.460-463.

Callendar, G. S., 1938,The artificial production of carbon dioxide and its influence on temperature: Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, v. 64, no. 275, p.223-240.

Dansgaard, W., et al.,1972, Speculations about the next glaciation: Quaternary Research, v. 2, no. 3,p. 396-398.

Fleming, J. R., 1999, Joseph Fourier, the 『greenhouse effect』, and the quest for a universal theory of terrestrial temperatures: Endeavour, v. 23, no. 2, p. 72-75.

IPCC, 2019, Summary for Policymakers, in P rtner, H.-O., et al., eds., IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate.

Keeling, C. D., 1960, The concentration and isotopic abundances of carbon dioxide in the atmosphere: Tellus, v. 12, no. 2, p. 200-203.

Kukla, G. J., and Matthews, R. K., 1972, When will the present interglacial end?: Science, v.179, p. 190-191.

Mann, M. E., et al., 1998, Global-scale temperature patterns and climate forcing over the past six centuries: Nature, v. 392, no. 6678, p. 779.

Mann, M. E., et al., 1999, Northern hemisphere temperatures during the past millennium: Inferences,uncertainties, and limitations: Geophysical research letters, v. 26, no. 6, p.759-762.

Mitchell Jr, J. M., 1961, Recent secular changes of global temperature: Annals of the New York Academy of Sciences, v. 95, no. 1, p. 235-250.

National Research Council.Ad Hoc Study Group on Carbon Dioxide, 1979, Carbon Dioxide and Climate: A Scientific Assessment. https://www.bnl.gov/envsci/schwartz/charney_report1979.pdf

Tyndall, J., 1861. On the absorption and radiation of heat by gases and vapours, and on the physical connexion of radiation, absorption, and conduction: The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, v. 22, no. 146, p. 169-194.

Weart, S. R., 2008, The Discovery of Global Warming, Harvard University Press. p. 196.

製版編輯 | 皮皮魚