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我们不知道答案的125个科学问题(23)全球变暖的程度 精选

已有 4892 次阅读 2021-12-17 22:25 |个人分类:科学教育|系统分类:科普集锦

题记:这个问题在今天已经部分得到回答,研究该问题的两个科学家也已经获得2021年度诺贝尔物理学奖,所以对该问题在今天的介绍似乎显得有些过时。但从科普的意义上讲这个问题依然有介绍的价值,而且全球气候变暖的趋势目前依然还是一个问题,至少更准确的预测和长期的趋势是什么对人类社会具有很多现实意义。最近美国1210日晚发生有史以来最强烈的龙卷风天气,造成了重大的破坏,而世界各地局部高强度极端天气灾难更是频繁出现,这本身预示着全球气候的改变及其趋势是非常重要的课题,而全球气候变暖或局域气候极端化会发展到什么程度,下面就来讨论这个问题。

How Hot Will the Greenhouse World Be?

https://www.science.org/doi/10.1126/science.309.5731.100

温室效应能将地球的温度提升到什么程度?

 科学家们都知道全球气候正在逐渐变暖,而且他们相信人类活动是全球气候变暖的最主要原因(2021年诺贝尔奖物理学奖已经肯定了这个结论)。全球气候变暖来源于一种被称为温室效应的现象,所谓温室效应就是指太阳辐射透过大气到达地球表面被地面吸收,地面温度上升后放出的热辐射又被大气中的水汽、二氧化碳等物质所吸收,从而造成地球气候变暖的效应。无论理论的解释如何,全球变暖最直接的证据就是自2000年以后,世界各地的高温记录被不断刷新的事实,2020年地球北极温度达到了破纪录的38°C2021年全球最低温度更是创下-111.2°C的新纪录,局部气候极端差异化的发展日益严重。图1中显示了自工业革命以来全球平均气温不断上升的趋势,而2021年诺贝尔物理学奖也从科学上肯定了二氧化碳在全球变暖中充当了不可忽略的作用。那么在未来的几十年或者几个世纪里,造成全球变暖的温室效应到底能把地球的温度提升到哪个温度范围呢?

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1 地球平均温度的发展趋势

 当然这个问题的答案取决于地球气候系统——空气、海洋、冰、陆地和生物——对我们人类排放到大气中的温室气体会产生怎样的系统反应。在长达四分之一个世纪的争论中,科学家们对温室气体排放所产生的气候敏感性一直都存在不同的看法。很多专家们认为,全球气候系统对温室气体是非常敏感的,这个复杂系统会被某种因素,比如人类生产活动中化石燃料燃烧产生的二氧化碳、火山碎屑、太阳变暗或太阳黑子等因素激发而产生连锁的非线性响应,从而让全球气候发生急剧的温度上升。而另一方面,这些专家也承认全球气候可能对某些因素并不敏感而全球气候变暖只是一个时期气候变化的周期所致,尽管目前的证据表明全球气候正在趋暖,但温室效应不会带来地球气候持续不断地或急剧的温度上升(有些科学家还预言地球下一个冰河期马上到来)。

 全球气候对温室气体敏感性的问题主要源于人们不能直接去测量某个因素对气候系统所产生的真实反应。而在理论模拟上虽然已经有很多有效的气候模型,但每个模型都有自己的响应敏感区域和适用范围,每个模型都会因为构建实际系统的简化模型而带来模型演化的内在不确定性。因此,气候科学家长期以来一直都在引用一个模糊不清的预测结果:本世纪如果温室气体二氧化碳增加一倍,全球气温会产生1.5°C4.5°C的上升。 这样的温度预测范围是基于早期的两个气候模型发展而来的(分别对应于日本科学家真锅淑郎Syukuro Mnabe克劳斯·哈塞尔曼Klaus Hasselmann分别发展出的模型),而首次出现于1979年的预测结果(1979年,2021年诺贝尔物理学奖得主克劳斯·哈塞尔曼利用大气环流模式和混合层海洋模式相耦合的模型,模拟得到在大气中二氧化碳的浓度增加一倍,全球平均温度上升1.5°C-4.5°C;日本科学家真锅淑郎更为确切地给出了二氧化碳在温室效应中的作用得到更为准确的温度预言2.3°C,这与观测值非常接近)被世界每一个主要的气候评估机构不断引用。   

 然而经过研究人员的不断努力全球变暖温度预测的可靠范围进一步缩小(至少在某一端),并且预测范围的准确度和可信度都得到了提高。首先,现有模型的预测敏感性区域(5%95%置信范围)现在都落在了1.5°C4.5°C的典型区间。如果在模型中尝试一种新的方法,并同时改变模型的一些参数,如云的行为参数,现有模型能产生2.4°C5.4°C的温度响应结果,而模型预测二氧化碳加倍后气体温度上升的一个最可能的升温值为3.2°C2020年世界气候研究计划署的科学家们最终将温室效应升温的响应范围缩小到2.6°C3.9°C之间)。

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图2 温室气体排放和极端天气

 然而,理论模型毕竟只是数学模型。如果我们能直接从大自然身上得到全球变暖的趋势和发展响应那将会更加可信和准确。古生物气候学家研究了温室气体之类的气候因素在遥远的过去是如何变化的,以及当时的气候系统对这些变化所做出的气候反应。当然,对于将来的温室效应所产生的生物环境上的气候反应,自然界是根本无法做出模拟的。而且估算上一个冰河时期深处的二氧化碳浓度到底下降了多少,或者菲律宾皮纳图博火山(Mount Pinatubo) 的喷发时阻挡了多少阳光的辐射,依然不可避免地存在着不确定性。但对气候敏感性的古气候变暖的温度估计一般也落在了典型的温度预测范围内,而这些证据所给出的最佳估计也在3°C左右。 

 至少全球气候变暖温度反应敏感性的下限似乎也在不断加强。研究人员表示,气温上升的最低下限不太可能会低于1.5°C 这个结果就排除了一些反对温室效应的人所提出“这种气候变暖的温度上升是微不足道”的结论。但是气候模型反应敏感性计算所给出的全球变暖的温度上限依然是模糊的。利用过去一个世纪观测到的气候变化以及自然和人为气候驱动因素的估计进行的研究得出,温度上升超过4.5°C的概率要高达30%,而系统最高的预测温度可达9°C 最新的研究改变了模型参数,模型预测的温度可高达11°C,但作者还不能确定这种极端情况发生的概率有多大。而另一些研究者指出,气候模型无法还原出地质历史上所出现的极端温暖期,这表明真实的气候系统中存在一种模型尚未包含的危险的天气因素。   

 气候研究人员对全球变暖的预测依然面临着艰巨的任务。他们必须把云和气溶胶(这是模型中最大的不确定性来源)的作用注入到他们的模型中。1015年前,科学家们说考虑这些因素到模型中需要1015年才能完成,但目前看这种尝试还不能在短期内实现。他们不仅需要提高模型的真实性,而且要考虑到包含这些因素后计算机的运算能力。他们还必须获取更多、更好的关于过去气候变化及其驱动因素的记录用于完善他们的计算。与此同时,除非在全球范围内能迅速减少化石燃料的使用,那么二氧化碳的排放将不可避免地增加一倍甚至更多。所以到底温室气体排放最后能将地球表面的温度推高到什么程度,现在依然还是一个谁也无法预测到的东西。

——Richard A. Kerr 文,张林 编译



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