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果壳网也发表抄袭文章
热度 1 fs007 2011-4-24 01:35
寻正 我于2011年4月18日在微博上发布消息，称果壳网的一篇文章抄袭维基： 向网友承诺看一看 @果壳网 的科普，究竟是否象他们标榜的，不是方舟子。我查看了其“谣言粉碎机”栏目，在20篇文章中，发现一篇抄袭文章（橡树村的《煮青蛙》抄袭英文维基），其余文章比较专业，采用列文献方式，很好。结论，不是方舟子，但仍有提高空间。科普作者需要加强写作伦理的训练。 4月18日 20:40 来自 新浪微博 “橡树村”是一位化学博士，可能缺乏相关的写作规范方面的训练，因此，我未曾发文批判，而局限于私下地向果壳网编辑交流，希望他们遇错即纠，坦诚地面对错误，为国内科普作者树立一个榜样。我不厌其烦地向果壳网编辑递交了相关证据及知识，果壳网承诺会妥善处理相关事件。我习惯于快节奏，国内对待错误的不坦诚态度让我不耐烦，迟至今日我仍未看到果壳网采取行动， 松鼠会“橡树村”的《温水煮青蛙？青蛙可不傻》 一文仍然高挂果壳网，针对其中明显的科学错误也未进行任何纠正，编辑未予读者任何警示，我认为果壳网有走向方舟子式的抄袭与抵赖模式的嫌疑，在此予以爆光，希望能促成果壳网学会正错地对待批评与质疑。 抄袭者的一大基本特征是缺乏相关知识，他们为了保证质量，往往不得不原文照抄，比如方舟子的大多数剽窃文章，伴有严重的科学错误。松鼠会“橡树村”的抄袭的判定却有些难度，他没有方舟子抄袭文章中常见的直接复制式的抄袭行为。 “橡树村”的失误是他复述了 英文维基针对温水煮青蛙的相关内容 ，没有任何新的原创内容，如此大面积地依赖于单一文献，几乎复述了所有内容，是必须要交待出处的，否则你就侵犯了别人的署名权与维护作品完整权。针对这种指控，首要的最直接的证据来源于良心，当作者受到这种指控时，正确的反应是交待自己的参考资料，而不是向别人要证据。当我向果壳网的一位主管人员交流时，他立即承认了相关事实，并将不交待出处的责任揽到了自己身上，这是值得称赞的，尽管未必适当——交待出处的责任是作者的，编辑只有失察的责任。 “橡树村”的抄袭属于高级抄袭，因为他做的功夫比方舟子彻底，几乎抹去了一切做案痕迹，但他无法在写作中跨越出维基提供的知识范围，一个更大的缺陷，是他没有办法掩盖他缺乏相关知识而不得不抄袭维基的事实，也就是我在 《科普作者应知剽窃规范》 一文中所阐述的错误复制判定原则。与方舟子在写作者不抄就错相类似，“橡树村”不严格按照维基抄，就免不了出错，维基的作者非常严谨，错误比较少见，而在本文相关内容上，没有错。 首先，“橡树村”不知道他在描述一个生理现象，感觉适应。感觉适应指我们对某种刺激因为长期作用或者以低于我们探测域值的方式渐进增加而减弱或者不能发生相应反应。感觉适应的中枢机制是人或动物的大脑通过内调节降低了反应程度，而外周机制则更为复杂，可以是传导介质的消耗，或者其它的局部反馈抑制了相关反应。动物对环境信号的变化探测有域值效应，打个比方，用最小刻度为毫米的尺子，你不能来量微米级的变化，如果环境变化甚小，动物可能会失去对相关信号的反应能力。 “像树村”是以质疑所谓温水煮青蛙的传说的方式进行科普的，而事实上他介绍的实验与现象正好证实了这一传说。青蛙在足够缓慢的渐进式升温中，会被煮死而不逃离。实验者并未局限于温度，用其它的刺激，比如酸、碱、以及机械作用，只要在足够缓慢的渐进递增风险，青蛙就丧失了逃避能力。“橡树村”拿到一个明确的科学事实，做了一个相反的结论。 “橡树村”在相关知识上的缺陷还有进一步的佐证，那就是他对相关实验的误解。他说， 亨滋曼使用了90分钟把水从21摄氏度加热到了37.5摄氏度，平均每分钟升温速率不到0.2摄氏度，就没观察到青蛙的行为异常。不过，37.5度是不是有点低了呢？也许青蛙本来就对这个温度还可以忍受？毕竟亨滋曼的实验没把青蛙弄死，算不上证实了这个故事。 “橡树村”就不知道，36-37度已经是青蛙的极限耐受温度，在科学界针对极限耐受温度（Critical Temperature Maximum， CTM）的研究多如牛毛。如果给青蛙加热，从较低的温度开始，青蛙可能到34-35度就丧失活动能力了，适应了较高温度的青蛙才可能耐受到36-37度，起码一半在35度之前就丧失了活动能力。丧失活动能力的青蛙会被煮死煮熟，相信大家都能理解，用不着进一步实验了。 “橡树村”煞有其事地介绍说， 1882年，另外一份报道称，如果加热的速率控制在平均每秒钟0.002摄氏度，或者说每分钟0.12摄氏度，那么，加热两个半小时以后，青蛙就死了。这个试验结果，发表在约翰霍普金斯大学生物实验研究Stud. Biol. Lab. Johns Hopkins University (1882): 385.。 这是对维基引用文献注解的误读，事实上在1882年的文献是一篇综述，作者是William Sedgwick。Sedgwick仍然讲述的是亨滋曼等人的实验。由此可见，“橡树村”并未查对原文，只是利用二手资料在写作，此乃科普大忌，尤其是在自己不太搞得懂的领域内，方舟子的许多科普错误，源于针对二手三手资料的误读与想当然。 写科普针对重要资料交待来源是必需的，而且往往能增强文章的权威性与可读性，中国科普作者执着于隐瞒来源，窃人功为已有，令人堪忧。 请作者与读者牢记，诚信是科学的基石，写科普你如果连这个基石都丢掉了，无疑将自己的作品等同于垃圾。
个人分类: 伪劣科普打假|5982 次阅读|2 个评论
IPCC说了什么？（十）降水和冰雪圈
songshuhui 2010-12-6 00:19
科学松鼠会 发表于 2010-12-02 09:31 作者：橡树村 气温变化最直接的影响就是水了。温度升高呢，就会有更多的水挥发进入大气，这样就会吸收一部分热量，影响地表的能量平衡。地表可以提供的能量是有限的，一旦有更多的能量用于水的挥发，用于其它的，比如热传导的能量比例就会降低。不仅如此，大气可以容纳水的能力和气温也是密切相关的。温度升高后，大气就可以容纳更多的水，这个幅度，在一般的地表温度范围内，是每升高1摄氏度大气可以多容纳7%的水。大气里面的水的含量改变了，就会影响降雨，比如影响降雨的频率、数量、强度、时间、类型等等，甚至会出现一些极端的降雨异常。目前的认识认为，大气里面的水含量增加以后会导致更强的降雨，但是也减弱了降雨的时间或者频率，这样的结果是总降水量变化不大。实际上气温对于降水量的直接影响要小于来自气溶胶的影响。由于气溶胶的影响都发生在局部地区，所以对于水循环的影响很难研究，目前还不清楚。 全球年度陆地降水异常变化趋势 降水的测量是一个大麻烦。虽然现在气象站都可以进行降水的测量，但是降水的实时测量受到的干扰因素还是很多的。目前的远距离测量技术应用起来也有很多限制。更加复杂的是，人类的直接观测一般都是在陆地上进行的，占地球表面大多数的海洋却无法对降水进行直接测量。基于这些困难，关于全球降水情况的研究，就需要结合多方面因素，直接、间接的方法都要使用，比如直接测量，远程测量，干旱记载，挥发度测量，土壤含量，河流流量，大气湿度，等等，来建立对整个地球降水情况的完整认识。 全球各区域1901-2005年年度降水变化趋势 陆地上的历史降水情况，目前有几个数据库，不过这些不同数据库之间的差异也是不小的，所给出的变化趋势基本上没有统计学意义。基本上可以说，至少人们还没有观察到明显的全球降水变化的趋势。尽管如此，一些局部地区的降水变化还是有一些变化趋势的。上图描述的就是1901年到2005年之间和1979到 2005年间各个区域的降水变化情况，各个不同的地区还是很不同的，看起来降水增多的地方要多于降水减少的地方，但是数据不全的地方似乎更多。下图列出了一些具体地区的降水变化情况，有兴趣的可以自己好好看。 一些地区的年度降水变化趋势 目前对海洋的降水情况测量一般使用的是微波或者红外，或者两者结合的远程测量手段。在海岛上也有一些地面观测站也提供一些直接数据。目前有几个数据库包含了海洋降水的情况，不过这些数据之间的差异很大，个别地方能够达到10-15%，给研究带来了不小困难，所以下结论也需要非常慎重。目前能够相对肯定的，是在南北纬25度之间，1980-2005年间，海洋有一个4%的降水增加，与此同时同纬度带还观察到了陆地地区的2%的降水降低。北半球中纬度的海洋和陆地降水都略有下降。在1960-1974年，以及1975-1989年，北大西洋的降水有过增加。不过由于海洋的降水受到厄尔尼诺现象的影响巨大，所以这些趋势，还都不这么肯定。 大气水汽变化 a) 1988-2004年可降水现行趋势（%/10年） b) 全球海洋区域平均的距平时间序列及相应的线性趋势 c) 全球平均（南北纬80度间）的对流层上层水汽辐射与卫星亮温距平 降水很难观测，但是大气中的水汽含量的测量就要好一些了。观测表明自1976年以来，陆地和海洋表面的比湿，也就是水汽在大气中的绝对含量都在普遍增加。 AR4采用的数据是从1988年到2004年全球海洋上空整层水汽以每十年1.2+-0.3%的速度增长。对流层中上层的水汽情况也已经有了监测，水汽比湿增加的趋势可以肯定，但是定量分析还有困难。云量的变化对于降水的影响最大，详细情况还需要进一步研究。云量增加会减少地面所接受到的太阳辐射。这方面，也已经有了连续的观察数据，但是目前观测站点仍然很少，分布也有问题，此外太阳辐射受到气溶胶的影响更大一些。不过在热带地区，观察到的大气辐射增加可能与热带地区上层云量减少有关。 上：年降水量变化趋势，1951-2003年湿日降水量占年降水量的百分比的变化趋势 下：全球年距平值 抵达地表的能量变化、降水的变化，会直接影响土壤的水含量。历史上关于土壤水含量的纪录也有一些，不过时间都不长。最长的纪录是乌克兰连续45年的土壤湿度纪录，在这组数据里面，土壤的湿度在前半期有明显上升。对土壤湿度进行监测的600个站点的纪录，也显示了一个长期的土壤湿度增加的趋势，这些地区包括苏联、中国、蒙古、印度和美国。不过在全球尺度上来考察这个问题，这些监测站点覆盖的范围明显不足，研究干旱就只能使用替代方法。最普遍应用的叫做帕玛干旱严重指数PDSI。这个指数只考虑了降水量、温度和当地的水资源情况来评价土壤的湿度。这个指数不是最好的，但是却是最方便的，因为所需要的数据非常普遍的存在，可以在全球尺度来进行比较。使用PDSI甚至可以对历史的数据进行重建。应用PDSI，研究者发现北半球陆地从1950年代开始土壤有干旱趋势，广泛分布在欧亚大陆、北非、加拿大和阿拉斯加。在南半球，1960年代和1990年代土壤比较湿润，1970年代则比较干燥。虽然1901-2004 年的降水量有一个不明显的增加趋势，但是，最近几十年的降雨减少使得土壤向干旱方向变化，可能最近二三十年的气温升高也对土壤干燥有影响，有一个研究表明，从1970年代以来，非常干的地区的面积增加了一倍多，但是具体的变化幅度取决于使用的数据模型。 观测到的极端天气现象也可能有增加趋势。这里面有一些麻烦，虽然气候变化对于极端天气事件应该产生影响，但是究竟这些极端天气现象是否在增多还真是一个问题。随着科技的发展，人们可以监测到原来监测不到的极端天气现象，听到更多的极端天气现象，极端天气现象导致的自然灾害也都是新闻的头条，给人一种极端天气现象越来越多的感觉，但是这些现象究竟是不是在增加，还是需要科学分析的。由于历史纪录缺乏，可以用于分析的现象也就不多，越罕见的天气现象，进行比较的难度也就越大。目前可以肯定的，是从1950年代以来，陆地强降水事件的发生次数可能在增加，包括一些总降水量在减少的区域，也可能有这个趋势，不过只有很少数地区有充分的资料来对这个猜测进行支持。在海洋上，从1970年代以来北大西洋的强热带气旋活动在增加，被认为与热带海表温度上升有直接关系，其它区域也有类似的现象。不过每年的热带气旋个数并没有明显的变化趋势，但是热带气旋的生命史在变长，强度在增加。厄尔尼诺现象对热带气旋的数量和风暴路径有重要影响。不过需要一提的是，1995年到2005年间，北大西洋飓风数有9年高于1981年到2000年的平均状况。 同时受到气温和降水影响的，就是冰雪圈。在陆地上，常年被冰雪覆盖的地方面积达到了10%，当然，绝大多数都位于人迹罕至的南极和格陵兰。另外在海洋，冰覆盖大约7%的洋面。在北半球冬季，冰雪覆盖的面积可以达到陆地表面积的49%。冰和雪在气候模型里面也非常重要，一方面冰雪的多少与气温和降水量有直接关系，另一方面冰雪本身对于太阳辐射有很高的反照率。实际上地表对太阳辐射的反照有90%就是冰雪贡献的。另外一个需要提的是冻土。冻土的面积比积雪范围更广，而冻土的存在可以改变地表与大气之间能量和湿度的交换，也是气候过程中的一个重要因素。所以这些积雪、河流和湖泊的结冰、冰川、冰盖、冰架、冰原、冻土等等，就被归结到了一起研究，称为冰雪圈。陆地上的冰雪圈储存了全世界75%的淡水资源，很多地方的灌溉都依赖冰雪圈消融所提供的淡水资源，对于其他地区的影响巨大。此外，格陵兰和南极的冰原储存的淡水，如果完全进入海洋，有能力把海平面提高7米和57米，所以这两个庞然大物的变化也会对海洋产生巨大影响。 冰雪圈示意图 人们对积雪的观测非常早，但是早期的代表性系统性都很不足。1950年开始，北美和欧洲开始观测山区的积雪深度并计算雪水当量，就是这些积雪相当于多少水。积雪也是人类使用卫星对环境观察得到的最早信息之一，从1966年开始，已经有了数据库。对南半球的观测从2000年才开始。这方面的观察有很多局限，比如卫星照片只能分析覆盖面积，不能测量积雪深度以及雪水当量，受云的影响很大，夜晚也无法测量，所以从1978年开始，研究者使用微波技术通过卫星来对积雪进行测量，微波可以穿透云雾，不在乎日光，不过这方面不同的技术和处理方法带来的差距还是有一些的，这方面的技术也在进步中。 观测结果已经有了。北半球1996-2004年的积雪面积是平均2390万平方公里，不包括格陵兰。分季节来考虑的话，不同年份间秋季积雪面积的变化绝对值最大，夏季积雪面积变化的相对比例最大，冬季的积雪面积反而相对稳定。在10月份，积雪面积的标准偏差可以达到270万平方公里。基本上可以说，从 1920年代开始，至少从1970年代开始，北半球春夏两季的积雪面积在减少，在冬季这个趋势并不明显。下图是北半球三四月份的积雪统计情况，可以看到从 1922年到2005年，有大约7.5+-3.5%的积雪面积减少，相应的面积是270+-150万平方公里。积雪显然与温度变化和降水量有明显关系，特别是温度，决定降水是雨还是雪，决定什么时候积雪融化。这方面，有人研究了北纬40-60度之间的气温和积雪情况，发现在春季两者之间有很明显的关系。 北半球三四月份积雪面积变化情况 具体一些，在北美，从1915年到2004年冬季积雪在上升，不过在20世纪后半期能观察到明显的下降，主要也是发生在春季，特别是北美西部海拔较低较暖的山地积雪下降明显，从1960年代开始，阿拉斯加的积雪消融已经提前了8天。欧亚大陆的变化要复杂一些，阿尔卑斯山瑞士地区低海拔地区的积雪减少比较明显，其他个别地区也有积雪增加。欧洲中部地区，雪期差不多每年缩短1天。一些地方发现了雪期缩短但是积雪深度增加，比如芬兰，1970年代开始的青藏高原，1936-1995年间的前苏联；有研究说中国西部自1957年以来积雪和深度都没有明显变化。南半球在南极之外的冰雪覆盖面积很小，资料也匮乏，使用一些代用资料进行补充，一般发现在过去40年里面可能没有变化，或者略有减少，比如澳大利亚东南部山地积雪厚底在降低，安第斯山区积雪变化还不清楚，一些其他资料显示有可能雪线已经开始上升。 北半球三四月份积雪分布比较，1967-1987年平均对比1988-2004年平均，数字为百分比 冻土层的变化就明显多了。从1980年代以来，多年冻土层顶部温度已经上升了3摄氏度，在加拿大北冰洋地区、西伯利亚、青藏高原和欧洲都有不同程度的冻土层变暖。多年冻土层的底部开始融化，速度也不等，在阿拉斯加速度在每年0.04米，青藏高原大约在每年0.02米。多年冻土条件的变化影响范围很广，会影响江河径流、供水、碳交换和景观的稳定性，对于建立在冻土上的基础设施也会造成损害。在20世纪后半期，观察到了北半球季节性冻土覆盖的最大面积减少是 7%，春季减少达到15%，欧亚地区的最大深度减少了0.3米，1956年至1990年，北冰洋俄罗斯地区季节性融化最大深度增加了0.2米。 俄罗斯1956至1990年冻土层的变化情况 上图为211个监测站的分布，中图为活跃层的厚度变化趋势，下图为季节冻土层厚度变化趋势 人类很早就注意到了河流和冰面的封冻情况，这方面的历史资料不少，不过处理起来也需要注意，因为这些观察往往不全面，定义也不完全一致，受其他因素影响也大，不过怎么说这也是人类关于冰雪圈时间最久的记载。冰封面积的历史纪录很长，平均起来，在过去的150年里面北半球河冰和湖冰的总体趋势是封冻期推迟，平均速度达到了每百年5.8+-1.9天，与此同时，解冻期也在提前，速度是每百年6.5+-1.4天，也就是说每百年河面湖面的冰冻期减少了差不多10 天。不过这个观测的空间变率很大，也不是所有地区都有这个规律，在一些地方，相反的趋势也是存在的。 海冰的记载就没有河冰湖冰这么方便了。对全球海冰情况的监测要等到卫星时代才算正式开始。这项工作从1970年代早期开始，使用不同的微波技术进行测量。可靠的卫星数据是从1978年开始的，从1978年到2005年，北冰洋年平均海冰面积以每十年2.7+-0.6%的速度在缩小，夏季的最小海冰面积缩小速度最快，达到了每十年7.4+-2.4%，其他辅助资料表明北冰洋夏季的海冰面积下降从1970年代初期就开始了。南极洲周围海冰的年际变率要大一些，趋势也不同。这里提醒一下海冰的增加消失对于海平面的变化没有直接关系，直接产生影响的是消融或者封冻的淡水会影响海水的盐度。目前还没有卫星技术可以来测量海冰的厚度，虽然已经有了一些观察，初步分析的结果说北冰洋海冰厚度从1980年代开始减少了1米，但是目前的数据还没有达到能就海冰厚度问题下结论的程度。 北半球（上）和南半球（下）年平均海平面积异常 北冰洋消失速度为每年3.3+-0.7万平方公里，相当于每十年2.7%，南大洋海冰增加速度为每年0.6+-1.0万平方公里 北半球夏季最小海冰面极的变化趋势，平均每年消失6+-2万平方公里，注意虽然长期趋势明显，但是年际变化也很明显 在南极和格陵兰之外的冰川、冰盖的总面积在51.2到54.6万平方公里之间，体积为5.1到13.3万立方公里，相当于海平面高度变化0.15到 0.37米。这些冰川、冰盖的变化，受气候影响非常大。在中高纬度，冰面的积累消融更多取决于大气温度，冬季冰冻，夏季消融；在喜马拉雅山脉，冰盖的累积和消融都是在夏季进行的。对于冰川变化的观察也有很悠久的纪录，最早的可以上溯到17世纪，下图列出了从18世纪以来169个冰川舌长度的变化情况，长期趋势还是很明显的。对于这些冰川和冰帽的物质损失的估算，是从1996年到2003年之间，每年0.5+-0.18毫米海平面当量，这里面，从1991年到2003年之间，损失速度达到了每年0.77+-0.22毫米海平面当量。不过总是有例外的，并不是所有的冰川冰盖都在消融，小的冰川冰盖受局部气候的影响很大，即使是一些冰川整体趋势在消融的地区，一些年份受到气候影响而增长也是经常观察到的。冰川冰盖虽然可能是气候变暖的最直观的证据，但是毕竟影响冰川冰盖的不仅仅是气温，降水量的影响对于一些冰川的影响也是非常大的。 169个冰川的冰川舌长度变化趋势 一些热带冰川大小相对1900年的变化 最后讲格陵兰和南极。格陵兰和南极都存在冰架，就是和大陆上的冰连接在一起，但是实际上位于海面上的那部分冰。这些冰并不是漂浮在海面上的，所以这些冰融化是可以对海平面高度造成影响的。已经观察到了在格陵兰岛、南极半岛和南极西部部分地区沿海地区冰架变薄或者丧失，这个过程与附近冰川和冰溪的运动有关，此外也受到海洋温度和大气温度的影响。不过还没有准确模型来进行模拟。关于格陵兰和南极的冰盖的观察也比较复杂，不同的技术工具，测量的有限性都导致了不同研究者之间的不小差异。观测到了冰川在加速将冰从内部排出，但是对于冰的积累数据还有很大争议。目前的估计是从1993年到2003年之间格陵兰冰盖的物质平衡为每年消失500到1000亿吨，造成全球海平面每年上升0.14到0.28毫米，但是对于更早期的数据，比如1961到2003年间，这个数据可能是每年扩大250亿吨到消失600亿吨之间，导致全球海平面每年下降0.07毫米至上升0.17毫米。对南极的估计，从1961年到2003年之间，质量平衡是每年扩大1000亿吨到缩小2000亿吨之间，相当于全球海平面下降-0.27到+0.56毫米，而1993年到2003年测量的结果，是每年扩大500亿吨到缩小2000亿吨之间，相当于全球海平面下降-0.14毫米到+0.55毫米。结论呢，只能说格陵兰冰盖的1993至2003年间地退缩是可能的，但是冰盖在更长的时间跨度上的变化还没有令人信服的结果。 格陵兰冰盖的高度变化 南极大陆冰盖的高度变化 上一篇： IPCC说了什么？（九） 全球变暖
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IPCC说了什么？（九） 全球变暖
songshuhui 2010-11-29 13:09
科学松鼠会 发表于 2010-11-29 09:23 作者：橡树村 人类对冷暖的定量测量时间并不算长，开始于18世纪初期，华氏度和摄氏度这两类温度的计量方法出现后。早期的测量站点很少，仪器也还比较原始，方法也有问题，也缺乏系统性，所以这些早期的数据并不能作为衡量气温变化的依据。可靠的系统性观察大约是从1850年开始的，不过在19世纪，测量站点的数量仍然很少，覆盖面也不大，很难说是全球范围的测量。真正意义上的全球陆地气温测量应该是1957年才开始的，这一年，南极终于有了系统测量温度的站点，这样所有大陆都有了温度测量覆盖。现在全球参与气温测量的站点有数千个，所有的陆地气温数据都汇总到一个数据库里面供研究者使用。不过数据有了，如何计算这个地球陆地平均温度，不同的研究者有不同的方法，结果还是有些差异的，不过相差并不多。下面这个图就是最主要的四个方法得到的全球陆地表面平均温度从1850年到2005年的变化趋势。 1850-2005年间全球陆地表面温度变化的趋势 地球上海洋的面积要大于陆地的面积，要了解整个地球表面的气温变化情况，绝对不能忽视海水温度的测量。对于浅层海洋温度的测量，早期只能依靠船只，方法是在船只底部拖挂一个装置来记录浅层海水的温度。现在，这个方法仍然是测量浅层海水温度的最直接可靠的方法，每年有数千只船在做自己事情的同时参与这项工作，结合现代精确的时间和位置信息，构成了浅层海水温度的数据库。地面站点也好，船只进行海水温度测量也好，毕竟都有地域局限性。1980年以后，卫星也加入了对地表温度和海水表层温度测量的行列，最终完成了对全球温度测量的覆盖。到这个时候，全球的表面气温数据才算是完善起来。 上：1979-2005年地球地表温度（左）和卫星观测的对流层温度（右）的线性趋势 下：全球平均气温及对应的线性拟和 上图中的下图显示的是综合了陆地和海洋的全球平均气温变化情况。从这个图可以看到，在19世纪后半期一直到1910年代，全球表面气温有上下 0.2-0.3摄氏度的波动，但是整体变化不大。很难说有什么趋势。这里面有几个点超出正常范围不少，有可能是实际存在的，也有可能是因为当时测量站点的覆盖面太低造成的。从1910年代开始，到1940年左右，全球温度有一个持续的上升过程，温升幅度达到了0.35摄氏度。最近的一次温升，就是从 1970年代开始，至少持续到2005年，温升幅度已经达到了0.55摄氏度。由于从1980年代开始全球测量温度的站点数量众多，连续性系统性都已经很完善，这一段数据的可靠性是很高的，或者说，观测到的从1970年代开始的这一次大幅度温升过程，是非常可靠、明显的。IPCC的报告里面一直在比较 100年气候变化的线性趋势。在TAR里面，比较的是1901年和2000年之间的变化，得到的趋势是0.6+-0.2摄氏度。AR4比较的是1906年和2005年之间的变化，得到的趋势就是0.74+-0.18摄氏度，能看到一个升温速度增加的趋势。如果拿1850年到1899年之间的平均数与 2001年到2005年之间的平均数进行比较，温度增加幅度是0.76+-0.19摄氏度。1950年代以来的变暖趋势是每10年温升 0.13+-0.03摄氏度，而1979年代以来温升速度达到了0.27+-0.07摄氏度。在全球范围内，不仅仅全球平均温度的变化有这个逐渐加快的趋势，陆地和海洋都可以观察到这个变化趋势。 几组浅层海水温度历史变化数据 地球表面的温度变化趋势有了，高空如何呢？高空的温度可以使用探空气球进行测量，这项活动开始于1950年代，不过这个测量方法比起地面站点来讲，可是昂贵麻烦了很多，所以覆盖面、数据频率，都有很大的问题，代表性不强。1979年卫星微波探空仪MSU的使用，使得监测对流层中上部分以及平流层温度成为可能。不过到现在为止，不同的卫星微波探空仪测量的不同的对流层温度趋势仍然存在差异。好在协调不同数据源的工作一直在进步，数据的可靠程度也越来越高，已经可以给出有一定可靠性的结果。这些测量的结果说，在对流层，也可以观察到一个每10年0.12-0.19摄氏度的变暖率。对于平流层，则观察到了一个每 10年0.3-0.6摄氏度的变冷，不过最近的十年变冷率在下降。由于数据相对少很多，对于平流层的变冷有可能高估了。 不同高度大气温度趋势 从上到下：平流层底部，对流层中上，对流层底部，地表 虽然全球平均温度变暖是一个基本上可以确定的事实，但是这不等于全球的所有地方都有相似的变暖幅度，甚至不能说全球所有的地方在所考察的时间短都在变暖。这是很多人能够产生误会的地方：全球变暖说的是全球平均温度的变暖，具体到某个地方，要看具体情况。从地区的角度来看，各地的平均气温是在怎样变化呢？ 全球不同区域平均气温变化趋势 上面这个图描述的是全球不同地区的年平均表面气温的变化趋势。左边的，是从1901年到2005年之间105年的变化情况，右边的，是从有全面精确记录以来的1979年到2005年27年时间的变化情况。灰色的区域是数据不足的地方。红颜色的格子，是温度升高的地方，颜色越深温度升高越多，蓝颜色的格子，是温度降低的地方，同样也是颜色越深温度降低越多，图里面有刻度。注意一下左边图上的单位是每百年的温度变化，右边图上的单位是每十年的温度变化。从百年尺度来看，降温的地方，最多的有降温达到1摄氏度的，升温的地方，最高的可以达到温升2摄氏度以上，不同区域的变化差异还是很大的。长期趋势和最近的趋势也不尽相同，一些长期趋势在降温的地方，最近三十年有逐渐升温的趋势，比如格陵兰岛东南部海域。反正很复杂，不能简单的用变暖来进行描述。不过可以说，在百年尺度上，全球大多数地区的变暖趋势都是很明显的。可以看出来在亚洲的内陆地区，北美的西北部地区，南半球的一些中纬度的海洋地区，巴西东南部，变暖的程度最显著。也有一些原本升温的地方出现了降温，比如在中国西南部，还有一些南半球的海洋地区。最近30年的情况，变暖仍然是主要的趋势，不过在南半球的一些海洋地区也可以观察到明显的降温。 更加复杂的是，不同季节的温度变化情况也是有差异的。下面这个图显示的是1979年到2005年间全球各个地区不同季节的平均温度变化情况。左上角是春季三、四、五三个月的变化情况，右上角夏季六、七、八月，左下角秋季九、十、十一月，右下角是冬季十二月到二月。这里面可以看出来北半球冬春两季的增温很明显，幅度也最大。也就是说区域的气候变化趋势与全球气候平均的变化趋势可以非常不同。不同的原因应该是大气环流、海气相互作用以及其他气候组成部分的变化造成的。这些跨越很大地理范围的大气、水汽输送发生了变化以后，对不同区域带来不同的影响，从而影响各个不同区域的局部气候，具体行为可以非常复杂。 全球各个区域1979-2005年不同季节的平均气温变化趋势 一些极端天气事件也与全球平均变暖的趋势一致。这方面观测到的结果，是中纬度地区的霜冻日大范围减少，极端暖日数增加，极端冷日数减少。从1951年到 2003年间，冷夜的数量在所观测的76%的陆地区域都有明显的下降。热浪的增多也是明显的，比如2003年夏天欧洲的热浪，夏季平均气温是1780年开始仪器测量以来最暖的一个，比之前最暖的1807年高出了1.4摄氏度。其他地区的资料也显示热浪的频率和持续时间也在加强。其他的一些小范围的极端天气事件，比如龙卷风，冰雹，闪电，沙尘暴等等，由于涉及到的范围很小，其究竟是否有变化还没有结论。 插一句报告里面没有提到的。这里面所说的是全球范围的平均温度变化，这个全球变暖，在近百年的时间尺度上，不过升高了不足1摄氏度，是一个需要十年以上的时间才可以观察到的全球范围的平均化的长期变化趋势。所以不要因为某个地方某个季节气温特别高或者特别低，就轻易肯定或者否定这个长期变化趋势。因为某个地区某个季节的冷暖变化而夸大或者否定全球变暖这个长期趋势的，讲的绝对不是科学。冬天冷的时候拿全球变暖当笑话，夏天热的时候又开始对全球变暖认真的，绝对不是严肃的认知态度。 上一篇： IPCC说了什么？（八） 火山的影响
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IPCC说了什么？（八） 火山的影响
songshuhui 2010-11-20 16:47
科学松鼠会 发表于 2010-11-19 03:01 作者：橡树村 影响地表能量平衡的自然因素里面，太阳辐射的变化是外来的因素，火山活动就是来自地球的内部因素。火山爆发是非常剧烈的地质运动，在火山喷发过程中，地壳破裂，地壳下面的各种气体、液体都释放出来，喷发本身还伴随着大量灰尘的释放，很是壮观，如果规模达到一定程度，就会对气候造成影响。 1991年皮纳图博火山喷发是20世纪最猛烈的一次火山喷发 由于火山喷发是相对罕见的事情，所以对于大多数火山喷发，至少是人类有史以来的火山喷发，火山喷发本身的能量释放，喷出来的岩浆对气候的影响等等就可以忽略。云次研究火山喷发对气候的影响主要研究的是火山喷发时候所释放的气体和灰尘。火山喷发可以带来不同的气体，一般来讲，最多的就是水蒸气，然后是二氧化碳和二氧化硫，其他的，硫化氢，氯化氢，氟化氢也是很常见的火山气体，另外还有一些更加复杂的化合物，不过量都很少了。喷发出来的水蒸气虽然最多，但是一方面水蒸气在大气中停留的时间只有十几天，影响时间短暂，另外一方面火山喷发出来的水蒸气与全球水循环相比基本上可以忽略，所以目前在研究火山对气候的变化的时候并不考虑喷发出来的水蒸气的影响。二氧化碳是重要的长寿命温室气体，总有一些人认为火山喷发的二氧化碳比人类活动所排放的二氧化碳多，实际上平均下来，火山喷发所带来的二氧化碳排放每年只有1.3-2.3亿吨，虽然也不是一个小数字，但是比起来人类目前每年排放的将近300亿吨二氧化碳来讲，在数值上低了两个数量级，也是可以忽略的。这样，考虑火山喷发对气候的影响，主要考虑的因素就是二氧化硫和火山灰。 火山喷发出来的气体可以高达16-32公里，可以进入平流层。这样，火山喷发出来的二氧化硫就直接进入了平流层。和对流层不同，平流层里面不同高度的气体交换非常缓慢，所以二氧化碳可以在某个高度停留较长时间。这样，在平流层里面的二氧化硫就有机会经过缓慢氧化，与平流层里面的羟基反应，形成硫酸，进而形成硫酸盐固体颗粒，也就是可以形成气溶胶。这个气溶胶会逐渐沉积抵达地面。这个过程也不是特别缓慢。描述这个过程的速度的，是一个叫做指数递减时间e- folding time的概念，说的是反应物浓度降低自然底数e=2.71828倍数所需要花费的时间。二氧化硫氧化形成硫酸和硫酸盐气溶胶的指数递减时间是35天，而硫酸和硫酸盐形成的气溶胶沉积的指数递减时间是12到14个月。由于在平流层形成气溶胶，而硫酸盐气溶胶可以增强对太阳辐射的反照，所以这些气溶胶就会减弱太阳进入到对流层的辐射，从而产生一个负的辐射强迫。这个进入平流层的二氧化硫所形成的气溶胶与火山直接喷发出来的火山灰有所不同。火山喷发出来的灰尘主要成分是硅酸盐，这些硅酸盐颗粒一般都在2个微米以上，算是比较大的颗粒了，所以可以很快从平流层中清除，对气候的长期影响不大，只是对于爆发后的气候有显著的短期影响。所以呢，火山喷发形成的硫酸盐气溶胶是对气候影响起最主要作用的一个因素，而所导致的结果，是一个负的辐射强迫，或者说，是降温。 火山喷发对气候的影响 定性的研究不难，但是定量可不容易。对火山喷发形成的气溶胶的辐射强迫进行定量估算，就需要对气溶胶的形成有清晰地了解。历史上的火山喷发也有一些痕迹可循。火山爆发后形成的气溶胶会被大气输送到极地地区，高寒地区，这样，这些气溶胶就会被保留在冰里面。通过研究冰芯里面的颗粒物，就可以重建气球的火山喷发历史。当然，大气对气溶胶的输送远没有对气体的输送那样有效均匀，受到气溶胶的高度分布影响，受到很严重的噪音干扰，所以这方面的数据不确定性仍然不小。 怎么说也是直接观察最可靠。这方面，通过长期的地面观察以及探空气球的测量，人们已经积累的不少知识和数据。在卫星时代之前，人们对于全球的变化仍然缺乏直接全面认识手段，1980年代使用卫星对平流层气溶胶进行观测之后，人们就掌握了这个问题的第一手资料，特别是从1980年代开始的专门的平流层气溶胶和气体试验更是专门对这个问题进行观测、研究，积累了20多年的详细数据。这期间地球有两次大的火山爆发，正好也是20世纪所经历的最大的两次火山喷发，一个是1982年的墨西哥埃尔奇琼El Chichon火山爆发，另一个是1991年的菲律宾皮纳图博Mt Pinatubo火山爆发。这两次产生的影响，都得到了非常全面的记录。特别是1991年皮纳图博火山爆发，可以说是到目前为止人类观察最充分详细的。在这个火山爆发之后，一直到AR4成文的2007年，都没有可能影响气候的火山活动。这期间，很明显观察到了平流层气溶胶的浓度下降，这些气溶胶的光谱特性也一直被跟踪研究，对于火山爆发后的气溶胶行为有了不错的了解。根据这些知识，人们开始重建历史上的数据，下图列出了两组重建的19世纪末起到20世纪末的火山气溶胶圈可视光深的数据。 两组对19世纪后期以来火山喷发导致的气溶胶的光深变化 了解了气溶胶的形成过程、种类、性质，要进行定量估算仍然很麻烦。气溶胶产生的辐射强迫可以直接影响地球的能量平衡，这样，会对地表平均温度造成影响。然后，这个气溶胶存在一个水平和垂直分布，这样就会对平流层的循环造成一定影响，进而影响对流层。再有，这些辐射强迫还可以对对流层内的一些变量产生影响，对气候构成干扰，可能触发、放大、减弱、改变一些气候事件。最后，火山气溶胶还可以改变臭氧层的分布，火山喷发出来的一些少量气体，也会与臭氧反应，在一定的时间内造成干扰。总而言之，火山喷发会影响很多其他气候现象，把整个系统弄得非常复杂。这些因素综合在一起，结果就是人们对于火山喷发造成的长期辐射强迫还没办法估计。由于火山的短期性，不连续性，给出这个数值还是很困难的。不过还是有人开始对火山喷发时候的辐射强迫进行计算，一个研究认为皮纳图博火山喷发时产生的辐射强迫可以达到-3.0W/m2。不过这方面计算的不确定性仍然很大，因为气溶胶的尺寸分布对光学性质有不小的影响，而气溶胶尺寸的估算和重建又很困难，成了一个重要的误差来源，所以不同研究者之间的研究结果差异还是不小的。对之前的主要火山的影响进行估算，只有19世纪末期以后的还相对可靠一些，更久远的，可靠性就要大打折扣了。 因为这个问题非常复杂，所以在TAR的时候并没有给出火山喷发导致的气溶胶造成的辐射强迫。到了AR4的时候，虽然人们在这方面的了解有所增强，但是还是给不出这个辐射强迫。人们能够肯定的，只是这是一个负的辐射强迫，但是定量仍然很困难。在这个问题上，整个领域的科学认知程度仍然是低水平。 各类因素的辐射强迫总结 现在总结一下前面列出的所有的辐射强迫。拿2005年与1750年进行比较，这期间人类活动造成的温室气体排放加上工业污染，以及其他的种种因素，加在一起有一个中间值为+1.6W/m2，90%置信区间是+0.6W/m2到+2.4W/m2的一个正方向的辐射强迫。而大自然在这个期间，太阳辐射的变化提供了一个中间值+0.12W/m2，90%置信区间是+0.06W/m2到+0.30W/m2的一个正方向的辐射强迫；大自然的另外一个主要因素火山喷发，虽然还无法对其辐射强迫进行定量，但是可以肯定提供了一个负方向的辐射强迫。那么比较这三个因素，就可以说，人类活动所造成的正方向的辐射强迫，高于大自然在这个期间所造成的正方向的辐射强迫。而这个正方向的辐射强迫，就意味着有更多的能量留在了地球表面，导致地表的温度偏高。那么，究竟偏高了没有，偏高了多少呢？ 上一篇： IPCC说了什么？（七） 太阳的变化
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IPCC说了什么？（七） 太阳的变化
songshuhui 2010-11-14 17:22
科学松鼠会 发表于 2010-11-14 6:31 作者：橡树村 在人类的行为开始对气候够成影响之前，地球表面的气候也一直在变化着。这些变化的最主要的原因就是太阳辐射的变化。对于地球而言，太阳基本上是唯一一个外 部能量来源，太阳提供的辐射的变化就是影响地球表面能量平衡的最重要因素。要了解工业化以来气候变化的原因，那么，就必须了解这期间太阳辐射的变化。 现代对太阳的观测已经比较充分。观测太阳辐射变化最方便的地方是在太空，这样，就需要人造卫星来对太阳到达地球的辐射进行直接测量。从1978年以来，人 们就开始用人造卫星直接对太阳辐射变化进行观察，现在有四个独立的对太阳辐射进行直接观测的卫星系统，这些数据汇总在一起，成为太阳辐射变化数据库的一部 分，给人们的研究提供了很大方便。不过有了详实数据不等于就有了准确数据，测量本身需要校准，对仪器的漂移等等都需要进行一定的处理，这些处理的方法的差 异就会对最终结果导致一些细微区别，不同卫星的数据也会有差别。下图里面展示了1980-2005年太阳辐射的两个分析结果，数据使用的是月平均值，显示 的是变化的百分比。可以看到这段时间的观察，覆盖了两个太阳周期，2005年差不多处在即将达到第三个周期低谷的位置上。这里面，有一组数据比另一组数据 在第二个周期的时候高了0.04%，这被认为很可能是来自仪器的偏差，而不是太阳辐射的实际变化，但是具体原因仍然未知。按照这个数据，基本上可以讲，最 近的这两个太阳周期内，太阳辐射并没有很明显的变化。有人给出了一个辐射周期最小值有0.01%的增高的分析结果，不过数据误差达到了+-0.026%， 也就是说，这个有可能存在的略微增高，不确定性还非常大。因此，从这些数据来讲太阳辐射从1980年以来在增强还是很不充分的。因此可以认为这两个周期 内，太阳辐射的长期增加趋势并不显著。或者说，这两个周期的时间内，地球平均气温变化的长期趋势，与太阳辐射变化的关系不大。 1978年以来太阳辐射的月平均变化。两个颜色的数据来自两个不同的卫星体系 太阳周期就是那个明显的差不多是11年的周期变化，实际上并不是每一个周期都是11年，而是从9年左右到13年不等。这个周期说的是差不多每11年，太阳 辐射的强度就从高到低再到高的走上一圈。伴随这个辐射强度周期的，是太阳黑子和太阳光斑的周期性活动频率，但是具体的变化机理目前还不清楚。太阳辐射也有 一个很广泛的频率范围，在这个周期里面，不同波长的辐射的变化也是有一些区别的。这方面的监测也已经有了，比如200到300纳米的紫外线，周期内变化 1.3%，315到400纳米范围，周期内变化0.2%，而400到700纳米的可见光范围，周期内变化为0.08%，700到1000纳米的近红外区， 周期内变化0.04%，1000纳米到1600纳米范围，周期内变化仅有0.025%。不同波段的能量分配也是不同的，对于地球气温产生重要影响的主要是 波长高于300纳米的可见光和红外辐射。由于太阳辐射的能量主要集中在400到500纳米之间，虽然紫外区的变化比例很大，但是能量的绝对值变化很小。综 合这些因素，太阳周期内太阳辐射能量的变化幅度被定为是0.08%。 太阳的光谱。黄色为大气层顶部的光谱，红色为抵达地面的光谱。 光谱覆盖了三个波段，从左到右为紫外、可见光、红外 但是人类对太阳的精确观测也只有这三十年，这之前的数据就需要通过其他方法来重建。因为AR4所研究的是1750年工业化以后地球能量收支的变化情况，那 么，就需要对这两百多年前的太阳辐射进行估算。太阳辐射的变化会影响到地球地磁的变化，以及一些宇宙同位素的量，通过重建地磁的变化情况，分析在冰芯、树 木年轮里面的宇宙同位素的测定，就可能重建太阳辐射的变化历史。不过这个重建的理论目前仍然不完善。 在2001年发布第三次报告TAR的时候，使用的是1990年代的重建方法。这些方法假定太阳的辐射在已知的约11年周期的基础上，还有一个长周期的变 化。假定这个长周期存在的依据有三个，一个是对其他类太阳的恒星的观测结果，认为太阳现在处于辐射变化比较大的状态；一个是对地磁的长周期变化的观察；最 后一个是依据从宇宙射线同位素得到的太阳辐射模型。根据这个理论推断，1645年至1715年的蒙德尔极小值的太阳辐射比目前的太阳周期极小值的太阳辐射 低了0.15%到0.3%。按照这些方法估算的1750年以来的太阳辐射强迫，最高的数值达到了0.68W/m2，其他几个研究给出的结果也在0.3W /m2左右。TAR综合了1990年代的几个研究结果，最终给出的太阳辐射强迫是0.3+-0.2W/m2，不过同时指出了这方面的认知水平还很低，对太 阳辐射度的历史重建还没有可信的方法。 2000年代初，对上述理论的三个依据都有了新的认识。首先是判定太阳现在处于辐射变化较大状态的宇宙射线同位素依据没有得到重复，研究降低了这个论断的 可靠性；然后发现所谓的地磁变化的长周期，实际上来源于仪器本身的漂移，经过修正以后，这个长周期规律也变得依据不足，至少变化幅度小了很多；最后，人们 发现宇宙射线同位素、地磁等与太阳辐射的关系，可能不是简单的线性关系。这样，1990年代研究太阳辐射变化的三个基本依据都出现了问题，1990年代的 研究结果也就不能使用。 2002年，有研究发现了太阳的磁通量变化与辐射变化的关系，从而导致了2005年对历史上太阳辐射的重新估算。这个新的理论仍然使用地磁和宇宙同位素 C14以及Be10的丰度数据，但是根据太阳开放磁通量的变化的模型，对从1713年到1996年26个太阳周期的太阳磁通量进行重建，进而重建了18世 纪初期以来的太阳辐射变化。这项研究的结果大大降低了这段时间内太阳辐射度的变化幅度，所估计的17世纪蒙德尔极小值与目前太阳周期极小值的太阳辐射差 别，仅为0.04%，仅是1990年代估计的数值的三分之一到七分之一。对于1610年以前太阳辐射数据的重建显示在12世纪时候的中世纪极大值与目前的 周期极大值基本相当，不过这方面的了解仍然有欠缺。在AR4进行整理的时候，研究人员正在试图建立太阳磁通量变化导致的太阳风的变化，所影响的宇宙同位素 的变化，以及后续的一系列物理化学反应的模型。这方面的初步研究结果，指出了最近的70年以来，太阳的活动水平明显高于过去8000年以来的太阳活动水 平，有显著的增强。不过在扣除了化石燃料对所使用的C14数据的影响之后，这个结论有了修正，说最近70年以来的太阳活动的确仍然在增强，太阳活动水平的 确是历史上的高水平，但是并不是特别的高。 两个2000年代初期进行的太阳辐射变化的研究结果。可以看到最近70年太阳辐射的增强，周期波动幅度增大 太阳辐射基本上在1365-1366W/m2附近变化，按照上面的说法，从蒙德尔极小值到现在的周期极小值升高了0.04%，实际增加的辐射就是0.5 W/m2。这个单位不是我们在考虑辐射强迫的时候使用的单位，而是单位截面积上太阳的辐射。把太阳辐射转换成辐射强迫，需要把数值除以4。由于太阳周期的 幅度变化也有不同，最近这个变化幅度也有增加趋势，所以总的太阳辐射能量增加要高于极小值的增加数值。重建结果是从1750年到现在太阳辐射总量增加了 0.05%，相当于+0.12W/m2的辐射强迫，这个数值比TAR时候所估计的+0.3W/m2大幅度降低。有研究专门探讨了这个增加的上限和下限。对 上限的估计是0.12%的变化，相当于+0.30W/m2的辐射强迫，对低限的估计为0.026%的变化，相当于+0.06W/m2的辐射强迫。这样，就有了AR4中采纳的太阳辐射强迫范围，+0.12 W/m^2。不过需要注意的是，AR4认为这个问题的认识水平虽然比TAR的时候有所提高，但是仍然处于较低的水平。 太阳辐射还可能有间接影响。大气宇宙射线离子和太阳周期有关系，而这个大气宇宙射线离子可能会影响全球平均的低层云覆盖，具体的作用可能是改变云凝结核的 分布，以及云滴数和浓度等的分布，进而对云的反照产生影响。这方面，人们刚发现这里面的可能关系，详细情况和机理都仍然缺乏了解，究竟这个问题是否存在也 有争议，更无法定量研究。此外太阳辐射里面的紫外部分，因为基本上被平流层的臭氧层吸收而不计入辐射强迫中，但是这部分的能量变化幅度最大，实际上贡献了 整个太阳能辐射能量变化的15%。这部分辐射会对平流层的臭氧产生影响，能导致全球臭氧浓度2-3%的变化。对这个问题认识也非常初步，还无法定量研究。 总结一下，AR4中使用了当时最新的研究结果，认为1750年以来，太阳的辐射强迫仅为+0.12 W/m2，这个数值远远小于前面提到的人类活动造成的辐射强迫+1.6 W/m2。换句话说，AR4认为太阳在这段时间内的辐射变化，小于人类活动造成的影响。不过需要注意，AR4认为这个问题的认识虽然有了进步，但是水平仍然较低。 1100年来的气候辐射强迫重建。 上面第二个为太阳辐射的重建，第一个为火山影响，第三个为其他因素影响，即人类因素影响。 下图为北半球陆地平均温度重建 上一篇： IPCC说了什么？（六）人类的其他影响
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IPCC说了什么？（六）人类的其他影响
songshuhui 2010-11-10 12:10
科学松鼠会 发表于 2010-11-09 6:47 作者：橡树村 除了温室气体以外，人类的活动还有其他一些会对气候造成影响。最重要的就是气溶胶。气溶胶是空气中固态或者液态的颗粒物的聚集。别看固体液体的密度比空气大上不少，当颗粒足够小的时候，这些东西也是可以漂浮在空中的。小到什么程度呢？差不多是在10个纳米到10个微米之间。这些微小的颗粒物聚集在一起，能够在大气中驻留至少几个小时，甚至更久，长达数天数周。虽然气溶胶停留的时间并不长，但是由于大自然和人类持续的向大气排放气溶胶，所以整体来说大气总是能够保持一定量的气溶胶，因此其对气候的影响也需要考虑。实际上，这是一个非常重要的影响因素。 气溶胶影响气候的方式非常复杂，也很热闹。下面这个图了解释大部分气溶胶对气候的影响过程。首先，最左边的一个，气溶胶会影响大气对太阳光的反射，也就影响了太阳光抵达地面的程度，这个叫做直接作用。但是究竟气溶胶会增大对太阳光的反射，还是会减少太阳光的反射，那可就热闹了。不同化学成分、形状的气溶胶，它们都不一样！究竟起到什么样的作用，要看这个气溶胶的光学性质，同时还与当时的湿度有关，大气中的气溶胶的分布状态，运动状态，高度，地点，也会影响到气溶胶对太阳光的反射。总的来说，可以部分吸收太阳光的气溶胶，如果处在颜色比较深的地球表面上空，比如海洋，或者森林，会减少太阳光对这些地区的辐射，是一个负的辐射强迫；而如果气溶胶处在很明亮的表面，如雪面，冰面，沙漠，或者云的上空，就可能产生正的辐射强迫。一般来讲，气溶胶影响的只是短波辐射，也就是从太阳来的辐射，但是如果气溶胶颗粒加大，就有可能影响到长波辐射，也就是地表发出的红外辐射，这自然就会增加了事情的复杂性。 气溶胶的直接和间接作用 然后呢，气溶胶还可以影响云的行为，这就是间接的影响。这就可以非常热闹了。云是在大气中聚集的水滴或者微小的冰颗粒，所以云也可以粗略分成水云和冰云两种，虽然实际上水云冰云经常混在一起。无论哪一种，大气中气态的水蒸气要凝结，都需要有一个种子，也就是需要大气中的固体或者液体颗粒，或者说需要气溶胶。如果大气中根本就没有这些颗粒，水的分压再高也是形不成云的，在温度比较低的高空，这种情况就比较常见，低空的话，因为气溶胶广泛存在，这样的时候不算很多。要是气溶胶少呢，相对来讲，形成的云的水滴就要大一点，就是左边第二个图显示的。气溶胶多了呢，就是左边数第三个图显示的，会增加云里面的水滴的数量，进而影响云对太阳光的反射。这个作用，被称为一级间接作用。这个具体的影响呢，也与气溶胶的化学成分、大小，和当时的温度有关。然后人们发现实际情况还要热闹。云里面的水滴小了，就会改变下小雨的可能性，左边第四个图画的就是这个；再向右边看，有可能会对云的高度产生影响，可能会影响到云的留空时间。这些都被称为二级间接影响。最右边的两个，说的是因为一些气溶胶对短波辐射的吸收，导致了对流层局部湿度和稳定性的影响，从而影响冰云高度变化以及稳定性改变等等，这个叫做半间接作用。很热闹吧？好在考虑辐射强迫的时候，现在还不考虑半间接作用，不过这个作用也不是被忽略的，而是作为反馈来考虑的。 这么复杂的行为，其认知程度就不要指望太高。对气溶胶的大规模研究起步的年头不多，所以相关学科进展很快，但是因为起步太晚，目前的认识水平基本上是中等水平。到了AR4的时候，已经可以在大陆地上分辨出什么地方大约都有什么气溶胶，也就可以判定那些硫酸盐、有机碳、炭黑、硝酸盐、工业粉尘等等的气溶胶的分布，而卫星监测的使用，地面监测站的建立，也收集了很多数据，可以用来建立验证各式各样的大气气溶胶模型。尽管如此，现在对单一气溶胶的直接辐射强迫的认识还很不足，不过总是已经有了一定的估计。 气溶胶光学厚度 上图为2001年一至三月，下图为2001年八至十月。图中的白色和红色的小点显示了检测气溶胶的站点的分布 人类向大气排放的二氧化硫与水和大气中的氧特别是羟基反应形成的硫酸盐是气溶胶里面很重要的一个，在大气里面，基本上硫酸盐都是以硫酸铵、硫酸氢铵的形式存在的。大气中74%的硫酸盐都是人类排放的，72%来自化石燃料燃烧，2%来自生物质燃烧。大自然也排放不少的二氧化硫，海洋的浮游生物排放的二氧化硫占到了总量的19%，火山喷发也贡献了7%。在1990年代，估计二氧化硫排放的总量是每年9170到12550万吨硫，其中6680到9240万吨硫来自人类活动。人类导致的硫的排放目前已经在下降。欧洲目前硫排放已经从1980年的每年1800万吨降低到2002年的每年400万吨，美国的硫排放也从 1980年的每年1200万吨降低到了每年800万吨，不过在亚洲以及其他发展中国家，硫排放目前还在增长，亚洲2000年代初期的硫排放大约在每年 1700万吨。不过总的来说，从1980年到2000年，全球的二氧化硫排放已经从7300万吨减低到了5400万吨，其中北半球从6400万吨下降到 4300万吨，南半球从900万吨增加到1100万吨。这个硫排放地点的变化，也会对气溶胶的辐射强迫产生影响。对于硫酸盐的辐射强迫，研究者之间的差异还是不小的，从-0.21W/m2一直到-0.96W/m2，平均值在-0.46+-0.20W/m2。在AR4中，最终选定的数值是-0.41W /m2，取90%的置信水平之后，就是-0.40+-0.20W/m2。换句话说，硫的排放可以起到降温的作用。 气溶胶的辐射强迫分布 a) 人类排放的气溶胶的光学厚度；b) 与观测值的差异，显示自然排放的气溶胶的效果； c) 短波辐射； d) 辐射强迫模型的标准偏差； e) 大气的短波辐射强迫； f) 表面的短波辐射强迫 化石燃料的使用还会造成有机碳颗粒和碳黑进入大气，生物质燃烧也有类似作用。这个量，不同的研究者的估计也有不小差异。有人认为化石燃料每年向大气输送 1000万到3000万吨的有机碳颗粒，800万吨碳黑，也有人认为化石燃料提供的有机碳颗粒物和碳黑都只有两吨多，生物质燃烧实际上贡献更多的有机碳颗粒。一组数据说化石燃料燃烧每年提供220万吨有机碳颗粒，而生物能源却贡献了多达每年750万吨。这些颗粒自身对于太阳光照射的影响不算大，同时不同来源的颗粒影响也有区别，而这些颗粒又很容易与其他的颗粒聚集在一起，难以单独考察，这都把问题弄得非常复杂。目前的最佳水平估计，有机碳造成的辐射强迫是 -0.05+-0.05W/m2，炭黑+0.2+-0.15W/m2，生物质燃烧+0.03+-0.12W/m2。人类还排放硝酸盐和其他矿业粉尘。硝酸盐的形成机制，是当大气中所有的硫酸盐都被氨饱和之后，余下的氨会缓慢氧化形成硝酸盐。或者说，在一些硫酸盐的影响下降的区域，会出现硝酸盐的影响上升的情况。目前的估计，硝酸盐颗粒造成的辐射强迫是-0.10+-0.10W/m2，矿物粉尘造成的辐射强迫是-0.1+-0.2W/m2。 对于人类排放气溶胶直接作用辐射强迫的各种估算结果 气溶胶造成的直接影响的总和，并不是这些数值的简单相加。这些单一因素之间即有重叠，也有干扰，简单作加法是不行的。把这些因素综合考虑，也需要对这些作用的充分理解，最终需要依靠模型来模拟计算。这方面到AR4的时候研究也刚开始不久，同时结合一些卫星得到的数据进行验证。不同来源的估算得到的总辐射强迫的数值差异也不小，从略微的正值一直到-0.8W/m2。AR4最终采用的是这些数值的综合，-0.50+-0.40W/m2，这里面的不确定性还是很大的。 间接辐射强迫，也就是说对云的反照率，或者说对云对太阳光的反射的影响，研究仍然在起步阶段，这方面的认识水平很不高。这个影响的确非常复杂，不是所有的气溶胶都会影响云的性质的，所以就要研究究竟什么地方都有什么样的气溶胶，什么样的化学成分，颗粒大小，排放的时候当地的温度、湿度、风的情况、排放高度等等。而由于不同的云对于太阳的反照也有所区别，这里面还需要考虑形成的云的大小、水滴尺寸、冰晶比例，甚至云的形状都是一个不可以忽略的因素。对于已经形成的云，气溶胶也会对云产生一些影响。不打算在这里展开了，有兴趣的可以去看第一工作组技术报告的2.4节。和气溶胶的直接影响一样，对这个间接影响的估算，目前不同研究者得到的结果差异也非常大，从-0.3W/m2一直到-1.8W/m2。AR4又采用了谁也不得罪的方法，把所有人的结果都纳入了进来，选定了一个平均值-0.7W/m2，90%的置信区间是-0.3到-1.8W/m2。也就是说，气溶胶造成的对云的影响，增强了云对太阳光的反射，降低了抵达地球表面的辐射强度。 总结一下，气溶胶的研究还很初步。目前的估计，气溶胶的直接辐射强迫是-0.50+-0.40W/m2，间接的辐射强迫是 -0.7 W/m2。气溶胶对辐射强迫的贡献，是人类活动对负方向的辐射强迫最重要的，数值也是最大的。可以预计这方面的研究的进步，会对人类活动的整体辐射强迫的估算有很大的影响，大约是对人类活动对辐射强迫估算的最大不确定性的来源。 影响云的还有一个一般人想不到的因素，就是飞机造成的航迹云。对流层的上部气温低，但是气溶胶也很难到达，没有晶种就行不成云，所以这里面的冰很多时候处在过饱和状态。而目前的飞机是可以很轻易的达到这个高度的，实际上喷气式飞机经常在这个高度活动。飞机经过之后，对过饱和状态的水汽造成影响，燃料燃烧排放的颗粒物来提供晶种，就会形成长长的凝结尾迹，也就是能见到的航迹云。这些云自然是可以反射太阳光的，不过这个云也可以吸收地面发射的红外辐射，并且从目前的研究结果来看，后者起到的作用还要大一些。对这个问题研究还不充分，认识水平并不高。AR4的估计，这个凝结尾迹对辐射强迫的贡献是+0.01 W/m2，基本上是正的强迫，但是数值很小。高空飞行器对于卷云的形成也会有影响，航空燃料燃烧后排放的气溶胶也对云的行为有影响。但是这两个影响，目前还没有了解。 气溶胶的影响不仅仅局限在对光照和云的影响上。气溶胶降落到地面以后，还会对地面对太阳光的反照造成影响，也就是说，影响地表反照。前面讲过，在地球的总能量平衡里面，地表对太阳光的反照也贡献了不小的比例，将近10%的太阳光直接被地表反照。地表对太阳光的反照显然与地表本身的颜色、植被、地形、地貌有关。而人类工业活动以来，大规模改变了不少地方的地表覆盖物，这些变化，就会对地表对太阳光的反照造成影响。比如人类把大量的森林开辟出来，成为农田、牧场，就可以直接改变这个地区地表对太阳的反照程度。农田与森林的反照有很明显的区别，由于森林植被茂密，形状也不一，高低不齐，森林对太阳的反照就要少一些，而农田相对来讲整齐划一，也普遍比较低矮，这样对太阳的反照就要多一些。另外，在降雪的时候，森林很难会完全被大雪覆盖，总是有很多高耸的树木露出来，从而降低雪地对太阳光的反照，而农田基本上是一片平地，被大雪覆盖后比较均匀，对太阳光的反照就会比较强烈。 人类自1750年以来对地表的影响 上图：重建的没有人类影响的地面植被；下图：1750年与1990年农业（中）与农牧业（下）的比较 在1750年，人类农牧业用地的总面积估计是790到920万平方公里之间，占地球陆地面积的7%到9%。这些土地主要分布在欧洲、印度恒河平原，当然还有中国。然后，人类的农牧业用地就一直在增加，在1850年到1950年之间的农牧业用地增长非常迅速，到了1950年前后达到最高值。从1950年开始，农牧业用地总面积基本上稳定，并略有减少。到1990年，人类农牧业用地总量是4570到5130万平方公里，占地球陆地面积的35%到39%。和这个数值相对应的，就是森林覆盖面积的减少，估计森林减少了1100万平方公里。1950年代以后西欧和美国都有大量农牧业土地被废弃，这些地表重新被森林覆盖，与此同时，美洲、非洲和亚洲热带雨林在迅速消失，变成农牧业用地。 森林成为农牧业用地，会导致地表对太阳光的反照程度增加，但是对这个反照程度的估计可不这么容易，需要考虑的因素很多。不同的植被是有不同的反照率的，同样的植物，不同的生长阶段的反照情况也是有很大差异的，所以要得到可靠的反照估计，就需要对于全球各个地方不同时期所种植的植物有所了解，需要了解其播种、成长、和收割的时间等等。可以想象收集这些数据的难度。这个方面现在有了几个根据卫星扫描得到的数据库，有的已经可以精确到一公里分辨率，进步不小，一些研究者已经开始根据这些数据库来对反照的变化进行估算。因为IPCC比较的是1750年与现在的差别，那么1750年的状况是什么样子的，也是需要了解的。这就产生了很大的差别，不同研究者对于历史数据有不同的视角和解读方法，导致计算结果有很大的差异。已经有研究者把1750年的植被情况复原到经纬度半度的分辨率，是很不错的成绩了。其他会对估算造成影响的，还有对雪面的估计，比如积雪多长时间，是否可以覆盖地表和植被等等。综合起来，AR4采用的数据，是1750年以来因为土地改变对地表直接反射造成的影响，其辐射强迫是-0.2+-0.2W/m2，基本上说是一个不算很小的负方向的辐射强迫。目前科学界对这个问题的认识程度是中等。 气溶胶怎么影响地表反照呢？人类向大气中排放的各种气溶胶最终都会降落到地表。气溶胶特别是炭黑沉积到雪面冰面上就会降低地表对太阳光的反照，从而导致一个正方向的辐射强迫。这方面需要考虑炭黑和雪究竟是怎么混合的，炭黑的大小等等因素，涉及到的面积也是一个不确定因素。相关研究有限，AR4采用的数值，是辐射强迫为+0.10+-0.10W/m2，认识程度低。 人类对地表的改变还会带来一些更加复杂的影响。比如直接改变地表的辐射率，比如对水的输送和挥发的影响改变水汽的运动模式，改变潜热和焓的比值（鲍文比 Bowen Ratio，衡量传导与挥发潜热的比值的参数，气象学的一个重要参数），改变空气动力学粗糙度（影响大气的摩擦拽力和热量以及水汽传输的参数）。这些奇怪的气象学名词所描述的现象，都会对接近地表的空气温度造成影响，会对湿度有所影响，影响降雨，也会影响风速。比如人类的灌溉行为就可以改变地表的水汽输送，从而影响地表的能量平衡。人类使用水导致的挥发只占大自然水挥发量的1%，其中70%的用水目的是灌溉。灌溉对温度、湿度、降雨的影响还是有的，甚至对全球的温度和湿度都有影响。比如有研究说亚洲的农业灌溉导致了对流层底部水蒸气含量增加1%，导致+0.03W/m2的辐射强迫。不过，灌溉导致的挥发增加，实际上把地表的能量带入到大气中，在地面，会导致温度降低，同时，灌溉用水也会对大自然的水循环造成干扰。森林减少也会影响水的挥发，等等。这些因素更多的要归结到非辐射强迫里面，不能用套用辐射强迫的概念。人类使用化石燃料也会导致水蒸气的排放，这方面的影响远远低于灌溉用水的影响。总的来说，这方面的认识水平还非常低。 还有很多很复杂的作用。比如农田本身对尘土也有影响，这里面也会对辐射强迫产生贡献。人类排放的一些气体，比如二氧化碳，会影响植物的呼吸作用，从而对鲍文比产生影响，进而影响其他。不过这些因素里面，有一些属于强迫，有一些属于反馈，很多时候很难分辨。这些都归结到非辐射强迫里面，并不在辐射强迫的概念内讨论。对这些问题的认识程度也还很低。 人类活动在地表直接释放的能量，比如加热建筑物、大型机械的工作、汽车里面内燃机的燃烧等等，也会把能量排放到环境里面。这个因素不会对辐射强迫直接产生影响，但是与地球的总能量平衡有关，也可以用W/m2来衡量。这些人类直接的能量排放，基本上都集中在城市里面。在人口集中的地方，人类把大量能量排放到环境里面，影响当地的能量平衡。在城市，这个能量可以达到65W/m2，还是很大的数值。即使没有这些能量排放，因为城市内缺少植被，也会造成城市热岛效应。一个对东京的研究说，在白天，这个数值可以达到平均 400W/m2，而在冬季可以达到 1590W/m2。不过这个因素对于城市气候影响虽然很重要，但是在全球尺度，仍然是一个很小的因素。毕竟城市的面积仅仅占地表面积的 0.046%，全球平均下来，仅有0.03W/m2，对总能量平衡贡献微乎其微。 讨论到这里，人类行为对辐射强迫的影响基本上就讨论完了。总结一下AR4里面研究的人类活动导致的辐射强迫。温室气体，二氧化碳 +1.66+-0.17W/m2，甲烷 +0.48+-0.02W/m2，氧化亚氮 +0.16+-0.02W/m2，氟氯烃 +0.32+-0.03W/m2，对流层臭氧 +0.35 W/m2，平流层臭氧 -0.05+-0.10W/m2，甲烷导致的平流层水汽增加 +0.07+-0.05W/m2。这些因素的估计，因为研究的相对比较充分，作用机理也比较简单，误差范围都比较小，研究的可靠性也比较高。这些因素之间又相互影响，所以不能简单相加。温室气体的总贡献被估算为 +2.63+-0.23W/m2，比这些数值的和要低。 剩下的两个重要因素的研究水平就要差很多了。气溶胶的直接效应导致的辐射强迫估计为 -0.5+-0.4W/m2，间接效应导致的辐射强迫估计为 -0.7 W/m2，航迹云的辐射强迫 +0.01 W/m2。土地变化的影响 -0.2+-0.2W/m2，气溶胶沉降对地表反照的影响是 +0.1+-0.1W/m2。这些因素，大部分都是造成负的辐射强迫的因素，误差几乎都可以达到100%甚至超过100%，导致的绝对数值的变化也很大，研究水平也不高。在这些领域的深入研究有可能会对人类活动影响的结论产生不小的影响。 人类行为的总影响，被估算为+0.6W/m2到+2.4W/m2之间。这个数值的可能范围还是不小的。 人类影响造成的辐射强迫 人类对气候的主要影响就是这些。那么，和大自然自身的变化相比，人类的影响究竟是大还是小呢？
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IPCC说了什么？（五） 其他温室气体
songshuhui 2010-11-8 18:02
科学松鼠会 发表于 2010-11-07 6:46 作者：橡树村 温室气体里面，最重要的是二氧化碳，第二重要的就是甲烷。甲烷实际上也是大自然的碳循环的一部分，在陆地上，含有碳的有机物在厌氧条件下分解，最终产物就是甲烷。不过和二氧化碳相比，甲烷的质量在碳循环中要少很多很多。甲烷在大气中的含量也不高。根据冰芯的研究结果，在过去的65万年里面，大气中的甲烷含量也一直有波动，最低的时候是在冰河期，有400ppb，或者说0.4ppm，最高的时候就是在间冰期，或者说不是冰河期的时期，可以达到700ppb，或者说0.7ppm。与大气中二氧化碳数百个ppm相比，大气中甲烷的含量仅有二氧化碳的千分之几。不过这并不表示甲烷的温室效应不重要。实际上，对于同等量的气体，甲烷的温室效应要比二氧化碳高上几十倍。不过甲烷本身并不像二氧化碳那样，需要大自然几百上千年的时间才能消化，甲烷是可以缓慢氧化分解的，最终的产物是水和二氧化碳，这个过程也不算快，需要几十年上百年的时间，不过总是比二氧化碳的清除要快了不少。 65万年来大气主要温室气体浓度变化情况 最近1万年的时间内，工业化以前，大气中的甲烷含量一直在580-773ppb之间缓慢变化。有两个地方值得注意，一个是基本上大气中甲烷的含量一直没有超出这个波动范围，另一个是说历史上甲烷含量的变化都是很缓慢的。工业化以后，情况就不一样了，2005年，大气中甲烷的含量达到了 1774.62+-1.22ppb，是工业化之前1万年以内最高值的两倍多，并且这个变化很明显是在人类工业化行为开始之后发生的。至少可以肯定在过去的 8万年时间里面，最近一百年大气中甲烷的浓度增加速率是最快的；65万年以来，大气中的甲烷含量现在也是最高的时候。这很自然就让人把人类的工业化与大气中甲烷含量的升高联系起来。这个增高导致了什么后果呢？工业化时期以来，大气甲烷浓度增加所产生的辐射强迫是0.48+-0.05 W/m2。看到没有？虽然甲烷的含量仅仅增加了1个ppm，但是其强迫辐射却达到了二氧化碳浓度增加产生的辐射强迫的1.66+-0.17W/m2的四分之一，可以看到甲烷的温室效应有多么强烈。在所有的温室气体里面，甲烷对辐射强迫的贡献仅次于二氧化碳。 大气中主要温室气体2万年来的浓度变化以及辐射强迫变化情况 但是人类究竟哪些行为排放了多少量的甲烷，这方面资料非常欠缺。不是人们不想去收集，而是这个资料收集起来实在太难。甲烷的来源可以有很多种，比如湿地就排放大量的甲烷，自然类似湿地环境的水田，比如稻田，也会排放甲烷；生物质的厌氧发酵要产生甲烷；反刍动物也会排放甲烷；甚至人防屁也会释放甲烷。甲烷的来源基本上都是生物来源的，与化石燃料的使用关系不是很大，当然天然气的泄漏会提供一部分的甲烷排放，不过量相对较小。相对集中的甲烷排放地点，比如大片湿地、稻田，还可以通过一些方法来检测，牲畜集中的大型牧场，也可以去跟踪，但是其他各种各样分散的甲烷排放，就很难去收集资料。所以，这方面比没有多少定量的资料。只是因为大气中甲烷异常增加与人类工业化的时间吻合，所以才认定是人类活动造成的这个异常增高，也许与人口的增长过快关系更密切一些？ 近期的大气甲烷浓度变化趋势。上图为实际浓度，下图为变化情况 大气中的甲烷浓度增加最快的时候是在1970年代末期到1980年代初期，这个时候，甲烷每年增加1%以上，很是惊人。不过随后，大气甲烷浓度的增长率就开始明显下降。从1999年到2005年6年间，大气的甲烷浓度已经稳定在了1774ppb的这个水平，平均增长基本上是零。换句话说，在2000年代上半期，大气中的甲烷浓度已经稳定了。这就意味着新增加的甲烷排放，与大自然对甲烷的清除速度相当。不过，比较平均结果得到的这个数据，并不意味着甲烷的浓度没有波动。从1996年到2001年，大气中甲烷浓度的变化也是很大的。影响大气中甲烷浓度的原因可以很多，比如湿地对温度就非常敏感，湿地地区的气候情况，可以影响甲烷的排放。目前虽然有模型认为随着全球温度的逐渐升高，湿地排放的甲烷应该会逐渐增多，但是究竟会增加多少，会有什么样的作用，在AR4 总结的时候还没有一个明确的研究结果。 在这里加点私货。虽然国际上现在有一些组织甚至政府对甲烷的排放限制很热心，对畜牧业加税，俗称屁税，也已经在一些国家看到了，不过你可以看到，由于甲烷的浓度已经稳定，而甲烷的排放又与农牧业密切相关，涉及到吃饭这个更基本的人权问题，所以绝大多数国家都缺乏对甲烷排放进行限制的热情，不像二氧化碳的问题那样吵得热闹。那些拿着甲烷排放问题指责这指责那的，特别是不想让亚洲人吃米的，不想让穷人吃肉的，大家忽略掉就是了。指责这些人把科学问题政治化，借着科学问题达到政治目的，绝对没错的。食品工业本身排放大量的甲烷，同时直接间接排放大量二氧化碳，要真在这方面动脑筋，应该想想怎么让发达国家节约粮食，少些浪费，而不是对刚刚解决温饱甚至还没有解决温饱问题的人口们去指手画脚。 另外一个重要的温室气体就是氮氧化物，具体说是氧化亚氮N2O。这个东西俗称笑气，人呼吸到少量气体会令人发笑，自己还不觉得，很恐怖的笑容。浓度高的笑气有麻醉作用，曾经被医院当作麻醉气体使用，不过因为比较危险，早就被淘汰，仅在个别领域做麻醉使用了。2005年大气中的氧化亚氮浓度是 319+-0.12ppb。不用担心，这个浓度不会对人体有什么直接伤害。工业化之前，氧化亚氮的浓度有很长时间稳定在270+-7ppb左右，相对来说，与工业化之前相比，氧化亚氮的浓度增加的不算多，仅有18%。不过这个增加趋势并没有减缓的样子，最近几十年在以每年0.8ppb的速率线性增加，比如1998年大气氧化亚氮浓度只有314ppb，7年增加了5个ppb，而在工业化前的11500年的时间里面，大气氧化亚氮浓度变化小于10ppb。但是注意到在大约1.5万年前，大气氧化亚氮浓度也有一段高速上升的过程，所以在有进一步的研究之前，不能把这个高速上升完全归结到人头上。 人类的活动的确有能够导致氧化亚氮排放的地方，工业里面，尼龙行业会排放一定量的氧化亚氮，内燃机的燃烧也会导致一些氮氧化物排放，农业里面化肥的使用可能是人类排放氧化亚氮的大头，土地的变化也会导致氮氧化物的释放。关于氧化亚氮的研究目前还比较少，所以目前也说不好人类的活动究竟对氮氧化物增加有多大的贡献，比较可靠的估算认为人类贡献了大约40%。具体到某个单独排放源的贡献，就更难估算了。目前，因为大气氮氧化物浓度增加而导致的辐射强迫，是 0.16+-0.02W/m2，仅是二氧化碳增加导致的辐射强迫的十分之一。 近期大气氧化亚氮浓度的变化 其他比较重要的温室气体，就是氟氯烃了，也就是氟氯昂。氟氯昂是纯粹的人为排放的温室气体，大自然里面原来是没有的，所以大气里面所有的氟氯昂都可以归结到人类的活动上，非常简单明了，没有争议。不过在蒙特利尔议定书签订之后，人类已经大规模减少了氟氯昂的应用，排放减少迅速。而氟氯昂在大气中的存在寿命并不是很长，所以大气中的氟氯烃的比例已经明显下降。2005年，这些接受蒙特利尔议定书约束的气体，所贡献的辐射强迫是0.32+-0.03W/m2。京都议定书里面还列出了一些工业氟化气体，比如氢氟碳化物HFCs，全氟化碳PFCs，还有六氟化硫SF6。这些气体的浓度还都很低，不过增加的趋势也是很明显的，需要加以监视，并有可能在以后受到限制。2005年，这几样气体产生的辐射强迫是0.017W/m2。 大气氟氯烃和工业氟化气体的浓度变化情况 臭氧也是温室气体。虽然臭氧自身的生命期很短，但是大气自己就可以产生臭氧，所以是有一个长期的浓度存在的。对流层的臭氧的产生，受大气具体条件影响很大，目前只能够做到对对流层臭氧分布进行监测和模拟。臭氧浓度和温度有一些关系，不过更可能与一些高温导致的其他挥发性物质有关系。目前人们对于对流层臭氧的了解还很有限，估计的辐射强迫是0.35 W/m2。平流层臭氧会受到氟氯烃的影响，这也是蒙特利尔议定书对氟氯烃的使用进行限制的主要原因。氟氯烃目前仍然存在在大气里面，所以对平流层臭氧层的破坏仍然存在，对于这个影响的相关了解还不多，处于中等水平。基本上，蒙特利尔议定书所管制的气体，目前对臭氧层破坏导致的辐射强迫在-0.05+-0.10W/m2的水平。注意到这个数值可能是负的，说明其可能减轻温室效应的作用。蒙特利尔议定书的目的是停止对平流层臭氧的破坏，2005年的结果，全球平流层臭氧仍然比1980年代以前的数值低了4%，臭氧层的恢复是否已经开始还不好确定，但是至少，平流层臭氧损耗趋势已经停止了，这也算是人类通过控制自己的行为挽回对环境的影响的一个例子。 对对流层臭氧辐射强迫的估计误差还是不小的 此外还有一些短生命期的温室气体，比如二氧化硫，一氧化碳。这些气体被大气清除的速度很快，浓度变化很大。但是因为其在大气中停留的时间太短，很难对气候产生影响，所以对温室效应的作用基本上可以忽略，当然，一些气体会通过其他机理来影响气候，比如二氧化硫，后面会谈。 最后，就是温室气体里面最重要的水汽。其实水蒸气的温室效应最为强烈，比二氧化碳可是强多了。不过你很少听到人们在谈论控制温室效应的时候说水。人类活动所直接排放的水汽，主要包括灌溉，还有化石燃料燃烧等。实际上化石燃料燃烧导致的水汽影响远远少于农业用水对水汽的影响。不过总的来说，人类这些活动对辐射强迫的直接影响基本上可以忽略。只是在全球平均温度上升的情况下，对流层的水汽浓度会增加，从而对整个温室效应起到作用。但是这个作用，并不是导致气候变化的一个因素，而是因为气候变化而产生的反馈，所以就不被列到辐射强迫里面。多说一句，大气里面的水对气候的影响非常复杂，不被列入辐射强迫的项目中不等于相关的研究人员忽视了水的作用，后面会涉及到水的影响的几个主要方面。水导致的直接辐射强迫也是有的，甲烷氧化也会导致平流层一些水的增加。人们虽然对这个问题的认识程度很低，不过由于甲烷的浓度很低，这个作用对辐射强迫的贡献还是不多的，目前估计为0.07+-0.05W/m2。 人的活动不仅仅带来正的辐射强迫，还有负的辐射强迫 总结一下温室气体的辐射强迫。二氧化碳1.66W/m2，甲烷，0.48W/m2，氧化亚氮，0.16W/m2，氟氯烃，0.34W/m2，臭氧，平流层 -0.05W/m2，对流层0.35W/m2，来自甲烷的水汽0.07W/m2。因为这些单独的因素之间有可能互相影响，所以这些数字不能简单的数字相加，综合起来是多少后面再谈。总的来说，人类活动所导致的温室气体排放，的确导致了一个很大的正方向的辐射强迫，有利于地表的升温。不过人的活动可不仅仅是在增加辐射强迫，还有不少行为在降低这个辐射强迫呢，都有哪些呢？ 上一篇： IPCC说了什么（四）碳循环
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IPCC说了什么（二）冰封的信息
songshuhui 2010-10-29 16:52
科学松鼠会 发表于 2010-10-28 10:35 作者：橡树村 可靠的大气中二氧化碳浓度的测量，最早也就是1950年代开始的。这之前的直接测量数据也有一些，但是这些数据误差很大，并且也没有人向Keeling那样仔细排除人类活动以及植被的干扰，所以这些数据，就放在故纸堆里面吧。时间过去了就是过去了，回不来的，直接测量历史上的数据已经不可能实现了。那么人们怎么知道这之前的大气二氧化碳浓度呢？在1980年代，人们找到了一个方法：测量冰芯里面气泡的气体含量。 在地球有一些地方，比如高山，比如南极，北极，一年四季的气温都低于零摄氏度。气温低不耽误这些地方降雪，而因为气温常年很低，这些地方的降雪基本上是不会融化的，逐渐沉积的最终形成冰川。雪是固体形态的水，也可以说是冰，但是这种冰并不是密实的一个整体，而是细小的固体堆积起来的，很蓬松，里面有不少空气。也就是说，下雪的时候的空气，就被存在了雪里面。等到雪停了，这里面的空气就会与外界环境的空气进行交换，有交换就有更新，雪里面的空气就不是下雪的时候的空气了。由于这些地区气温常年低于零摄氏度，这些地方的旧雪没有融化，就有新雪逐渐沉积，越积越多。新的雪自然就堆积在旧雪的上面。等到雪上面的新雪沉积了一定的厚度，那么旧雪就要被压缩了，这就是积雪。积雪的密度要比新雪的密度大，时间越久的积雪越在底层，承受的压力越大，密度逐渐增加。积雪能够被压缩，实际上是因为里面的空气被挤出来了，里面所包容的空气就越来越少。但是这个时候，积雪里面的空气仍然是与外界的空气连通的。等到积雪的密度达到一定的程度，气泡就会被完全密封，这个时候，气泡就不再与外界的大气进行交换，气泡密封的时候的大气的信息就得到保存。这个时候，上面积雪的厚度可能有几十米甚至上百米了。这就是说，人们可以通过到这些地方来采集冰芯的样品，通过对不同年代沉积的冰里面所包含的气体进行分析，来了解地球过去的大气的信息。 当然实际操作上要复杂很多。首先就是冰芯的采集地点。采集的地方，一定要保证即使在一年里面最热的时候，积雪也不能融化。一旦冰雪融化了，成了水，就会迅速和其他时代的东西混合，信息就没有什么价值了。对于气体分析来讲，一旦积雪融化，那么封闭的气室就不再封闭了。即使后来这些水再次凝结，但是时代信息已经很模糊了。所以取样的地方，要尽可能找一直很冷的地方。采取冰芯也涉及到一些技术问题。采样的方法，很像是中国古代盗墓贼使用的洛阳铲，当然也有了改进。取样的是一个长长的直筒，中间是空的。筒的外周底部是锋利的边缘，可以用来切割冰层。这样就可以通过把这个直筒施压，压进冰层里面去，直筒的里面就会充满了冰样，得到所谓的冰芯。一般这个直筒只有6米长，而实际上采样往往达到上百米上千米，这样就需要在同一个位置反复采样。这里面也有一些技术问题，就不细说了。 采集冰芯 取了冰芯，就要知道这些冰层是什么时间形成的。采集到的冰芯也是有层的，有点像年轮。因为每年气候的周期变化，形成的冰层会有一些区别，这样就会出现年轮一样的痕迹，一圈一圈数下去，大约就可以知道冰层的年代。有的时候，这个差距肉眼看着并不明显，但是可以通过化学物理的方法来寻找这个痕迹。但是这个方法对于比较近的年代还说得过去，对于久远的年代，就不方便了。冰层毕竟不是年轮，在比较近的时代，有可能一个季度就会形成一层，这个大约还可以判断出来，但是很久以前形成的冰，由于在高压环境下的时间比较长，几年甚至几十年的冰层会混合在一起，这个数数的方法就不能用了。这就需要借助其他手段。还好有一些可以作为参考的判断年代的依据。地球经常会发生一些很大的地质事件，特别是大火山喷发之类的，喷发出来的尘埃以及一些特殊的化学物质，一些时候可以覆盖全球，自然也会飘到冰川。这样，在积雪的时候，这些尘埃和化学物质也就被保存了下来，于是，分析这些尘埃和化学物质所处在的冰层，结合历史上的大的地质事件，就可以判断某个冰层形成的大致年代。如果有了几个这样的参考点，那么这几个参考点之间的冰芯沉积速度就可以估算了，于是，基本上可以推断出各个冰层的大致年代。这个年代的测定，随着冰层的久远，误差也越来越大，不同的估算方法之间可能也会带来年代判断的差异，所以对于久远的历史，有几十年的误差是正常的。不过随着技术手段的发展，这方面的精度一直在进步。 冰芯 下一个问题就是气体的年代的确定。冰这个东西，形成了以后，由于不融化，除了极少量的挥发，就留在冰层上面了，冰所蕴藏的信息，也就可以代表冰形成的那个年代的信息。但是气体不是这样。前面讲了，积雪里面的气体，在很长的时间里面，都是要与外界进行交换的，一直到把气室封闭。这样，冰层里面气体的年代，就要比冰的年代年轻。这个差距还是不小的，各个地方也很不同，甚至不同种类的气体封闭的年代都有区别。一般来说有几百年的时间，目前发现的纪录是7000 年。这个问题知道了就要处理，产生了不少处理方法。在2005年的时候，比较被接受的是计算被封闭的时候的积雪密度，结合积累速度、当时的温度（也是间接测量出来的）等来推测这个封闭年代与冰层年代的差距。在沉积速度快的时候，比如格陵兰的冰川，这个计算精度还是不错的。成长缓慢的冰川，这个精度还不大令人满意，不过这方面的技术也在进步中。 冰芯里面的气泡 气体有可能有污染的。比如其他物质缓慢反应释放二氧化碳，特别是一些尘埃里面的有机质，还有水里面的碳酸盐。不同冰样的污染是有区别的，不过这个可以通过比较不同的冰样来进行初步判定。这些反应速度也是很慢的，有的几千年的冰样仍然保留着那些没有反应的物质。这个污染对最终结果会有一些影响，需要考虑。最后就是气体的代表性。上一节讲过，大气中的二氧化碳浓度被认为是基本均一的，在这些没有人类活动影响，也没有植被的地方，当地空气中的二氧化碳浓度就可以代表大气中的二氧化碳浓度。于是，分析这些封闭在冰层里面气泡，就可以了解冰层封闭的时候的大气状态。这就是目前人们研究古代大气二氧化碳浓度变化的方法。 结果是什么样子呢？不同地点的冰川给出的结果还是很相似的，AR4里面引用的数据见下面左上角的图给出的两万年来的二氧化碳浓度变化，可以看出两万年前，大气二氧化碳浓度只有190ppm，平稳一段时间以后在1万3千年前升高到了240ppm，在大约1万年前升高到270ppm。人类的文明最早也就是这个时候了吧？在人类文明大部分时间里，大气中二氧化碳浓度基本上都在260-280ppm之间，最近的6000年有逐渐上升的趋势，最近两千年基本在保持 280ppm附近。然后，就是最近一百多年的大气二氧化碳浓度突然增高。从现有数据来看，这个增高的速率至少是最近两万年以来所没有的。在AR4的技术摘要中，对于历史上大气二氧化碳浓度的变化，给出的结论是：在工业化前的8000年里，大气二氧化碳浓度仅增加了20ppm，几十年到百年尺度上的变化少于10ppm，并且可能主要是由于自然过程。然而，自1750年以来，CO2浓度已经增加了近100ppm。 两万年来的温室气体浓度变化 目前有的地方可以提供80万年以前的信息，不过考虑到数据的可靠性，准确性等，一般只使用最近65万年的资料。AR4里面提供的65万年来主要温室气体在大气中的浓度变化数据见下面。从这些数据里面看，大气目前的二氧化碳浓度，在过去65万年里面，也可能是最高的。 65万年以来的温室气体浓度变化 上一篇： IPCC说了什么（一）大气中的二氧化碳
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IPCC说了什么（一）大气中的二氧化碳
songshuhui 2010-10-27 12:48
科学松鼠会 发表于 2010-10-26 14:42 作者：橡树村 http://blog.sina.com.cn/s/blog_628d8c2f0100mk7z.html 许多人对环保与气候议题感兴趣，却不知如何听取可靠的声音。许多人不相信人类活动导致全球变暖，但质疑时的根据却站不住脚。从今天起，我们将陆续授权转载橡树村老师的系列文章《IPCC说了什么》。正如橡树村所说： 无论正方反方，真要认真讨论（气候变化）这个问题，至少应该对这个报告有所了解，看看IPCC究竟讲了什么，或者说，主流科学界究竟讲的是什么。 橡树村： 人类有比较全面的气候和影响因素的观察也就是从1950年代开始的，相对准确的数据甚至要到1980年代以后。超出这个时间段范围的结论，可靠性都要大打折扣。如果你仔细看过IPCC报告，会发现IPCC的结论还是很慎重的。 见习松鼠poguy： IPCC的成立是在科学界已经基本上就人类活动可以导致全球变暖的科学事实达成共识的情况下成立的。虽然它本身是在1988年才成立的，但人类活动可导致全球变暖的结论则是在20世界70年代就基本建立了。真正关心气候变化问题，可以看看IPCC报告里面的三个中文文件。 http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/zh/contents.html 最近几年，气候变化很是一个热门的话题，争论非常热闹。不过很有趣，在大众媒介中参与讨论的众多声音里面，无论正方反方，对气候问题的误解非常多。支持气候变化与人类活动有关这个观点的，有不少各种各样的奇怪的误解，很是误导了大众；反方呢，就更热闹了，反对各个环节的观点的都有，比如有反对气候在变化的，有反对气候变化与人类行为相关的，有反对人类行为是气候变化的主要原因的，各种反对观点之间也并不统一。不过更加有趣的是，很多反对的实际上是自己对这个问题的误解，自己画一个明显错误的靶子然后去攻击（有一些靶子也是正方的支持者的错误宣传所导致的），然后进而否定整个气候变化与人类活动关系的结论。这样混乱的争论，对于不是相关专业的人看来，自然是理不清头绪。 关于气候变化的最全面的科学资料汇编是联合国国际间气候变化专门委员会IPCC所发布的报告，目前已经出到第四版，称为AR4，2007年发布，第五版刚刚开始编纂。无论正方反方，真要认真讨论这个问题，至少应该对这个报告有所了解，看看IPCC究竟讲了什么，或者说，主流科学界究竟讲的是什么。不过从我接触到的辩论来看，真读过这个报告的还真不多。报告可以在IPCC的网站下直接下载，全文是英文的，不过提供了中文的综合报告以及略微详细的技术摘要。对于普通民众来讲，读这个摘要就足够了。我对中文资料孤陋寡闻，没见到中文资料里面系统地对这个报告的通俗化解读，在这里做一个尝试。我不是相关专业的，只能是从一个具有一定科学训练的读者的角度进行解读，欢迎相关专业人士指出错误。 谈论人类活动对气候变化的影响，大气中的二氧化碳浓度的变化应该是最基本的概念了，那就从大气中的二氧化碳浓度开始说起。人类测量大气中的二氧化碳浓度的年头也不算短了，在19世纪的时候就开始进行。这些不同地点、时间得到的不同的二氧化碳浓度数值，变化非常大，基本上没有规律。早在1920年代，就已经有人注意到植物的活动会影响到农村地区的大气二氧化碳浓度，而燃料使用又会影响到城市大气的二氧化碳浓度。按照现在的知识，这个结果很好理解，植物的光合作用、呼吸作用是会影响其周围地区的二氧化碳浓度，燃料燃烧排放的二氧化碳，自然也会影响城市地区的二氧化碳浓度。不过很长时间里面对与大气中二氧化碳浓度的测量的精度都不够，也缺乏系统地观察。所以这些测量的数据的可靠性是很值得怀疑的。在这种测量精度的情况下，人们是无法得知二氧化碳的浓度在不同地区是否有区别，是否有变化规律的。实际上，当时极少有人关心大气里面二氧化碳的问题，普遍地认为，全球范围内的二氧化碳浓度是没有什么规律的，至少，各个地方应该是很不同的。 第一篇高精度的监测大气中二氧化碳浓度的文章发表在1958年，作者是Keeling。也许有必要讲一讲Keeling的成长历程，给不务正业的人们一点信心。Keeling在伊利诺伊大学念的是化学，没念完，最后以文科专业毕业，很神奇？尽管如此，他母亲的老邻居的孩子正在西北大学教书，还是给了他一个上研究生的机会，专业还是化学。这似乎是一个学术腐败的例子。Keeling对化学还是没兴趣，选课的时候，竟然随便选了地质学。弄不懂西北大学这是怎么个学制，反正Keeling念研究生上的是地质学的课，不过还是拿到了化学的博士学位。应该说Keeling做的工作还是不错的，他的博士是关于使用中子轰击聚乙烯的，涉及到核化学和高分子化学两个分支，他的工作上了专业杂志的封面。这个时候的化学博士非常好找工作，工业界有很好的位置，聚乙烯和核化学也都是很时髦的东西，不过Keeling再也不想做化学了，拒绝了多个工作，一心一意要做地质学，最终跑到了加州理工做地质化学的博士后。 Charles D Keeling 全球气候变化研究的先驱，2005年逝世 Keeling的博士后题目是要从矿石里面提取铀，这就要砸石头，大约算是地质专业人士的基本功？他对砸石头不感兴趣，天天东游西逛，老板倒不在意，索性给他换题。这一次，他要测量与石灰岩接触的水里面的碳酸盐含量，与大气中的二氧化碳浓度比较，看有没有平衡关系。这个题目Keeling 喜欢。也就是这个题目，导致了精确测量水中和气体中二氧化碳含量的装置的出现。精度达到了测量值的千分之一，优于当时任何其他测量设备。实验室的实验做完了，Keeling就要测量真实环境的二氧化碳，他先在系里的楼顶上取样。这时候出了麻烦，得到的大气中二氧化碳的数值变化太大了。浓度变化的原因不难找，Keeling所在的Pasadena，怎么说也是个城市，周围有工业污染，有汽车，等等，这些都是二氧化碳排放源，这些都在改变着城市大气中的二氧化碳浓度。要寻找一个不受人类行为干扰的，可以作为参考的二氧化碳浓度，Keeling就需要到远离这些污染的地方测量。于是，Keeling就跑到了太平洋边上的Big Sur州立公园。在风景如画的地方工作总是令人舒心的事情，在Big Sur公园，Keeling忽发奇想，决定在每隔一两个小时就取一次样。对于Keeling所作的研究来讲，这个做法是没有什么必要的，Keeling后来也给不出这么做的原因。可能是人高兴了，总会做一些自己解释不清楚的事情。正好，同一个组里面有人在研究大气中二氧化碳中同位素的丰度，样品里面的碳同位素的丰度也就顺便测试了。这就是世界上第一个系统观测一个地区大气中二氧化碳浓度变化的试验的来源。 Keeling的研究方向很快就证明是没前途的，所以他很快就放弃了对水中碳酸盐浓度的测试。不过气体里面的二氧化碳浓度引起了Keeling的注意：二氧化碳浓度，以及碳13的丰度，是有周期性变化的。Keeling发现晚上二氧化碳的浓度要高于白天的，碳13相对碳12的比例则有相反的变化趋势。 Keeling开始扩大测量范围，北到加拿大，南到墨西哥，找人迹罕至的森林去测量。这些测量导致了一个有趣的发现，下午的时候，二氧化碳浓度总是维持在 310ppm，和地点无关，晚上的浓度变化非常大，并且很难找到规律。碳13的丰度，在下午也是稳定的，与地点无关，而晚上，碳13的丰度变化也很大。不过碳13的丰度与二氧化碳的浓度看起来是有关系的。很奇怪的结果。当时的文献，说极地的二氧化碳浓度大约在150ppm，赤道附近的应该在350ppm。而Keeling的测试也跨越了不小的纬度范围，得到的最低值竟然是恒定的。然后Keeling把测试扩展到了没有森林的地方，去高山，去沙漠，甚至去大洋，发现，这些没有植被的地方，二氧化碳浓度与森林地区下午的二氧化碳浓度非常一致，碳13的丰度也同样一致。这就引起了一个问题，按说，下午是光合作用旺盛的时候，应该消耗二氧化碳，这样这个时候的二氧化碳浓度，就应该低于没有光合作用的地方的数据。为什么森林这个时候的二氧化碳浓度，和荒芜之地的二氧化碳浓度一样呢？解释后来找到了。Keeling的测量都是在良好的天气情况下测得的，这个时候，经过阳光的充分照射，森林附近的气体与高处的大气有非常好的混合，这样，森林附近的气体基本上可以代表大气的二氧化碳浓度。而在夜晚，这种混合是非常不好的，在地面会有一层高浓度的二氧化碳，仅代表靠近地表附近大气的二氧化碳浓度，由于影响这层二氧化碳的因素不少，夜间观测的数值差异就很大。这就导致了一个重要的结论：大气的二氧化碳含量，在很广泛的区域内，是有一个固定值的。在Keeling开始进行测量的1950年代后期，这个数值大约是310ppm。 这个发现引起了美国国家气象局的兴趣。气象局正好有测量大气中二氧化碳浓度的计划，在夏威夷刚刚建立一个观测据点可以用来观测，Keeling提议增加极地的观测点，同时在这两个地方开始使用可以连续测量二氧化碳的装置。与此同时，在多个气象观测站也开始送样测量二氧化碳浓度，包括飞机在飞行中高空取样等等。这个计划交给了Keeling主持。在夏威夷的观测从1958年三月开始，连续监测一开始就发现了二氧化碳的浓度与季节有关。二氧化碳浓度从三月份持续上升到五月份，然后开始下降，到九月份达到低谷，开始上升。这个周期性变化，在1959年完全被重复。这个变化与北半球的植物有关，春天植物的叶子增多后，光合作用加强，大气的二氧化碳浓度会降低，而秋天植物开始落叶后，光合作用减弱，二氧化碳浓度就开始上升。1961年，Keeling又建造了一套精确测量装置，这一次，精度提高到了0.1ppm。飞机取样的结果也出来了，与夏威夷的观测结果吻合，在空中同样有二氧化碳浓度的季节性变化。 Keeling这个时候也发现，在北半球，这个二氧化碳年度周期波动很大，在南半球，这个波动很小。这可以用北半球植被比南半球的植被多很多来解释。夏威夷这个地方的观测，到现在还在进行，拥有最完整的连续观测记录。 早在1950年代，就有人总结了大气中二氧化碳的的浓度，认为大气中二氧化碳浓度在上升。由于当时测量的误差太大，这个结论的可靠性非常值得怀疑。不过 Keeling也开始留意这个方向，所以在自己的测量计划开始的时候，就有长期监测的打算。到1961年，Keeling把新数据与自己早期的数据比较，就已经发现了二氧化碳浓度的略微上升，到1962年，连续两年多的观测，已经可以肯定这个趋势，这个时候观测到的二氧化碳浓度增加，是每个月增加 0.06ppm。当然这个时间还太短，说明不了什么问题。这个趋势到1960年代后期就很明显了，1970年，大气中二氧化碳浓度已经增加到 320ppm，10年增加了7个ppm，并且隐约可以看到增加的速度在变快。到1970年代末期，Keeling的这个观察终于引起了人们的重视。 Keeling测定的夏威夷大气二氧化碳浓度的变化 1980年代开始，其他人加入了观测队伍。二氧化碳监测站的数量开始增多，遍布六个大洲，数据后来也统一提交给世界气象组织建立的世界温室气体数据中心 WDCGG汇总。研究也很快扩展到了一些相关的气体以及同位素的监测。有代表性的，是下面这个图。这里面显示了1970年到2005年夏威夷（北纬19 度）和新西兰（南纬41度）两个观测时间最长的地点的结果。上面图里面的黑线的是夏威夷的，蓝线是新西兰的。这里面二氧化碳浓度长期的上升趋势非常明显，每年的周期也很明显，并且，北半球的二氧化碳浓度年度波动明显高于南半球的波动。仔细看的话，南北半球波动的波峰波谷也是相反的，符合季节性差异的解释。这个图右下的两条线是氧气和氮气的比值的变化，也有明显的周期性和长期变化规律。下面的图的红线是大气中碳13与碳12的比例的变化，可以看到碳13的变化也是很明显的，这个解释后面谈。黑线是每年化石燃料和水泥行业排放的二氧化碳的量，单位是十亿吨碳。这里没有包括土地变更导致的碳排。这张图里面可以看出，从1960年代开始的大气二氧化碳浓度增高的趋势，还是非常明显的。 二氧化碳及相关数值变化 不过精确的仪器测量最早也就是1950年代开始的，这些数据最多就是在说，从1950年代以后，大气中二氧化碳的浓度的确在增长。要是觉得Keeling 早期的工作代表性不足，那么在1980年代甚至1990年代全球上百个观测站的数据的结果，应该还是很充分的。到了1990年代以后，对于数据的要求也越来越严格，实际上Keeling这个夏威夷站的数据由于有0.5ppm的偏高（这个观测站海拔3400米，有点太高）已经被排除在计算平均数的测量站范围之外，当然这种系统性的偏差是可以校正的，不影响夏威夷站长期观察的价值。增长的幅度的，按照一些文献的数据，的确有增快的趋势。IPCC的AR4收录的最新的二氧化碳浓度数据，是SIO的9个站点与NOAA/GMD的40个站点的平均结果。SIO站点的数据是378.75+-0.13ppm，NOAA /GMD的平均值是378.76+-0.05ppm，综合起来，2005年大气二氧化碳浓度已经达到了379ppm，比Keeling1960年观察到的 313ppm高出了66个ppm。从1960年到2005年，大气中二氧化碳平均增长率是每年1.4个ppm，而1996年到2005年十年，这个增长率是每年1.9个ppm。比较我们前面提到的，1960年代平均增长率只有每年0.7ppm，这个增幅的变化，也是明显的。 这样，1960年以后，大气中二氧化碳浓度的增加就是非常可靠的结论了。那么这以前的呢？没有可靠的直接测量数据，二氧化碳的浓度怎么推断呢？
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