谁发现了全球变暖这件事

王雨春

Svante August Arrhenius(1859.2.19～1927.10.2)

1896年，瑞典科学家Svante Arrhenius做了开创性工作，他建立模型计算了二氧化碳浓度与地球热量平衡的关系，他提出如果大气二氧化碳浓度翻倍，地球平均气温将增加5—6度。Svante Arrhenius100年前的工作，与我们现在的认识基本一致，他也被视为气候变暖理论的最重要的奠基者之一。

全球变暖与气候变化

全球变暖（Global Warming）已成为受到各界广泛关注的话题，成为关系到人类命运的重大问题。厄尔尼偌（El Niňo）现象、全球性的极端干旱或洪水等天气事件，使人们不得不关注“全球变暖”是否是一个真实命题？全球变暖的科学基础是否可靠？如果全球气候真的存在变暖的趋势，人类活动到底对此有多大贡献？我们需要花费多少代价才能应对或适应上述变化？……同时，也有不同的声音认为“全球变暖”是个自然的气候波动过程，其影响被部分科学家过分夸大，我们完全没有必要“杞人忧天”。在2009年哥本哈根会议期间爆出的“气候门事件”，使得上述疑问变得格外突出。

从目前国际主流观点看，国际社会普遍认为：近期全球气候的确存在变暖的趋势，而工业革命以来人类排放的二氧化碳等温室气体是加速变暖过程的重要因素。这一观点在由各国科学家和气候官员组成的IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）的四次科学评价报告中得到充分体现。

关于全球变暖的科学基础，还必须要追溯到200年以前。1827年，法国科学家Jean-Baptiste Fourier就指出地球大气层存在与温室相似的热量保存机制，即所谓的“温室效应”（Greenhouse effects）。1860年，英国科学家通过测量二氧化碳和水蒸气对红外辐射的吸收，认为地球出现冰期的一个原因是由于大气二氧化碳浓度降低导致的热辐射减少。1896年，瑞典科学家Svante Arrhenius做了开创性工作，他建立模型计算了二氧化碳浓度与地球热量平衡的关系，他提出如果大气二氧化碳浓度翻倍，地球平均气温将增加5—6度。Svante Arrhenius100年前的工作，与我们现在的认识基本一致，他也被视为气候变暖理论的最重要的奠基者之一。到1940年前后，英国科学家G. S.Callendar首次计算了气候变暖与大气化石燃料排放二氧化碳量的关系。1957年，美国加利福利亚Scripps海洋研究所的Roger Revelle和Hans Suess发表论文指出人类获得正在“重建”大气二氧化碳平衡关系，该文章促进了同年在夏威夷Mauna Kea开展大气二氧化碳浓度监测，这项工作一直延续至今，成为日后大气二氧化碳浓度与气候变化研究的重要基础。

左：夏威夷Mauna Kea观察塔。

右：大气二氧化碳浓度观察结果。

温室效应与地球表面气温变化

科学研究数据表明，地球气候的长期变化与大气中的温室气体浓度波动有显著关系。如图1所示从对南极Vostok冰芯中40万年来气温记录的研究结果可以看出，地表温度的变化与大气中二氧化碳浓度、甲烷浓度的变化呈显著的正相关关系。

大气中二氧化碳等温室气体调节着地表系统的热量平衡。太阳辐射为地球提供了巨大的辐射能。根据太阳能与地表和大气的热红外辐射的热平衡计算，地球表面和大气的平均温度大致为-19℃，但是地表附近的实际温度大致为15℃。这是因为，太阳的短波辐射可以穿过大气层抵达地表，地表被加热后放出的短波热辐射被大气中的水蒸气（H2O）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）和臭氧（O3）等吸收，因此阻挡了地表辐射热量向外空间的耗散，而使地球表面大气温度上升，该过程被称为温室气体效应，而具有吸收热量长波辐射能力的气体被称为温室气体，主要的温室气体有水蒸气（H2O）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）以及氟氯烃类（CFCs）等。

在地球近代演化过程，自然界的温室气体的汇、源转化，使大气中温室气体浓度维持在一个相对稳定的波动范围，大气二氧化碳气体温室效应使地表温度保持在相对适宜的水平，有利于地球生物及人类的繁衍生息。工业化以来，特别是上世纪中叶大规模工业化推动全球经济快速发展，人类活动（主要是化石燃料使用）使大气中二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体浓度迅速增加，氟氯烃类（CFCs）等新的人工合成温室气体也被排入大气，由此使大气温室效应极大地增强，导致近几十年来气温增加远远超过历史气温的平均变化范围。

（1）二氧化碳（CO2） 二氧化碳是主要的温室气体。在近期的地质演化年代中，大气二氧化碳浓度在相对稳定的水平波动，上世纪中叶工业革命以前的400,000年间大气CO2浓度大致在180～280ppm（1ppm为百万分之一）之间波动（见图1）。十九世纪工业革命以后的150年间，大气二氧化碳浓度开始呈指数上升，增加了28%，从1850年前后的285ppm增加到199年的367ppm(Watson和Verardo，2000)。2005年地球大气中的二氧化碳的含量创下新高，达到379ppm，比2004年的377ppm增加了0.53%。根据模型预测，2030年大气二氧化碳将会达到600ppm（Prentice等，2001）。

（2）甲烷（CH4） 甲烷是另一种重要的温室气体，主要是由沼泽湿地、水田和土壤中草木腐烂、食草动物肠胃微生物活动产生。大气中的甲烷一直很低，200多年前大气中甲烷浓度大约700ppb(千分之一ppm)，明显的增长主要发生在最近二三十年间。如图2所示，工业革命以来，人类活动对全球环境变化的影响越来越明显，近期大气甲烷浓度的增长趋势与气温升高基本是一致的。1998年的观测数据表明，大气中的甲烷浓度已达到1730ppm（Dlugkencky 等，1998）。

（3）氧化亚氮（N2O） 氧化亚氮作为温室效应强烈的温室气体，在大气中非常稳定，在大气中的寄宿时间可达130～150年。农业化学肥料和人类生产生活产生的含氮化合物的转化是大气氧化亚氮的主要来源。工业革命以前，大气中氧化亚氮的浓度估计在260～285ppm（Fluckiger等，1999），最近200年中，大气中的N2O浓度增加了大约15%，浓度上升到275ppb，目前以0.25%的速率增加（IPCC，1996）。氧化亚氮除本身为重要的温室气体外，还会引起平流层中O3减少，因此，具有双重温室效应作用。

科学家已建立了多种全球气候变化的预测模型，假定在2030年二氧化碳浓度加倍的情况下进行气候变化的预测分析。研究结果显示，随着大气中二氧化碳浓度加倍，全球气温将增高1.5～4.5摄氏度。不同的温室气体具有的各自的全球变暖增温潜力（GWP）。所谓全球变暖增温潜力，是指不同温室气体相对于二氧化碳温室效应的贡献率。根据IPCC的评估报告（1996），二氧化碳（CO2）对全球变暖的贡献率为63.7%，甲烷（CH4）为19.2%，CFCs为10.2%，氧化亚氮（N2O）为5.7%，其他因素为1.2%。

图1 南极Vostok冰芯记录过去400000年来全球大气中二氧化碳平均浓度与气温（上左图）、甲烷平均浓度（上右图）与气温的变化情况（资料来源: IPCC, http://www.ipcc.ch/）

图2 夏威夷Mauna Loa观测站1958年—2001年记录的大气CO2浓度变化（Kelling和Whorf，2002）

图3 青藏高原达索普冰芯、南极冰芯和格林兰冰芯记录2000年来大气CH4浓度变化（许柏青 等，2002）

人为活动对全球变暖的影响

大气中二氧化碳等温室气体的浓度水平依赖于地球系统中碳循环的生物地球化学过程。通过生物代谢、火山喷发等过程，海洋、陆地生态系统、岩石圈中二氧化碳、甲烷进入大气圈。而另一些相反的过程，如植物吸收同化、地球化学沉积，又使大气中的温室气体回到海洋和陆地生态系统。在自然条件下，地球系统的不同环境蓄体（大气、海洋、陆地生态系统）中二氧化碳、甲烷处于相对平衡的动态物质交换状态，因此，至少在近百万年的地质尺度上大气中二氧化碳、甲烷等的浓度水平在相对稳定的范围内变动。地球环境中碳的自然循环过程中，大气、海洋和陆地等主要“碳库”的大小及其相互之间的碳交换通量关系（见图4）。

工业革命以来的人类活动，如化石燃料使用、水泥工业、土壤利用类型改变等，极大地干扰了碳循环的自然平衡。人类活动成为导致大气中二氧化碳增加的一个重要的源，初步估算工业革命以来人类活动排放的二氧化碳在大气的净增量为405+30（×109gC），大气二氧化碳浓度呈显著增加趋势。

根据IPCC出版的全球变化评估报告，人类工业活动向大气排放的二氧化碳气体的主要贡献者是煤炭、石油、天然气等化石燃料的使用（见图5）。IPCC评估报告中列出的人为温室气体排放源还包括土地利用改变、森林破坏、大量化肥施用等贡献，不同温室气体排放源对大气温室效应贡献比例(见图6)。如图所示，工业和能源生产贡献了一半以上的大气认为排放温室气体（温室效应贡献率55%），其次是土地利用类型和森林破坏增加的温室气体排放量。值得注意的是，人为排放到大气的甲烷（温室效应贡献率16%）对全球变暖的贡献也相当显著。

目前关于“人类活动导致的大气温室气体（二氧化碳、甲烷等）浓度增加，进而影响地球气候系统”的认识，具有可靠的科学基础。

图4 地球系统碳的自然循环的主要碳储库（×109gC）及其交换通量（×109gC/y）（IPCC，1996）

图5 2000释放主要温室气体对全球温室效应的贡献情况（IPCC, http://www.ipcc.ch/）

图6 化石燃料和水泥工业对大气二氧化碳的释放量（单位：百万吨碳）变化趋势（ G. Marland等，2005）