气候，怎么会改变？

《发现全球变暖（增订版）》

[美]斯潘塞·沃特 著 李虎 译

中国科学技术出版社/2023.6/69.00元

[美]斯潘塞·沃特

科学史专家，美国物理研究所物理历史中心名誉主任。著有《手握大权的科学家》等。

李虎

北京大学硕士，供职于自然资源部第三海洋研究所，厦门市科普作家协会理事。译有《物种起源（现代注释版）》《众病之王：癌症传》《细胞叛变记》等。

这并非一个科学高歌猛进的故事，而是一段科学家如何在怀疑与否定中不断前行的历史。这也并非一个学科孤军奋战的故事，对于如此庞大而复杂的地球气候系统，判断其长期发展趋势绝非易事，气象学、天体物理学和海洋学等学科陆续投身其中，力求揭示这个与人类命运息息相关的系统全景。而今，面对全球变暖带来的更多极端气候，更多的探索、更多的行动正当其时。

从古至今，人们总是在谈论天气。但是在20世纪30年代，这个话题发生了不同寻常的转变。老人们开始坚持说天气真的不像以前了，他们童年记忆里19世纪90年代骇人的暴风雪、早秋时节冰封的湖面等等都结束了，年青一代赶上了好天气。大众媒体上开始涌现众多文章，宣称冬天真的变得温和了。气象学家仔细查看了自己的记录，证实了这种说法：暖化的趋势来了。专家们告诉科学记者说，霜冻晚了，几百年来都不曾见过小麦和鳕鱼的北部地区现在可以收获小麦、捕获鳕鱼了。正如一本著名杂志在1939年所言：“年纪大的人说自己小时候的冬天更冷，他们很对……起码就目前来说，世界是在变暖，搞气象的人对此已经确信不疑。”

没有人为这种变化担忧。气象学家的解释是天气模式的适度变化总是存在的，其周期可长达几十年或者几百年。如果20世纪中期恰好是一个变暖时期，那还不赖呢。1950年一篇典型的大众文章向人们许诺：“新的、广阔的粮田将被开垦出来。”诚然，如果变暖持续下去，可能会出现新的沙漠；海平面上升可能会淹没海滨城市。但所有这些都仅仅是关于遥远未来的多种推测而已，许多职业气象学家则怀疑所谓的“全球性变暖的趋势”是否真的存在。他们看到的不过是正常的、暂时的、地区性的波动。一篇杂志报道解释说，如果真有变暖趋势，“气象学家并不知道目前的变暖趋势将会持续20年还是2万年”。

专家们的这种共识遭到了一个人的挑战。1938年，盖伊·斯图尔特·卡伦德（Guy Stewart Call-endar）挺身而出，在伦敦的皇家气象学会发言谈论气候。卡伦德有点越俎代庖，因为他并不是职业气象学家，甚至称不上是科学家。他只是一名蒸汽动力工程师，研究气候是他的业余爱好，他把大量业余时间用于汇集气象统计数据，而他比任何人都更彻底地确认这些数据的确表明地球上许多地方在变暖。现在，卡伦德告诉气象学家，他知道谁应该为变暖负责——是我们，是人类的工业！我们到处燃烧化石燃料，排放出千百万吨的二氧化碳，正是二氧化碳在改变着气候。

这种想法并不新鲜，因为19世纪基础物理学已经成形。19世纪初期，法国科学家约瑟夫·傅里叶（Joseph Fourier）曾经问自己：是什么因素决定了像地球这种行星的平均温度？这个问题看似简单，其实不然，当时的物理理论刚刚达到能面对这种问题的程度。当阳光射到地球表面，给地球带来温暖的时候，为什么这颗行星不继续升温，直到和太阳本身一样热呢？傅里叶的回答是：受热的地表发射出看不见的红外辐射（一种常见的热辐射的类型），把热量送回了太空。但是，他利用自己的新理论方法计算红外辐射的有关物理量之后，得到的温度却远在冰点之下——要比实际的地球冷许多。

傅里叶认识到，理论计算结果和实际的差距是地球的大气层造成的，大气层以某种方式把红外辐射留存住了。他试图把笼罩着大气层的地球比作一个被玻璃板覆盖的箱子，阳光射入箱子，热量跑不出来，箱子内部就变热。这个解释看似有理，在傅里叶的时代，已经有几位科学家开始论述是“温室效应”使得地球免于被冻僵。但这是个误解，因为温室能够保温是另一个原因——阳光加热了温室里的气体，玻璃板可以保证被加热的气体不致散失。而傅里叶认识到，大气层为整个地球保温的方法更加精巧，大气层的“高招”是拦截住从地表发出的部分红外辐射，防止它们散发到太空中去。

这其中的道理被英国科学家约翰·丁达尔（John Tyndall）首先解释清楚了。丁达尔对地球大气层怎样控制地球温度的问题进行了深入的思考，不过当时大多数科学家认为红外辐射可以穿透一切气体，这种观念妨碍了丁达尔的思考。1859年，他决定在自己的实验室里验证一下。他证实了红外线的确可以穿透大气层里的主要气体——氧气和氮气，正当他想放弃实验的时候，突然想到了用煤气来尝试一下。这种煤气是通过加热煤炭产生的，当时用于照明，他发现红外辐射碰到这种气体就像碰到了木板一样，不能将其穿透。于是，通过丁达尔实验室的煤气喷嘴，工业革命宣告了自己对地球热量平衡的意义。丁达尔继续试验了其他的气体，发现气体二氧化碳也不能被红外辐射穿透——这是现在被我们称为“温室气体”的其中一种。

地球大气层中含有少量的二氧化碳，虽然只占万分之三（按空气中各成分的体积分数计算），但是丁达尔却看出它能够引起暖化。一张纸遮住的阳光要比一池清水遮住的阳光还多，与此类似，痕量的二氧化碳改变了整个大气层的红外辐射去向。从地表发出的大部分红外辐射被空气中的二氧化碳吸收，其热量没有散发到外层空间，而是被传送回空气里，不仅空气被加热了，大气层保留的部分能量也辐射回来，从而加热了地表。所以，有二氧化碳存在的地球，其温度会维持在一个较高水平，比没有二氧化碳存在的情况要高。丁达尔简明地写道：“正像拦河建坝会导致河水局部变深一样，我们的大气层拦截了绝大部分红外辐射，导致地表温度局部升高。”

丁达尔对这些研究的兴趣起源于一门完全不同类型的科学——他希望解决当时科学家激烈争论的一个谜题：史前冰期。“史前冰期”的主张令人感到匪夷所思，但是它的证据却雄辩有力。被侵蚀掉的岩层，北欧和美国北部随处可见的奇怪碎石沉积，这些看起来和阿尔卑斯山冰川的作用一模一样，只是规模更加浩大。在激烈的争论中，科学家开始接受一个令人吃惊的发现——很久以前（虽然在地质年代上来说并不特别久远，因为石器时代的人类经过了这个时代），地球北部地区曾经被埋在厚达1.6千米的大陆冰盖之下。这是什么导致的？

组成大气层的气体发生变化是一种可能，虽然可能性不大。在组成大气的气体中，二氧化碳并非“重要嫌疑人”，因为它在大气中浓度很低。真正重要的“温室气体”是水蒸气。丁达尔发现，水蒸气能轻易地挡住红外线。他解释说，水蒸气“是一个毯子，对于英格兰的植物来说，这个毯子要比衣服对人的作用更必要。如果在一个夏夜把水蒸气从空气中拿走……太阳升起的时候，就只能照耀冰封霜冻的英格兰岛了”。所以，如果吸干了大气层中的水分，冰期就会降临。丁达尔推测，目前大气层的平均湿度是由某种自动平衡维持的，全球温度也是如此。

“史前冰期”之谜是1896年由瑞典斯德哥尔摩的科学家苏万特·阿列纽斯（Svante Arrhenius）提出来的。他说：假设大气中二氧化碳的含量变了，比如火山的爆发喷出了大量二氧化碳，导致温度略有上升，这种微小的升温可能带来严重后果——变热的空气中将保留更多水分，因为水蒸气是真正强大的“温室气体”，湿度的增加将会极大地促进暖化。反之，如果所有的火山喷发恰好都停止了，二氧化碳最终会被吸收进泥土和海水，冷却的空气中将会保留较少的水蒸气，这个过程可能会演化成一次冰期。