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全球变暖的科学根据之检讨 3. 人为二氧化碳是否会引起全球变暖？
(2008-02-15 09:46:34)
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全球变暖杂谈 |
分类： 学海无涯 |
3. 人为二氧化碳是否会引起全球变暖？
所谓“温室效应”是一个物理过程：空气中的二氧化碳让来自太阳的短波长辐射通过而加热地面，但吸收地面向太空的长波长辐射而加热大气。二氧化碳增多时，温室效应就变强，而引起全球变暖。
但是，全球变暖的理论要成立，还需要定量分析，确立“温室效应”所引起的温度升高的幅度。简单地说，被捕捉的热量不是与二氧化碳浓度成正比的。当二氧化碳浓度很高时，那个频段的热量已被吸收，再增加二氧化碳浓度就没多大变化了。更复杂地说，二氧化碳的作用与其他温室气体（如水蒸气），大气的运动等都有关系。这个热辐射的变化又通过许多的相互作用来影响全球温度。所以温室效应的定量分析远不是简单的问题。
未来二氧化碳浓度增加的程度是比较清楚的。联合国组织的政府间气候变化专门委员会（IPCC）基于不同的社会经济发展假定提出了几个可能前景【IPCC 2000】。根据该结果到2100年，大气的二氧化碳浓度会在600 ppm至2500ppm之间（目前浓度为380 ppm）。对这个预测也存在争议，主要是植物，土壤和海洋对二氧化碳的吸收有不确定性。但是大多数学术工作都把IPCC的预测作为出发点。
但是二氧化碳的增加引起多少温度增加，就是很有争议的问题了。对未来的预测主要建立在气候模型模型的基础上。而这些模型的可信性是一个争论的焦点。支持全球变暖理论的人声称，只有引入二氧化碳的作用才能解释二十世纪的温度变化。所以二氧化碳的作用是被证明的。但问题是即使这种“解释”，与实际观察也不是完全符合（见第6.1节）。另一个途径是看历史中二氧化碳增加和全球温度增加的关系和相关性。
本章主要讨论温室效益的实验根据。从这个讨论可以看出，温室效应还远未在定量层次上被实验证明。全球变暖理论还需要在这个问题上应对反对者提出的种种质疑。反过来，反对者目前也只能提出一些局部的反证。要肯定温室效应不存在，也还差得很远。
3.1
二氧化碳和温度的历史关系
考古研究表明，二氧化碳的浓度与温度有密切的相关性。Figure 3-1是一个被广泛引用的结果【Hansen 2007】。
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Figure 3-1 温室效应与温度的历史关系 |
图a显示过去五十万年来温度和温室效应（GHG forcing）的关系。温度由南极冰核样品推出，温室效应由冰核样品推出的二氧化碳，甲烷和氧化亚氮浓度推导得来。图b显示两者的相关性，最高点在温室效应滞后700年处。原文作者也承认这不能说明因果关系，特别是考虑到温度先于温室气体而变化。但是这两者显然是有关系的，很可能是相互作用的正反馈。
其实根据常识，历史上地球的气温变化与太阳辐射，地球轨道等都有关系。能与温室效应吻合得如此好，倒是奇怪的事。
3.2
冰川融化问题
高山或极地的冰川中有很多在融化和退化。这个观察也常被用来作为全球变暖的证据。但实际上，冰川的进退不仅与气温有关，还与光照，湿度，雨雪量等有很大关系。每个实例都需要具体分析。这里只举一个常常被提到的非洲Kilimanjaro冰川为例。这个平川在过去三十年中有明显消退。但是进一步研究表明，非洲的几个冰川（包括Kilimanjaro冰川）从十九世纪末就开始消退，速度至今没什么变化。而那时全球变暖还没有发生【Kaser 2004】。这个研究也从冰川的形态判定其消退不是由气温升高导致的。
3.3
上个世纪的温度增加有没有其他原因？
温室效应的另一个观察根据来自二十世纪的气温。二氧化碳由于工业化在二十世纪增加很快，气温也同时增加（见第2.1节）。但是也有人把二十世纪的气温增加归于其他原因。有人说我们处于从小冰期的回复阶段。但是对于气候周期性变化的了解不足以提供明确的结论。
另一种说法是太阳辐射的变化。太阳辐射增强时，除了直接增加地球的输入能量外，还因为增强的太阳风而减少了宇宙线的流入。宇宙线促进低云层的形成而增加对阳光的反射。所以减少宇宙线也有助于提高温度。云层反射的能量约为温室效应的5倍。所以这是很重要的因素，但是目前还没有很好的估计。根据这个理论，可以得到太阳辐射和温度变化之间很好的相关【Veizer 2005】。但是这个数据涵盖前四千亿年，所以不能反映二十世纪的统计特征。
有人认为，太阳辐射引起二十世纪的温度升高没有充分证据。精确的太阳强度测量直到三十年前才存在。在这三十年间，在太阳强度和地球温度之间看不到明显的相关。在几个世纪的尺度上，太阳强度和温度的数据都有较大的不确定性，不足以验证模型【Bard 2006】。
因为模型建立的困难，也有作者用唯象的方法入手【Scafetta 2007】。他们将太阳强度与温度的关系假定为一个简单的方程，包括两个参数：耦合强度和松弛时间。通过松弛时间，这个模型可以包含延后的反应（如温室气体的反馈效果）。根据1600年以来的数据他们拟合了这两个参数。根据一组特定的温度数据，他们得出结论：二十世纪的温度升高有50%是太阳强度变化引起的。
总之，用太阳辐射强度来解释二十世纪的温度变化是根据不足的。但是作为一个可信的猜想，这种结果可能削弱基于温室效应的气象模型的确定性。
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Figure 3-2 不同高度温度上升速度比较 （红线为模型值，蓝，绿线为测量值） |
3.4
大气中温度垂直分布的问题
根据全球变暖理论，大气中的二氧化碳或其他温室气体截留了地球向外辐射的热量。这样，中层大气的温度应该比地面上升得快。当然温度的垂直分布还受其他许多因素影响，很难用模型预测【Wigley】。相对简单的是赤道附近的温度分布。研究表明，测量结果与模型预测并不相同【Douglass 2007】。Figure 3-2显示其中的结果。这个研究比较了多组模型和观察数据并改变了前人用分布（最大和最小值）来估计误差范围的做法而使用更复杂，更合理的统计方法，使得模型和观察数据的误差范围都被缩小，而它们的不一致性就更明显。
温度垂直分布的问题常被用来攻击全球变暖理论。但是应该认识到，温度垂直分布的模型和测量都不是简单的事，其中的误差估计也不尽可靠。例如，直到不久之前还有一个重要的误差未被认识：因为卫星运行轨道的缓慢变化，原来以为是每天同一时刻的温度取样其实发生在不同时刻。而且，目前能证实的不一致只是某一地区（赤道附近），还不足以推翻整个全球变暖理论。
3.5
参考文献
【Bard 2006】Edouard Bard and Martin Frank, “Climate change and
solar variability: What's new under the sun?” Earth and
Planetary Science Letters 248 （15 August 2006）, 1-14.
http://www.sciencedirect.com/science/article/B6V61-4KF1HV2-3/2/3acae6ff109068203292e7a9
【Douglass 2007】David H. Douglass, John R. Christy, Benjamin D.
Pearsona and S. Fred Singer, “A comparison of tropical temperature
trends with model predictions”, Int. J. Climatol.
(2007)
【Hansen 2007】Hansen, James et al, “Climate Change and Trace Gasses”, Phil. Trans. R. Soc. A (2007) 365, 1925–1954
doi:10.1098/rsta.2007.2052, http://pubs.giss.nasa.gov/docs/2007/2007_Hansen_etal_2.pdf
【IPCC 2000】IPCC: “IPCC Special Report on Emissions Scenarios”, http://www.grida.no/climate/ipcc/emission/index.htm
【Kaser 2004】Georg Kaser, Douglas R. Hardy, Thomas
Mölg, Raymond S. Bradley, Tharsis M. Hyera,
“Modern glacier retreat on Kilimanjaro as evidence of climate
change: observations and facts”, International Journal of
Climatology, 24 329-339 (2004) DOI:
10.1002/joc.1008
【Scafetta 2007】N. Scafetta and B. J. West, “Phenomenological reconstructions of the solar signature in the Northern Hemisphere surface temperature records since 1600”, JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, 112, D24S03, doi:10.1029/2007JD008437, 2007, http://www.agu.org/pubs/crossref/2007/2007JD008437.shtml
【Veizer 2005】Veizer, J “Celestial Climate Driver: A
Perspective from Four Billion Years of the Carbon Cycle”,
Geoscience Canada 32 1 13 (2005),
【Wigley】Tom M. L. Wigley et al, “Temperature Trends in the Lower Atmosphere - Understanding and Reconciling Differences” (日期未知), http://www.climatescience.gov/Library/sap/sap1-1/finalreport/sap1-1-final-execsum.pdf (可能未经同行审议)
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