从温室效应的发现到IPCC

  温室效应的原理是在什么时候怎么出现的?瑞典科学家何时、又如何发现地球平均温度对大气CO2浓度倍增十分敏感?对人类活动影响的缓慢认知是如何随时间变化?IPCC[1]的目的是什么?这些问题都是本报告的起源问题。

1. 气候一直影响着人类社会

环境百科全书-IPCC-红发埃里克在船上
图1. 红发埃里克在他的船上“公元1000年前后格陵兰海岸附近的夏天”,作者卡尔·拉斯穆森(1841-1893)。[公开领域]

  气候一直是人类社会进化的一个重要因素。几千年前,苏美尔和玛雅文明的出现和繁荣,以及它们的第一批古城,往往与支撑可持续农业生产的气候条件相关。它们的命运和衰退往往与几千年来气候区的迁移协同进行(参见:“气候变化与古代文明”)。

  离我们最近的小冰期,大约从14世纪持续到19世纪,影响了许多社会部落,如公元1000年前后红发埃里克在格陵兰岛建立的维京部落(图1),或是柬埔寨的高棉文明及其宏伟的吴哥窟建筑。小冰期来临后,格陵兰岛变冷,东南亚地区变干,这些环境条件的变化很可能是这些地区人口减少和离开的原因(参见:“气候变化与古代文明”)。

  过去的这些变化说明了人类部落的历史和过去几千年来气候条件演变之间的联系,但并不能质疑人类活动对气候变化的决定作用。但是,这些变化提供了信息,证明人类有能力适应环境变化。

  相比之下,如果不考虑人类社会对气候的影响,就无法讲述下面从19世纪开始的故事。这个故事的特点是出现了科学技术发现,以及对科学界、决策者(包括但不限于政治家)和民间社会的缓慢认识。这个故事和这种人类活动影响环境的意识导致了今天我们21世纪社会面临的主要挑战之一。

  我将从以下的历史里程碑来展开这个故事:

  • 19世纪初:约瑟夫·傅里叶发现了温室效应;
  • 19世纪末:斯凡特·阿伦尼乌斯首次计算了大气中的二氧化碳(CO2)与地球表面温度之间的关系;
  • 1958年:查理斯·基林在冒纳罗亚观测站[2]正式开启首次对大气中二氧化碳(CO2)浓度的监测,监测数据将为人类活动对大气成分的影响提供一份永久的证明;
  • 1979年:《查尼报告》在美国发表,这是科学家们向政界提交的第一份官方文件;
  • 1988年:IPCC诞生。

2. 温室效应的发现

环境百科全书-IPCC-约瑟夫·傅里叶
图2. 约瑟夫·傅里叶
[图片来源:Amédée Félix Barthélemy Geille/公开领域]

  19世纪,科学家意识到大气层可能会影响地球的温度。伟大的法国物理学家约瑟夫·傅里叶[3](1768-1830)(图2)在其1827年出版的论文《地球温度和平面空间温度备忘录》[4]中第一次证明了温室效应理论的存在。

  他解释说,能量以太阳可见光的形式存在,可以很容易地穿透大气层,并加热地球表面,而地球表面又吸收了一部分太阳辐射。地球表面通过这种方式获得能量,并通过发射“暗辐射热”的方式释放能量(在约瑟夫·傅里叶的法文原文中“暗辐射热”被称为“chaleur rayonnante obscure”),现在,科学家称其为红外辐射。大气层反过来吸收这些暗热,并将部分暗热反射到地表,从而减少流失到太空中的能量。

  基于约瑟夫·傅里叶的工作,后续多人发表了关于大气层中的气体吸收暗辐射热及其对气候的潜在影响的文章。物理学家们很快就对地球表面的平均温度产生了兴趣:地表平均温度受大气中这些吸热气体影响吗[5]?很明显,如果大气中没有这些气体,我们星球表面的温度会低得多,可能会使生命无法存在。

  在傅里叶发现温室效应后不久,爱尔兰人约翰·丁达尔 (1820-1893)通过自学研究了空气是否能够吸收地球表面发出的暗辐射热。

  但斯凡特·阿伦尼乌斯在1896年首次计算了大气中二氧化碳含量的变化对地表温度的影响。

环境百科全书-IPCC-斯凡特·阿伦尼乌斯
图3. 斯凡特·阿伦尼乌斯(1859-1927)
[图片来源:Meisenbach Riffarth & Co公司照相制版/公开领域]

  斯凡特·阿伦尼乌斯 (1859-1927)是一位瑞典化学家,因在电化学方面的工作在1903年获得了诺贝尔化学奖。然而,20世纪末以来,随着对全球变暖的了解,人们开始对他在温室效应方面的开创性工作产生兴趣。

  19世纪科学界就为什么在遥远的过去,地球表面经历了冰河时期(现在被称为冰川作用)展开了一场大辩论。各种理论层出不穷——天文学假说、物理学假说、地理学假说。阿伦尼乌斯对这个问题很着迷,他的直觉认为,大气中的二氧化碳可能是导致冰期循环的关键因素。首先,他需要收集当时已知的所有现存的必要数据,以估算大气中的CO2含量对地球温度的影响。1896年,经过一些他自称特别“繁琐的计算”(根据他自己的记载[6])后,他首次提出了大气中CO2含量对地球温度影响的估算结果。计算结果表明,如果大气中CO2的含量减少一半左右,可能会导致欧洲的平均气温下降约4-5℃,与冰河时期的情况相近[7]

  这种CO2在调节地球温度方面起重要作用的理论是对詹姆斯·克罗尔(1821-1890)所支持的天文假说的一种替代。这一假说提出这样一个观点:地质尺度的气候变化是由赤道的前移和地球轨道的变化造成的[8]

  气候的天文理论早已被驳斥。但随着对海洋记录的观察促进了理论的发展和精确性,并成为冰期循环研究的范例,例如,建立了冰期循环的年代表,而非振幅(参见:“气候的天文理论:悠久的历史”,作者Berger和Yin,不久将在本百科全书网站发表)。

环境百科全书-IPCC-南极冰盖中的空气气泡
图4. 南极冰盖中的空气气泡(欧洲南极冰芯计划(EPICA)钻取)
[图片来源:© Photo E. Wolff/BAS/EPICA

  80年后,阿伦尼乌斯的预测通过解密冰期档案得到了证实。例如,格勒诺布尔的冰川学家测量了南极冰中形成于末次冰期的空气气泡中CO2的浓度,并将结果发表在英国《自然》杂志中,文章指出,“极地冰层的证据表明,公元前20,000年大气中的二氧化碳浓度是现在的50%[9]”。

  如今可以看到,冰期循环现象可以用阿伦尼乌斯和克罗尔最初的观点综合来解释,这一现象是天文和温室气体变化的综合效应,并被一系列的自然反馈所放大。

  阿伦尼乌斯还计算出,在大气中二氧化碳加倍的情况下,未来全球将变暖约5-6℃,这一预测接近目前估计范围的最大值(1.5-4.5℃)。目前普遍认为全球变暖将是人类面临的重大风险,但阿伦尼乌斯的观点却与之相反。他在一本书中与公众分享了对宇宙演变的看法,并预测大气二氧化碳浓度的增加带来的地球变暖将是人类的一次机遇。他特别指出,世界上的寒冷地区可以利用气候条件的改善和农业产量的提高来造福快速增长的人口[10]

3. 查理斯·基林著名的冒纳罗亚曲线

环境百科全书-IPCC-大气二氧化碳历史记录
图5. 1958年以来冒纳罗亚观测站的大气二氧化碳历史记录。该记录说明了人类排放导致了二氧化碳无法阻挡的增长。为致敬其发现者,该曲线也被称为“基林曲线”。图中红色锯齿状曲线为冒纳罗亚观测站记录的逐月CO2浓度。基林(斯克里普斯海洋研究所)于1958年3月开始监测。黑色曲线表示经过季节周期校正后的增长趋势(见下文)。
[来源:©Esrl.noaa.gouv]

  阿伦尼乌斯的开创性工作发表之后,人们开始质疑其计算的准确性,或质疑二氧化碳排放量增加是否会影响气候。一些人认为我们的地球具有极强的自我调节能力,例如,有观点认为海洋可以吸收大气中所有过量的二氧化碳。尽管如此,温室效应理论仍有其支持者,并且逐渐受到关注。

  20世纪50年代,对大气二氧化碳浓度的部分和局部监测已经进行了几十年。然而,自工业时代开始以来,并没有监测二氧化碳浓度增加的技术。当时众所周知的是,由于化石燃料的燃烧,排放到大气中的二氧化碳量(甚至早在阿伦尼乌斯时代)正在持续增加。但要想了解工业排放的二氧化碳对气候可能产生的影响,二氧化碳浓度监测数据是至关重要的信息。

  美国年轻的地球化学家查理斯·大卫·基林(1928-2005)在他的博士后期间[11]开发了第一个精确测量大气中二氧化碳浓度的技术。1958年,他在夏威夷冒纳罗亚山顶的观测站开始了一系列采样工作。观测站位于太平洋中部,海拔3400米,这个地方远离人类污染源,选择该地是因为这里空气纯净。观测的最初几年,基林曲线就呈现了完美的锯齿状和增加趋势:出现锯齿状的原因是冒纳罗亚所位于北半球,植被在春夏的生长季从大气中吸收CO2,并在秋冬将其释放。

  著名的冒纳罗亚曲线就这样诞生了,它由基林发起,并一直延用至今(图5)。它被科学期刊和科学记者广泛引用,已成为人为温室效应的一个标志。

4. 华莱士·布勒克的预测(1975年)和“全球变暖”一词

  1970年代,科学家们开始真正关注人类活动对气候的潜在影响。

  1940年到1975年,地球的平均表面温度、也被称为全球温度,先是出现了下降,到1950年左右才保持基本稳定(图6)。

  1975年,20世纪下半叶最伟大的地球化学家之一华莱士·布勒克(朋友们称其为沃利,2019年逝世)在科学界领先杂志《科学》上发表了一篇题为“气候变化:我们正处于显著全球变暖的边缘吗?”[12]的文章。在这篇文章中,他普及了“全球变暖”的表述,并解释了[13]自然变冷如何早在1940年就掩盖了化石燃料燃烧排放二氧化碳导致的变暖效应。他还预测,1975年将是长期快速变暖的开端,可能导致21世纪初(即现在!)全球气温将达到过去1000年(与格陵兰岛的冰芯记录相比)从未达到的水平。

5. 从《查尼报告》(1979)到IPCC的起源(1988)

环境百科全书-IPCC-地球平均表面温度的演化
图6. 1880年以来地球平均表面温度的演化。为什么这条全球温度曲线始于1880年?因为美国宇航局的戈达德空间研究所、美国国家海洋大气局的国家气候数据中心和英国气象局的哈德利中心这三个时间最长、最完整的温度序列都始于1880年。这些序列相互之间有很好的一致性,有助于阐明工业革命以来的全球变暖趋势。左边的温度尺度根据1951至1980年的平均温度的温度异常绘制的。在这140年的记录中,10个最热的年份都在2000年以后,其中6个最热的年份就是过去的这6年。
[来源:NASA/NOAA网站]

  1970年代的后5年,人类引起的全球变暖尚未被明确观测到(见图6);尽管如此,人为排放的CO2在大气中的积累已广为人知(冒纳罗亚曲线,图5)。当然,很难确切地知道这个问题何时出现在公共领域。

  《查尼报告》起到了决定性的作用[14],这份报告应美国政府的要求为美国国家科学院编写,并于1979年提交给卡特总统。

  这份报告调查了气候模型的模拟结果,这些气候模型可以模拟大气二氧化碳增加带来的气候变化。模型预测,大气中二氧化碳增加一倍将导致全球变暖1.5-4.5℃。40年前提出的预估值,直至今天几乎没有变化!

  于是,科学界从事气候相关工作的部分核心人员认识到这个问题的重要性,并加深了对大气中温室气体浓度增加导致气候变化的认知。1980年,世界气候研究计划(WCRP)成立[15]。随后,1988年IPCC的成立向政府和民众敲响了警钟。该机构的第一任主席是《查尼报告》作者之一的伯特·布林。

  IPCC由联合国(UN)下属的两个组织共同决定成立:联合国环境规划署(UNEP)和世界气象组织(WMO)。

6. IPCC(政府间气候变化专门委员会)

环境百科全书-IPCC
注:intergovernmental panel on climate change-政府间气候变化专门委员会;climate change synthesis report-气候变化综合报告

  2018年出版的《气象学》杂志的第100期中有IPCC30年历史的详细描述[16],包括创建背后的原因、使命、机构运作、发展挑战和历次发布的报告。

  IPCC的任务是定期回顾和综述以下三个领域的知识:

  • 从科学角度评估气候系统如何运行以及气候变化;
  • 社会、经济和自然系统对气候变化的脆弱性以及适应的可能性;
  • 寻找限制温室气体排放和减轻气候变化负面影响的解决措施。

  IPCC的评估主要基于国际上现有的同行评议的科学、技术和社会经济文献。IPCC的专家致力于确定科学界已达成共识的内容。

  IPCC为面临重大文明挑战的政治思考提供依据,它包含195个国家,几乎涵盖了世界上所有国家。它代表了一种独特的机构经验[17],是生物多样性领域的典范,无疑也将成为未来其它领域的典范。

  IPCC报告的作者涵盖该领域数百名知名专家学者,他们花费大量时间编写评估报告。其他数百名专家学者作为审稿人提供意见,也为评估报告做出了特别贡献。

  IPCC没有进行原创性研究或向决策者提出建议的任务。其报告(图7)旨在与“政策相关”、帮助决策,而非“政策规定”。因此,IPCC报告做出的综合科学判断与《联合国气候变化框架公约》年会(即缔约方大会)期间作出的政治决定之间存在着重要的协同作用[18]

  最后,公众可能会关心的IPCC的预算由会员国自愿捐款提供,总计约为600万欧元。因此,对于全球范围的人道主义事业来说,这笔费用是最物有所值的!

7. IPCC的一些关键结论

7.1. 人类活动需要对全球变暖负责吗?

  自1990年IPCC发布第一次报告以来,随着观测和模型知识的进步,答案也在不断变化:

  • 1990年,专家们承认,他们很难确定观测到的气候变化是由人类活动引起的,还是由自然气候变异造成的。
  • 1995年,IPCC第二次报告谨慎指出:“证据权衡后发现,人类对全球气候有明显的影响”。
  • 随后,IPCC在2007年得出结论,20世纪中叶以来观察到的大部分(10次中约有9次)气候变暖,有超过90%的可能性与人类活动有关。这一结论明显加强。
  • 2014年的最新一次报告中,这一结论变得更加明确。

7.2. 气候变暖的影响

  现在和将来气候变化的影响都因地区、活动类型、经济部门等因素而异。模拟结果表明,如果不采取行动应对全球变暖,与工业化前的水平相比,本世纪末全球变暖平均温度将超过4℃(现在气候变暖约1℃),并可能会出现以下后果(下文所列并不详尽):

  • 北极夏季冰层可能全部消融,珊瑚礁濒临灭绝;
  • 热浪、龙卷风、洪水等极端天气现象可能更加频繁和强烈,弱势国家和人群面临更大的风险;
  • 生物多样性风险增加;
  • 发生某些突然的、有时是不可逆转的事件,如海洋酸化、永久冻土减少(位于极地地区或高海拔山区的永久冻结土壤),海平面上升,整个格陵兰地区面临在千年内全部融化(即海平面上升7m)。

7.3. 限制气候变暖的不利影响(减缓和适应)

  为了减缓不利影响,重点显然是实现与工业化前水平相比增温2℃以下的目标,这也是《巴黎协定》第21次缔约方大会的主要目标。实现该目标需要在2050年前大幅减少全球温室气体的排放。

8. 一些个人想法

  80年代,我做了关于气候变化和全球变暖的公开讲座。人们普遍对此很感兴趣,但对大多数观众来说,这是他们第一次听到人类活动可能会影响气候并导致全球变暖。随着时间的推移,听众的知识面越来越广,批判性也越来越强,因为媒体经常强调气候怀疑论者[19]的争论。气候怀疑论者一开始否定全球变暖,但现在认识到了它确实存在。尽管如此,他们将全球变暖归因于自然气候变化,如太阳的周期性活动和火山喷发。

  批判几乎全部集中质疑IPCC,以及在其报告中发现的微不足道的错误这两方面。

  显然,这些批评深刻地影响了包括法国在内的一些国家的公众舆论,其中以克劳德·阿莱格雷为首。这些公众舆论一直在质疑我。事实上,气候怀疑论者几乎都是科学家,包括物理学家或其他领域。然而,很少有人是气候科学方面的专家。相比之下,IPCC的科学家则是相关科学和技术领域的专家。他们必须独立于任何权力或游说团体,并能够达成普遍的共识,这是一项尤其艰难的任务。

  无论如何,在2020年初,越来越多的国家领导人认识到全球变暖是我们21世纪社会面临的主要挑战之一。而且,越来越多的公众舆论希望这个问题能够作为紧急事项加以解决。IPCC很明确:尽一切努力在本世纪末将全球变暖控制在工业化前(1850-1900年)2℃以下水平。这仍然是可能的,但前提是我们必须要采取严厉的措施。如果在未来十年里什么都不做,那么将为时已晚。

  这是一个影响我们下一代生活的选择,除此之外,我们还能说些什么呢?

  这篇发表在《环境百科全书》的文章是基于将发表于《梅斯国立学院备忘录》的另一篇文章。

 


参考资料及说明

封面图片:左侧:德索绪尔先生于1787年8月前往勃朗峰的旅行途中完成,克里斯蒂安·冯·梅切尔铜版雕刻,泰勒斯博物馆藏品[来源:克里斯蒂安·冯·梅切尔/公开领域]/右侧:马修·里格勒的勃朗峰[修·里格勒,抄送]。

[1] 政府间气候变化专门委员会

[2] 夏威夷语的字面意思是“长长的山”,指位于美国夏威夷群岛的一座活的红火山。

[3] Jean-Baptiste-Joseph或者简单的Joseph Fourier。

[4] Fourier (J.-B.-J.), “Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaire”, Mémoires de l’Académie Royale des Sciences de l’Institut de France, vol. VII-1827, pp. 570-604.

[5] Arrhenius (S.), “On the Influence of Carbonic Acid in the Air Upon the Temperature of the Ground,” The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 1896, 41: 237-76. 法语译版: Sur les origines de l’effet de serre et du changement climatique, Montreuil, Éd. la ville brûle, 2010, p.197-243.

[6] Arrhenius’ “tedious” calculations are in the order of 10,000 to 100,000 calculations by hand, see Uppenbrick (Julia), “Arrhenius and Global Warming”, Science, No. 272-1996, p. 1122 (包括参考文献).

[7] 阿伦尼乌斯(S.),文章引用。

[8] Croll (James), “On the Physical Cause of the Change of Climate During Geological Epochs”, The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 1864, vol. 28. French translation in: Sur la cause physique des changements du climat au cours des époques géologiques, Montreuil, Éd. La ville brûle, 2010, p. 174-194.

[9] Delmas (Robert J.), Ascencio (Jean-Marc), Legrand (Michel), “Polar ice evidence that atmospheric CO2 20,000 yr BP was 50% of present”, Nature, N° 284-1980, p. 155-157.

[10] Arrhenius (S.), Worlds in the Making, chapter 2, New York, Harper & Brothers, 1908.

[11] 完成博士学位后的一段时间。

[12] Broecker (W.S.), “Climatic Change: Are we on the brink of a global warming?”, Science, Vol. 189, No. 4201, pp. 460-463.

[13] 他的演示是基于与过去格陵兰岛冰川档案中记录的类似气候事件的比较。

[14] Charney (J.G.) et al., 1979, “Carbon Dioxide and Climate: A Scientific Assessment”, Report of an Ad Hoc Study Group on Carbon Dioxide and Climate, National Academy of Sciences, Washington, D.C., 22 pages.

[15] 世界气候研究计划署(WCRP)是世界气象组织的一部分,后者是联合国的一部分。

[16] Jouzel (Jean), Petit (Michel), and Masson-Delmotte (Valérie), “Trente ans d’histoire du GIEC”, La Météorologie , N° 100-2018, p. 117-124.

[17] Raynaud (D.) “Au commencement étaient les bulles d’air de l’Antarctique”, Le Monde Diplomatique, November 2015, Climate Report.

[18] IPCC第一次报告(1990年)后,组织了联合国气候变化框架公约(UNFCCC),也被称为《气候公约》。1992年在里约热内卢举行的第一次地球首脑会议上签署了该文件。公约每年组织著名的COPs:缔约方会议或称为195个签署国会议。2015年在巴黎召开的第21届缔约方会议是法国最著名的缔约方会议。其目标是将大气中温室气体的浓度稳定在防止出现人为干扰危及气候系统水平(见缔约方会议-维基百科)。

[19] 气候怀疑论者一词指否认或尽量减少全球变暖的人为起源,甚至认为全球变暖由地球自身引起的人。


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: RAYNAUD Dominique (2024年3月13日), 从温室效应的发现到IPCC, 环境百科全书,咨询于 2024年4月25日 [在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/climat-zh/discovery-greenhouse-effect-to-ipcc/.

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