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鹤岗二手房出售:全球变暖:从地质角度看全球变暖

admin2020-12-0572

【编者按】自上世纪90年代以来,有关全球变暖的争论愈演愈烈,至今已经成为一个主要的政治与生态话题。“复旦通识”组织“全球变暖”系列,约请差异高校相关学科的西席撰文,从各自的专业领域与学术兴趣出发,围绕全球变暖这一席卷国际政治和社会舆论的重大公共议题,举行差异角度的考察与讨论,思索“人类运气共同体”将若何面临这一可能即将席卷全球的危急。

“全球变暖”研究缘起和简要历程

20世纪90年代以来,“全球变暖”争论愈演愈烈,现今已是一个席卷国际政治和社会舆论的重大公共议题。但在40-50年以前,科学家群体谈论的问题并非“全球变暖”,而是“全球变冷”,缘故原由有三。一是1970年代人类有了航天遥感手艺,首次可以举行全球地表观察,发现大规模工业粉尘排放阻挡了太阳光入射,引起北半球连续数年的降温征象(图1);二是古海洋学的生长展现了地表天气的冰期/间冰期旋回纪律,每个间冰期连续的时间都对照短。根据这个纪律,现在已经连续了一万多年的间冰期可能就要竣事了,地表天气将缓慢进入下一个冰期;三是那时美苏两大团体冷战正酣,全社会被核大战和核冬天的阴影笼罩。在这种靠山下,西方地质学界致函那时的美国总统尼克松,呼吁关注核战可能导致的“全球大变冷”趋势,以至民众媒体报道的都是诸如“若何在将临的冰期中幸存下来”等耸人听闻的信息。

在一片喧闹和疑惑中,不乏远见卓识之士,美国地球化学家华莱士·布洛克(Wallace Broecker,图2)就是其中最有影响的一位。早在1975年,他就发表文章指出,人类排放的二氧化碳引起的温室效应将导致全球变暖,这一趋势将很快压倒现在的降温趋势,我们事实上正站在全球变暖的起点!20世纪80年代更先,全球地表平均温度更先快速拉升,到1990年代末,平均表温升高幅度已经到达0.5oC!这一事实完全证实了当初布洛克的展望。至此,“全球变暖”也从科学议题正式扩大成为政治和公共议题。1997年,141个国家和地区签署《京都议定书》,呼吁限制蓬勃工业国家的碳排放量。

进入21世纪,科学界发现地表暖化泛起减速甚至阻滞征象。从1997-1998年的超级厄尔尼诺事宜更先,泛起了一个长达15年的“全球变暖阻滞期” (图1),由此引发一轮大讨论。但在这段时间里,自然因素却是有利于全球降温的,好比太阳流动处于极弱期,全球火山流动加剧。但经由严密盘算,发现这两个降温因素并不足以抵消温室气体连续排放带来的增温效应。那么多余的热量去那里了?经由大规模监测追踪,发现原来热量进入了大洋深处。海洋是一个重大的热能储库,自工业革命以来,跨越90%的人为温室效应能量进入了海洋内部,而滞留在地表的不足10%的热量引发全球1.3oC的升温顺越来越频发的极端天气事宜。若是海洋把这90%热量还给地表,引发的天气效应将难以想象。2015-2016年的超级厄尔尼诺流动再次改变大洋状态,之后全球地表温度又更先新一轮的大幅拉升(图1)。

图1 工业革命以来大气二氧化碳浓度和全球平均地表温度颠簸纪录。原始数据来自美国大洋与大气管理局网站(www.noaa.gov)。

图2 美国科学院院士华莱士·布洛克(1931-2019),哥伦比亚大学教授,被誉为Lamont海洋实验室的灵魂,以研究全球天气转变、海洋化学、海洋环流等课题驰名科学界。照片来自 *** 。

冰期旋回中的温度和二氧化碳转变

已往一百多年以来,大气二氧化碳浓度和全球表温的慎密相关关系(图1),让人下意识地就以为两者之间存在因果联系,即二氧化碳浓度上升推动增温。但抛开表面征象,两者关系事实上十分庞大。在数年至数十年的时间尺度内,地球天气系统的驱动因素有许多,例如太阳流动强度、火山喷发规模、温室效应等。天气系统包罗大气、森林、海洋、冰盖等差异子系统,子系统之间存在规模不等的物质和能量交流。碳在差异子系统内部的停留时间也差异伟大。因此定量研究碳排放与全球天气转变是个很有挑战性的课题。联合国 *** 间天气转变评估委员会(IPCC)一致致力于行使庞大的数值模子展望差异碳排放规模带来的未来地球升温幅度,但展望效果误差很大。在科学界,仍有相当多的科学家质疑全球变暖是由人类流动引起。

地质纪录则提供了一个很好的时间窗口,供我们考察和审阅已往的二氧化碳与天气转变的关系。南极洲和北极格陵兰岛几千米厚的冰川沉积提供了这些远古纪录。这些冰川是已往几十万年以来降雪不停累积形成的。降雪刚落在冰面上的时刻,内部松散,跟大气可以直接交流。随着新的降雪在上面不停聚积,下面积雪更先压实,清闲变小,最后在冰川内部形成许多密闭的气泡(图3)。这些气泡就是远古大气的“化石”,当中就封存着古大气的化学组成信息!科学家在冰川高原上钻取出了几千米长度的冰芯,现在可以恢复出已往80万年以来的大气二氧化碳浓度颠簸历史(图3)。同时,冰块自己由氢和氧两种元素组成,氢和氧的同位素分馏与降雪时的大气温度有关。因此,行使氢、氧同位素又可以重修极地大气温度历史。

令人惊讶的是,已往80万年以来,温度和二氧化碳浓度颠簸呈现出一种近乎完善的吻合关系(图3)。我们可以把已往80万年划分为8个冰期-间冰期旋回,每个旋回连续时间8-12万年,平均为10万年。其中前四个冰期旋回振幅对照小,最近四次振幅很大。以最近四次冰期为例,大气二氧化碳浓度为180-190 ppm (即万分之2.8和2.9),到间冰期时,上升到280-290 ppm。冰期-间冰期旋回中100 ppm的浓度转变,相当于大气层中多了2000亿吨的碳,对应于南极大气温度上升9-12oC。由于我们身处间冰期,对现今的天气对照熟悉,但冰期时的地球面目就完全是另一幅景观。由于严寒,冰期地球上的冰川规模伟大,现今的北欧、加拿大和美国北部,都压在数千米厚的冰层之下。全球海平面下降了120米,我国东海大陆架所有出露成为陆地,海岸线一直推进到现今的冲绳群岛四周。冬季时,横扫东亚大陆的西伯利亚高压和寒潮比现今严酷许多,中国内陆泛起严重的干旱和荒漠化征象。热带地区近地面大气温度也大幅下降了4-6oC。因此,冰期与间冰期地球天气状态的差异异常显著。

值得注意的是,工业革命以来,二氧化碳浓度从280 ppm上升到410 ppm, 上涨幅度为130 ppm,这已经跨越了冰期-间冰期旋回的振幅(图3)。另外,410 ppm的二氧化碳浓度是已往80万年以来地球从未有过的峰值,有人推测这甚至是已往1000万年以来的峰值?这么高的二氧化碳浓度到底意味着怎样的天气效应呢?这是压在科学家心头一个未解和繁重的话题。以12万年前的间冰期为例,那时二氧化碳浓度仅仅比我们身处的间冰期高5-7 ppm(图3),极地冰盖就因为对照温暖的环境发生了小范围的崩解,导致全球海平面上涨了2-5米。

但为何现今云云高的大气二氧化碳浓度峰值还未引起天气从间冰期向冰期转型呢?一种看法以为,在冰期-间冰期旋回中,我们研究的对象是地球天气在千年-万年时间尺度上的转变,不能直接对标于现在几十年-百年品级的天气转变。此外,在冰期-间冰期旋回中,天气转变和二氧化碳颠簸,到底谁是因、谁是果,现在还没有结论,因此不能简朴外推。

另一种看法恰恰相反,以为现在大气二氧化碳浓度升高已经影响到天气系统的各个层面,从海洋受热体积膨胀到极地冰架加速崩塌,从北极夏日海冰面积萎缩到极地生态系统变迁,从海洋酸化、珊瑚礁大规模白化到极端天气事宜频率上升等等,都是这种显示。但这仅仅只是更先,二氧化碳的天气效应还未充实展现。只要给予充实时间,即便二氧化碳浓度不再增添,天气转变的趋势和水平还会继续深化。另外,有许多证据解释地球天气系统是一个非线性系统。这意味着到了某个临界点,天气状态会突然从一种模式快速跳跃到另一种模式。现在我们似乎逼近了这个临界点,天气状态的跳变可能会很快来临。

图3 已往80万年以来大气二氧化碳浓度和南极大气温度的颠簸历史。原始数据来自Lüthi et al.(2008, Nature, 453, 379-382)和美国大洋与大气管理局网站(www.noaa.gov)。


地质历史上灾难性的碳释放事宜

工业革命以来,人类释放二氧化碳的规模和速率是云云之大,除了适才谈到的冰期旋回,地质历史上另一个能与之相对比的事宜还要追溯到5500万年前的古新世-始新世极热事宜。不知由何种因素触发,那时海底陆坡上埋藏的天然气水合物大规模崩解,据估计在数千年时间里,一共有3.5万亿吨的碳被释放到大气中;与此对应,同期的全球平均气温比靠山值凌驾5-10oC,海洋大幅度酸化导致底栖生物发生集群性绝灭(图4),陆地动植物群落也发生重大绝灭和变化,极地和热带海洋温差减小,海洋洋流系统改组,全球极端水文事宜强度增大,陆地上暴雨、泥石流、滑坡崩塌等地质灾害频发……之后又过了十多万年,地球天气状态才恢复到靠山值。一百多年以来人类流动累计释放的碳为4000多亿吨,比古新世-始新世极热事宜低一个数量级。然则人类释放碳的速率,却比古新世-始新世极热事宜高一个数量级。若是延续现在碳排放的加速率趋势,最快在140年之后,也就是约莫5代人的时间,我们的碳排放总规模将到达古新世-始新世极热事宜时的规模。

但大气温度和大气二氧化碳浓度一定是正相关的吗?前面谈到的80万年的冰芯纪录似乎证明了轨道尺度上两者的正相关关系,但若是放眼整个新生代的天气演变历史,特别是始新世-渐新世之交(约34百万年前)南极冰盖形成之后,深海底栖有孔虫d18O(氧稳固同位素)纪录反映的全球逐渐变冷的趋势与组织尺度上相对平稳的大气二氧化碳浓度纪录似乎又没有什么关系(Zachos et al., 2008, Nature,451, 279-283),最近1千2百万年来全球差异海区的海水表层温度纪录也与大气二氧化碳浓度纪录不怎么吻合(Herbert et al., 2016,Nature-Geoscience,9,843-849)。

长时间尺度上的地质纪录告诉我们,地球天气状态并非是稳固的,而是可以履历幅度伟大的转变,从一种状态跳跃到另一种状态,除此之外另有偶发性的环境灾难事宜。短时间尺度上的历史观察同时也解释,大气二氧化碳浓度有可能是触发天气转变的一个扳机。只管全球变暖与大气二氧化碳之间的关系仍然不明,但从现在更先举行计谋讨论、制订减缓碳排放的政策也是一种明智之举。


图4 5500万年前灾难性的碳释放事宜,导致海洋大幅度酸化和底栖生物集群绝灭。行使先进的钻探手艺,从海洋深处获取长达数千米的岩芯。发现发生该事宜时,正常浅灰色的碳酸盐沉积物被红褐色粘土沉积取代,经由长达十多万年时间才又恢复正常。原始图片来自Zacho et al. (2005, Science, 308, 1611-1615),经编辑修改。

本专栏内容由复旦大学通识教育中心组稿

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