jienengyoudao2015
节能有道，依托节能环保产业大家谈微信群，搭建交流平台，传播发展经验，提供政策参考，促进合作创新，服务节能环保产业，推动生态文明建设。
巴黎大会达成协议，引起欢呼，也带来疑虑。其中的一个关键问题是：宣称的“气候变暖”依据到底是什么，权威性在哪里？
有道君根据发表于《物理》2012年第8期的《全球变暖的物理基础和科学简史》，对相关问题进行了梳理。分享于下：
几个关键概念
1.温室效应
温室效应是一种形象的说法。假设地球在没有大气层的保护的情况下，与地球表面实际观测温度之间，会有一个差值。根据计算，地表辐射平衡温度是T =255K。而观测到的全球平均地表温度是288K，这说明大气层的温室效应把地表温度升高了33K。
用同一个公式，科学家们对金星和火星的辐射平均温度进行了计算，得知金星的辐射平衡温度是225K，但金星的实际地表平均温度大约是730K，所以，金星大气的温室效应将其表面温度升高了大约500K。进而可以推测金星大气的温室效应比地球强得多，因为金星大气比地球大气含有更多的CO2。而火星大气层非常稀薄,其大气压强不足地球的百分之一，尽管其大气中CO2的含量也高达96%，但其温室效应非常弱。
2.地球“温室”不是玻璃“温室”
大气对地面的增温作用被比喻作温室效应，但它们之间有本质的不同。它们的相同点是，都允许太阳短波辐射透过，并且都阻挡红外长波辐射透过,使地面得到加热。不同点是,温室玻璃阻挡了温室内外的热力对流和热量交换，而地球大气层中则有热力对流运动发生。当大气下层被加热而产生向上运动时，下层的热量被输送到了大气高层，同时由于大气层的压力随高度的升高而降低，因此，下层的气块进入高层之后由于体积膨胀而降温。这一变化在很长时间内都困扰着研究者。
3.大气痕量气体
关键问题来了：大气里哪些成分对温室效应负有责任？
大气中氮、氧、氩、二氧化碳占干空气的99.997%，其他气体只占0.003%，它们含量极少，多为痕量气体。如氮氧化合物、碳氢化合物、硫化物和氯化物。它们参与大气化学循环，在大气中的滞留期为几天至几十年，甚至更长。它们中有一些是天然排放的，但有一部分是由于人类活动大量排放了各种痕量粒种，这些痕量粒种受到各种物理、化学、生物、地球过程的作用并参与生物地球化学的循环，对全球大气环境及生态造成了重大影响。例如光化学烟雾、酸雨、温室效应、臭氧层破坏等无不与痕量气体有关。大气的主要成分N2和O2则没有温室效应。
痕量气体产生的作用和机理不再分述。具体请自行查阅。还有一个重要角色是“水汽”。下文再述。
4.气候系统的反馈机制
气候系统是一个复杂的系统，包括各个分量之间的相互作用，例如，既包括大气、海洋、陆地、冰雪之间的相互作用，还涉及物理、化学和生物等过程。当其中一个分量发生变化时，这些相互作用将引起其他分量发生变化，并反馈给最初的变化，从而造成更大的变化。目前所关心的主要反馈过程包括：水汽正反馈、冰-雪反照率正反馈、云-辐射的反馈等。
水汽正反馈指的是，CO2增加导致地面和大气温度增加，造成更多的地表(海洋)液态水蒸发进入大气层，因为水汽本身也是温室气体，水汽的增加将使得地表和大气温度升高更多，从而导致更多的液态水蒸发进入大气层，产生更强的增温，从而构成一个正反馈的过程。例如，如果大气是干空气，单纯的CO2加倍造成的地面增温大约是1.1K，如果考虑水汽的正反馈，则CO2加倍造成的地面增温将是5.2K。
冰和雪的反照率比陆地和洋面大得多，洋面对太阳辐射的反照率一般小于0.1，陆地的反照率通常小于0.2，而冰的反照率一般大于0.6，雪的反照率大于0.8。因此，冰和雪覆盖面积的变化将造成地表接收太阳辐射能量的巨大变化。(看过电影《后天》吗？不再科普)。
地表对太阳辐射的平均反照率大约只有0.15。但全球的天空平均大约有60%是被云层覆盖的，云-辐射的反馈作用则比较复杂，因为低层的液态水云主要反射太阳辐射，降低地表温度，而高层的冰晶云则允许太阳辐射透过，阻挡地球的红外辐射，具有温室效应。另外，云量的测定也是一件困难的事情。云-辐射反馈是气候变化研究中最不确定的因素之一。
5.K
开氏温标，简称绝对温标，又称开氏温标。以“K”表示，又称绝对零度，是现在国际单位制中七个基本单位之一。发明者为英国物理学家威谦·汤姆逊，1848年。他是热力学第二定律的发明人之一，因诸多科学成就而被封为开尔文勋爵。为了纪念他在科学上的功绩，国际计量大会把热力学温标（即绝对温标）称为开尔文（开氏）温标。
开氏温度计的刻度单位与摄氏温度计上的刻度单位相一致，也就是说，开氏温度计上的一度等于摄氏温度计上的一度，水的冰点摄氏温度计为0℃，开氏温度计为273.16°K。
开氏温度T与人们惯用的摄氏温度t的关系是T=t 273.16
人物：
我们要特别记住一些人的名字和主要贡献，人类总有些人看得远些，气候问题也是如此，科学史上有这样一些被看成里程碑式的发现：
1.傅里叶：提出大气具有温室效应
数学家傅里叶在1827年提出的地球大气具有温室效应的论点。他在论文提出了以下几个重要的论点：
(1)地表温度是由其接受的能量与其失去的能量之间的平衡所决定的，因此，计算地表温度需要首先确定其能量的源和汇。
(2)地球表面的热能有三个可能的来源：太阳光、地球内部热能的扩散和傅里叶所定义的“太空温度'(temperature of space)，傅里叶认为地热的贡献可以忽略不计。
(3)红外辐射是地球热能失去的唯一方式,因为红外辐射随温度的升高而升高，所以，地表温度将在得到的能量与失去的能量相等时达到平衡状态。
(4)可见光被地表和海洋所吸收,并转化为红外光。
(5)地球大气对太阳光是透明的，但对红外辐射是不透明的。
他的关于辐射能量平衡、地表温度与辐射能量之间的关系、地球大气的辐射传输特性和地热的作用等的直觉认识基本奠定了后来研究地表温度问题的基础。在论述大气层对地球表面能量所起的作用时，傅里叶曾用瑞士登山家de Saussure发明的有玻璃盖子的“热箱'做比喻。傅里叶指出，大气层就像该玻璃盖子一样，对太阳光是透明的，但对红外辐射有阻挡作用，其效果很像玻璃温室的效应
傅里叶使用了地表温度的周期性日变化和季节变化作为边界条件计算地球次表层的温度变化，正是根据这样的计算，他后来发展出了我们今天称之为傅里叶级数的重要数学分析工具。傅里叶还根据该计算正确地预测了地球次表层温度的日变化随土壤深度的加深而迅速衰减，但次表层温度的年际变化随深度的衰减要弱得多。
2.丁铎尔：确定温室气体
30多年之后，爱尔兰物理学家丁铎尔通过实验确定了大气中哪些气体具有温室效应。丁铎尔曾明确指出，他测量温室气体的目的是为了解释大气的温室效应及其对地球气候的影响。丁铎尔发现大气的温室效应只是几种含量很少的由三原子组成的分子贡献的，也就是CO2和H2O等，而大气的主要成分氮气和氧气并没有温室效应。这些测量结果使丁铎尔意识到，地球气候的改变并不需要整个大气层在质量上有根本的改变，而只需要几种痕量气体的变化。丁铎尔也意识到，CO2是地球气候变化的关键因素，因为虽然水汽的温室效应比CO2更强，但大气中水汽的含量是由大气的温度决定的，当水汽含量达到饱和时，水汽凝结形成降水，从而减少大气中的水汽。当然，水汽的正反馈将放大CO2的温室效应,使得地球表面的增温远大于单纯的CO2增加所造成的温度升高。
对温室气体的正确和全面的理解是在分子结构物理学和量子力学建立了之后才有的。
3. 阿伦尼乌斯：定量计算气候对CO2 的敏感性
直到1896年，瑞典物理化学家阿伦尼乌斯才开始定量地计算气候对CO2变化的敏感性。阿伦尼乌斯的主要研究工作是物理和化学，他于1903年获诺贝尔化学奖，他的一项重要成果是推算CO2和水汽对红外辐射的吸收谱，并使用斯特蕃-玻尔兹曼定律和能量平衡原理计算气候对CO2变化的敏感性以及水汽的正反馈效应。
阿伦尼乌斯推算CO2和水汽对红外辐射的吸收所使用的数据是来自美国天文学家Samuel P. Langley积累的月光红外波段的观测资料。他设计了一个简单的气候模式，该模式在垂直方向只有一个等温的大气层，在纬度方向是格点化的，并有季节变化，类似于我们今天所说的一维气候模式（真正温室？）。该模式还考虑了水汽的正反馈和冰-雪反照率的正反馈。利用该模式，阿伦尼乌斯发现，如果大气中的CO2浓度增加一倍，全球平均的地表温度将升高6℃。与现在精确的多层气候模式给出的地表气温对CO2加倍的敏感性数值(2—4℃)相比，阿伦尼乌斯的模式过高地估计了气候对CO2变化的敏感性。
他也是第一位提出人类燃烧的化石燃料有可能导致全球变暖、并且有可能阻止气候系统向下一个冰川期演变的科学家。有意思的是，阿伦尼乌斯认为气候变暖将有助于人类生存环境的改善，而且日益增加的地球人口需要更为温和的气候环境。这一观点也是目前那些认为全球变暖并非是一件坏事的人们的主要论点之一。
4. 施瓦氏、Frank Very等：确立辐射传输
量子力学登场了。相关知识请自己补课：
当气候科学进入20世纪之后，它的发展极大地得益于物理学,尤其是物理学中关于分子结构的认识以及量子力学的发展极大地促进了人们对气体分子吸收谱(分子光谱)的理解。这些物理学理论告诉我们，一种气体分子的吸收谱是由其分子结构决定的(如CO2和水汽的分子结构决定了它只吸收和放出红外波段的电磁波)，吸收谱中的每一根吸收线实际上是该分子在两个振动态之间的能量差，是量子化选择性吸收的结果。在此基础上,温室气体的吸收谱也在实验室得到了广泛和准确的测量。
一个对气候学发展具有重要贡献的是天文学领域辐射传输理论的发展和完善。在20世纪初期，天文学家和天体物理学家出于对恒星结构以及恒星内部能量的径向辐射和对流的研究兴趣，建立了辐射传输的基本理论，这方面的代表性工作是施瓦氏在1906年发表的论文。在该论文中，施瓦氏给出了辐射传输的基本方程.还有一些天文和天体物理学家为了解释地球大气层对太阳辐射传输的影响和校正太阳辐射的地面观测结果，也开始研究太阳辐射在地球和太阳系行星大气中的传输问题。一个代表性工作是Frank Very在1908年发表的论文。他们已开始用多层大气的模型来研究辐射传输问题。著名天体物理学家钱德拉塞卡在1950年发表了他的关于辐射传输的著作，从而系统地建立了辐射传输理论。
5. 普拉斯：首先使用了更为准确的CO2吸收谱
到了20世纪50年代，先进的计算机的出现也为准确地计算多层大气辐射传输和CO2吸收谱的积分提供了有效的计算工具。美国学者普拉斯首先使用了更为准确的CO2吸收谱和多层大气辐射传输模式来计算CO2变化对气候的影响。他的结果表明，CO2加倍将造成地面增温大约3—6℃。但普拉斯对地面辐射能量平衡的解释存在错误。在普拉斯的计算中，假定了CO2增加仅造成地面温度的升高，而大气层温度是不变的，其结果将造成大气层顶入射和向外辐射的不平衡。实际上，在大气中CO2增加之后，大气对流层的温度必将升高，正是由于大气对流层在较高温度下向下辐射红外能量的增加才造成了地面温度的升高，而在大气层顶，入射的太阳辐射和出射的地-气系统能量应该是平衡的。在普拉斯的计算中，还没有很好地考虑水汽的吸收谱,因为那时还没有完整的水汽吸收谱的测量结果。
6.Manabe和Wetherald：把全球变暖的问题推向了现代
20世纪60年代后期，Manabe和Wetherald设计了更为真实的辐射传输模式，并充分考虑了水汽的吸收谱以及水汽的反馈作用。他们最为重要的贡献是考虑了大气的对流运动，并清楚地解释了在地面和大气层顶的辐射平衡问题。正因为如此，人们才认为是Manabe和Wetherald的工作真正把全球变暖的问题推向了现代。半个世纪过去了，他们的论文仍然是我们认识全球变暖最基础的参考文献。
7. Budyko、Sellers：分别提出气候能量平衡模式
此后不久，前苏联气候学家Budyko和美国气候学家Sellers分别独立地提出了气候能量平衡模式，他们引入了冰-雪反照率的正反馈机制，并考虑了赤道与极地之间的热量输送问题。根据他们的模式，气候系统在相同的太阳辐射条件下可以出现三种气候态：(1)两极没有冰盖的温暖气候，如6500万年前的恐龙时代；(2)两极存在冰盖的温和气候；(3)全球完全被冰封的冰雪地球气候。其中第一种和第三种气候态是稳定的气候态，而第二种是不稳定的气候态，在外强迫或气候系统内部扰动的作用下，冰-雪正反馈机制很容易导致该气候态向第一种或第三种气候态转化。长期以来，第三种气候态一直被认为是该简单模式的数学解，并没有物理或现实上的意义。但近10年来的研究表明，全球性冰封的冰雪地球气候有可能在25亿年前和7亿年前出现过。(这难道是电影《后天》的理论基础？)
8.三维大气环流模式(GCM)
随着辐射传输模式的完善，也由于计算能力的快速提高，人们开始考虑使用更真实也更复杂的模式取代简单的气候模式。这便是覆盖全球的三维大气环流模式(general circulation model，GCM)。在GCM中，需要数值求解的是三维流体动力和热力学方程，因为在这些流体方程中，各个变量都随时间变化，给定初始和边界条件之后，可以对这些方程进行时间积分。如果我们以现在的气候状况作为初始和边界条件，对时间的积分也就相当于预测未来的气候。仍然是Manabe和Wetherald首先在GCM 的发展方面走出了开创性的一步。他们的GCM计算结果表明，CO2加倍将导致全球平均地面温度升高大约3℃。
20世纪80年代以来，世界各国的主要气候研究机构都纷纷发展各自的GCM。美国哥达德空间研究所气候学家翰森为首的团队也较早地发展了他们的GCM，并利用该GCM广泛地研究了气候系统中的各种反馈机制,指出了云-辐射的反馈机制在气候变化中起着重要的作用。他们的另一个重要贡献是海洋由于其较大的热容量(热力惯性),将推迟全球变暖的出现，也就是地表气温的增加将落后于CO2增加达几十到上百年。这与实际结果基本一致，CO2在工业革命时就开始增加，而全球变暖基本是从20世纪70年代开始的。
9.大气CO2浓度和温度升高的观测
科学的结论，必须能够被验证。CO2浓度是否是在随时间升高? 地表气温是否在随时间升高?
美国加州大学圣地亚哥分校教授Charles D.Keeling(1928—2005)是第一个用仪器观测大气CO2浓度的。他于1958年在国际地球物理年组织的资助下，在夏威夷的Mauna Loa山峰建立了世界上第一个CO2观测站，并开始CO2观测，因此，提供了世界上时间最长的CO2仪器观测资料。1963年，NSF使用Keeling的观测结果发出警告：CO2增加的温室效应有可能造成全球变暖，在1965年向美国总统科学顾问委员汇报类似的观点时，同样使用了Keeling的观测结果。
Keeling发表了多篇关于大气中CO2增加的重要论文，其中最重要的是1960和1970年的两篇论文。在1960年，他的观测才刚开始2年，论文在当时并没有引起很大的轰动，但1970年的论文产生了巨大的影响，学术界和社会才开始认真地考虑人类燃烧化石燃料造成的2 增加将有可能导致全球气候变暖。
虽然温度的测量记录可以追溯到17世纪或者更早，但可靠的全球平均温度观测记录通常自1850年开始。英国东安吉利亚(East Angilia)大学的P.D.Jones教授整理了世界各地的各种温度观测资料，给出了公认比较可靠的自1850年以来的全球平均温度时间序列，线性回归表明，在1900—2010年间，南北半球分别增温1.12℃和0.84℃,全球平均增温0.98℃。美国宾州州立大学教授Michael E.Mann等使用树木年轮等替代资料推算了过去1000年的北半球地面平均气温变化，发现现在的气温在过去1000年都是最高的。除了地面气温，整个大气对流层的温度也在升高。美国华盛顿大学付强教授等使用卫星微波遥感的温度资料计算了过去30年的对流层温度变化趋势，发现对流层温度也是升高的。全球变暖是就全球平均温度的长期的变化趋势而言的，并非意味着持续不断的温度升高，因为气候系统有其自身在不同时间尺度上的自然变化，可以被看作气候系统自然波动的结果，也有人认为是人类活动造成的气溶胶增加，气溶胶散射太阳辐射，导致地面变冷。但总体来讲，全球平均温度在过去100年是升高的。
不是结论的结语
20世纪50年代，一些学者开始向社会呼吁，人类活动导致的CO2增加将对气候产生重要的影响。
1979年，美国著名气象学家恰尼等受美国科学院国家研究顾问委员会的委托提交了一份研究报告(后来被称为“恰尼报告'(The Charney Report))。该报告估算气候对CO2 加倍的敏感性大约是1.5—4.5℃。自该报告之后，全球变暖的概念开始进入公众的视野，并引起欧美各国政府的高度重视。
1988年，世界气象组织和联合国环境署共同成立了“政府间气候变化专门委员会'(IPCC)，其目的是为世界提供气候变化的现有进展状况和气候变化对社会、环境与经济的潜在影响的全面、综合的科学评估。
IPCC 于1990 年、1995 年、2001年和2007年分别发表了4次评估报告，第5次评估报告将于2013年发表。2011年5月，政府间气候变化专门委员会 （IPCC）第 33 次全会正式批准了 《可再生能源与减缓气候变化》特别报告，这也是 IPCC 第五次评估期间发布的首份报告。报告指出，如果有正确的公共政策支持，到 2050 年可再生能源将可满足全球近 80%的能源需求，并且突破性增长的可再生能源将在 2010～2050 年间共累计减少温室气体排放约 2200 亿～5600 亿吨二氧化碳当量。
在第4次评估报告中，全世界23个GCM 的模拟结果表明，CO2加倍将造成2—4.5℃的增温。在21世纪的预估中，使用了几种不同的温室气体排放情景。如果温室气体被限制在2000年的水平不变，地球气温仍将缓慢增加，其主要原因是已经被加热了的海洋仍将持续地放出热量，并加热地面和大气。如果对人类排放温室气体的速度不加限制，在21世纪末，地表气温将升高大约3.6℃。虽然IPCC 报告受到了这样或那样的质疑，但其权威性是不容置疑的，每一次报告都是世界各国数百名一流气候学家共同努力的结果。
人类对于全球变暖的认识是以数学、物理学和化学为基础的。气候系统是一个复杂的系统，各分量之间的相互作用以及涉及的各种反馈过程也是相当复杂的。我们现在对这些过程的了解还非常有限，因此，我们目前还不能很圆满地回答有关全球变暖的全部问题。
无论对全球变暖持支持或反对的观点，也无论是否承认全球变暖是否是由于人类活动造成的，一个不可否认的事实是，现在人类改变自身生存环境的能力是巨大的。我们今天对化石燃料的燃烧实际上相当于把地球早期通过光合作用存储于地球内部的太阳辐射能量释放了出来，这部分能量毫无疑问将对气候系统产生重大的影响。
目前，全球气候变暖已不是单纯的学术问题，而是早已成为国际社会和各国政府所关心的政治问题。一旦争论超出了学术的范畴，全球变暖的科学基础和许多概念都被模糊了，其科学历史也被淡化了。
联系客服
