上一回，我们讲到了叶笃正院士对咱们中国气象事业的贡献，也讲到了他很早就注意到了国际气象学界提出的全球气候变化的问题，这个问题实际上就是我们现在经常说到的全球变暖。咱们这一回终于讲到全球变暖这档子事儿了。19世纪科学家们意识到大气层有可能会影响到地球的整体温度。法国的物理学家傅立叶在1827年出版了一篇论文，其中就提到了温室效应理论。温室效应的道理也很简单，太阳发出的巨大能量是以光的形式辐射到了地球的表面，波长比较短，能量集中在了可见光波段。地球表面吸收了一部分太阳光的能量。通俗点说就是地球表面被晒热了，地球表面就会以红外辐射的形式向外散发热量。大气层对于可见光来讲几乎是透明的，但是。对于红外线来讲，却不是透明的。大气层吸收了这些红外辐射，并将其反射到地表，大气层就像一层被子一样裹在了地球的表面，地表的热量散发不出去。后来物理学家们就对地球表面的平均温度产生了很大兴趣，大气中的成分很复杂，到底是哪些气体对地球的温度有影响呢？这就要提到丁达尔的贡献了。丁达尔现象
很多人都知道丁达尔现象，如果空气不那么干净的话，阳光照进屋子的时候会形成一道一道的光束。这个现象就是他发现的。他早年间学习的是测绘技术，又正好碰上了英国铁路大发展，需要大量测绘人才。所以那一阵子他的工作还是挺忙的，后来。建设铁路的热潮过去了，他也就不得不改行了。后来丁达尔跑到德国，在罗伯特·本生的门下学了两年。后来又回到了英国，在法拉第手下打杂。当时法拉第的老师戴维妒忌法拉第的成就，所以把他发配到了冷门专业，让他去研究晶体和磁学。丁达尔就跟着法拉第一块儿鼓捣晶体和磁学的各种试验，他们发现了抗磁现象。到了1856年，丁达尔考察了阿尔卑斯山，他也成了登山活动的先驱。从那以后，他每年都会到阿尔卑斯山去。在阿尔卑斯山，丁达尔开始研究冰川和冰川运动。因为对冰川的研究，使得他开始注意到了阳光加热效应。1859年春天开始研究热辐射和气体之间的关系。丁达尔的测量装置
到了1861年，丁达尔通过试验测定了气体吸收和发射红外辐射的特征，他发现整个大气层里。对温室效应起到最大作用的是水蒸气，其次是二氧化碳和甲烷。大气的主要成分，氮气和氧气没有温室效应。虽然水蒸气和二氧化碳在整个大气层中所占的比例非常小，但是起到主要作用的就是它们。就在丁达尔所处的时代，地质学有了快速进步。大家有能力对整个地球的演化进行研究。科学家们发现，地球的历史上经历了很多次变冷变暖的交替过程，他们想了解为什么在遥远的过去地球的表面经历了一次又一次的冰期。当时大家提出了各种各样的假说，但是谁都没办法说服谁。这就引起了瑞典著名化学家阿伦尼乌斯的兴趣。阿伦尼乌斯（1909）
这个阿伦尼乌斯1903年因为电化学方面的成就获得了诺贝尔化学奖。他认为地球大气层之中的二氧化碳含量可能是导致冰河期循环的关键因素。到了1896年，阿伦尼乌斯利用月光的观测数据，计算了大气中水蒸气和二氧化碳对红外光的吸收特性。这个计算过程很复杂，因为气温升高会导致大气之中的水蒸气增多，水蒸气也是温室气体。也就是说二氧化碳增加一点点，会像杠杆一样撬动更多的水蒸气，加剧温室效应，这不是单一因素。再说了，气温升高，地球上的冰雪就会减少，冰雪能把太阳光反射出去，冰雪减少会使得气温变得更热。这也是一种正反馈机制。考虑到这些问题，最终的计算结果表明，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℃，这与冰河时期的情况是一致的。不过当时阿伦尼乌斯还是比较乐观的，他觉得地球变得越来越暖和是一件好事。随着全球变暖，冰雪全都融化了。寒冷地区不就不冷了嘛，原来种不了粮食，现在不就能种粮食了吗？这有什么不好的？不过当时大家对阿伦尼乌斯的研究不怎么太关注。进入20世纪以后，西方国家的工业化已经是如火如荼地展开了，到了二战前夕，石化燃料燃烧大约累计排放了1500亿吨的二氧化碳。1938年，英国的工程师卡伦德发表了全球147个气象站的直接观测数据。他详细列举了大气中二氧化碳的积累速度，水蒸气和二氧化碳对红外线的吸收以及二氧化碳对大气层逆辐射的影响，大气层逆辐射与气温的关系。据现在的观察数据，自1880年以来二氧化碳浓度在不断增加，导致地球每年以0.005℃的速度在变热。卡伦德
当然这个卡伦德也满怀乐观情绪，他也觉得全球变暖是一件好事儿。当时大家普遍认为冰河时代是一个非常悲惨的时代，对人类来讲是个大灾难，所以能够远离冰河时代，当然就是一件幸福的事儿。但是这个卡伦达遭到了气象学界的广泛质疑。说白了还是因为他本人不是干这个专业的。他是个工程师，是个热力学专家，专门鼓捣蒸汽机、透平机之类的玩意儿。当时的英国气象局局长乔治辛普森爵士就认为二氧化碳的含量上升与气候变暖之间并没有因果关系，只是巧合而已。你要这么说，卡伦德也没有办法回答。他只好说，未来20年的温度曲线将为评价二氧化碳增温的准确度提供宝贵的证据，他把答案留给了时间。但是让他想不到的是。日后的研究数据是大大出乎卡伦德的意料。1938年是啥年份啊？全面抗战已经都开始了好久了，1939年欧洲也打起来了，二战全面爆发。谁还顾得上全球变暖？大家的关注重点都不在这儿嘛。二战结束以后，世界的经济开始快速恢复。到了1958年，二氧化碳的排放量几乎是1945年的两倍。但是这十几年间，全球的气温却略有降低。这就奇了怪了。科学家们发现这件事远没有想的那么简单，因为二氧化碳是可以被吸收的，植物可以把二氧化碳变成氧气。有大量的二氧化碳实际上会溶解在海水之中。这些因素不能不考虑，所以科学家们不得不去考虑新的反馈机制。世纪营军事基地
美国人在格陵兰岛的西北部建立了一个军事基地叫“世纪营”，这个营地用地下的核反应堆提供能源，格陵兰岛有很多冰川，美国人想在这里建立一个能够威胁苏联的导弹基地。他们在地下挖了很多半埋式的隧道。但是美国人说是进行科学研究，没说是导弹基地，这种先斩后奏的行动弄得丹麦政府像吃了苍蝇一样恶心。但是因为冰川活动，世纪营基地半埋式的地下隧道承受不了这种压力。后来美国人也就撤离了。但是美国人在这个地方还是搞了一些科学研究的。他们打了一个洞，打穿了冰层，获得了大约1.4公里长的冰芯。冰川其实是一次次降雪逐渐堆积，被巨大的重量压成了结实的冰块，这种冰块之中夹着很多小气泡，这些气泡就成了古代大气成分的“化石”。通过研究冰芯，可以对古代的地质与气候变迁提供证据。通过对格陵兰冰芯的研究，大家发现末次冰期之中，气候由暖变冷非常快，只花了100年时间。上世纪中期，全球的气候的确是比较冷。再加上美苏的冷战，大家都生活在核冬天的阴影之中。几千枚核弹爆炸引起了遮天蔽日的烟尘，这些烟尘会遮蔽太阳光，造成全球变冷，也就是进入到核冬天。现在对冰芯的研究加剧了这种担忧。再加上60~70年代环保运动开始兴起，大家也意识到空气中的尘埃不是个好东西。保护环境的思想开始深入人心。到了1972年，这种担心全球变冷的情绪达到高潮。42位学者在布朗大学召开研讨会，聚焦“间冰期何时以及怎样结束”。他们回顾了古气候研究进展，初步达成共识：当下的暖期可能在数百年内以快速降温宣告结束。现有数据远远不够，现在还不足以预测冰期到来的时间和评估人类活动的影响。 给总统尼克松的信
1972年的年底，哥伦比亚大学拉蒙特-道尔地球观测台的台长乔治·库克拉和布朗大学地质系主任罗伯特·马修斯联名致信尼克松总统。他们说“幅度史无前例的全球气候恶化，具有非常真实的可能性，而且可能很快到来”。这封信的影响力在气象学史上可以说是绝无仅有，可把美国政府吓了一跳，赶快成立了气候变化委员会来研究这事儿。从此，气候变化就不仅仅是一个科学研究的问题了。而是一个政治问题。说白了，地球实在太复杂了，是个混沌系统。稍微改变一下参数，结果就会大幅度摆动。这事儿实在太复杂了。就在很多科学家担心全球变冷，再次进入冰期的时候。也有一些人得出了完全相反的结论。未来的气候不是变冷，而是变暖。就在1958年3月份，查尔斯·基林就在夏威夷的莫纳罗亚山顶安装了观测仪器。定点观测大气之中的二氧化碳浓度。这个观测点海拔3400米，夏威夷岛远离一切人类污染，大气质量非常好，这个地方也是众多大望远镜的安装地，空气非常纯净，1960年公开了数据。当然，数据采集一直延续到了今天，这就是著名的“莫纳罗亚曲线”，也叫“基林曲线”。这个数据呈现出锯齿状，因为这个地方地处北半球，每年的春夏是植物快速生长的季节，会吸收大量的二氧化碳。但是在秋冬季节，随着植物的凋零，大量以固体形式存在的碳元素又会变成气态的二氧化碳。所以，莫纳罗亚曲线呈现出锯齿状也就一点都不奇怪了。但是排除这些锯齿状的波动，看总体趋势，全球的二氧化碳含量在快速上升，而且还是越来越快。地球海洋化学家布洛克尔冷静地审阅了世纪营的冰芯数据，他发现过去1000年时间里，世纪营冰芯的温度变化有80年和180年的周期性波动。从1945年开始的降温可能就是波动的下降周期。同时，他还用数值模拟评估了实测的二氧化碳增量对温度的影响，按照石化燃料3%的增长速度来预测未来温度变化。最后把数据综合到一起，他断言，自然降温会被人类排放二氧化碳引起的温室效应所抵消。降温趋势会在80年代之中的某个时候被逆转。之后，二氧化碳会主导全球气温的变化，在21世纪的最初10年，我们会经历过去1000年里从未有过的温暖气候。布洛克尔1975年发表了论文，标题就是“气候变化：我们正处在全球变暖的边缘？”。全球变暖这个词就此诞生。如今已经是2022年了，现实和他所预料的结果基本一致。我们是开了上帝视野在看待这件事，在上世纪70年代中期，大家都懵了，到底全球是变暖还是变冷啊？谁能给个准信儿啊？1979年，美国国家科学院组织了一个由朱尔·查尼领衔的班子，对这件事进行彻底研究。朱尔·查尼的名气很大，在气象学界是有威望的。在当时，科学也取得了长足的进步，首先是大家对各种气体对光的吸收和辐射了解更透彻了，对大气中的二氧化碳、甲烷、氮氧化物等等气体都可以给出非常细致的数据。另外的进展来自天文学，天体物理学家在研究恒星时候，把恒星发光辐射机制以及如何加热恒星大气也做了相当深入的研究，领衔研究的是钱德拉塞卡，常听我节目的朋友们肯定对这个名字不陌生。再说了，到了70年代末，计算机也变得比以前更加强大，计算能力也是今非昔比。朱尔·查尼不就是干这个的嘛。他本人就是计算机数值天气预报的开创者。有了计算机的帮助，我们可以计算更加复杂的三维大气环流模型。对了，说到数学计算，别忘了我的数学史收费专辑【👆上图的二维码直达购买】，上次讲到了欧几里得几何学的诞生，下次讲初等数论，大家别忘了去捧个场哦。扯远了，扯回来。最后，朱尔·查尼提交了一个22页的报告，这个报告明确指出大气中的二氧化碳增加一倍，将导致全球变暖1.5~4.5℃。这数据是非常准确的，到现在依然没什么变化。这个报告被递交给了当时的美国总统卡特。剩下的事儿就是政治家的了。正好在这个时候，中国打开国门，和世界科学界恢复联系，所以叶笃正他们几个就是在哪个时候接触到了气候变化这个概念，所以，我们在学术研究上不算落后，搭上了这班车。否者我们在这个问题上连发言权都没有。不管是全球变暖还是全球变冷，都跟环境保护有关系，变冷时因为烟太多，全球变暖是因为二氧化碳太多，反正在这都是烧出来的玩意儿。所以这种事儿就和上世纪开始兴起的环保运动结合在了一起，在民间掀起了很多声浪。很多相关的跨国公司企业也因为利益纠葛，开始拼命甩锅。他们也会找专家，提供评估报告。所以，有关这个问题也还有争议。
但是政治家们不能等了，世界气象组织和联合国环境规划署于1988年成立了政府间气候变化专门委员会（IPCC），由他们来发布报告。为全世界的决策机构提供参考。IPCC的经费来自会员国的捐款，总计600万欧元，这笔钱花得值啊。IPCC主要是要搞清楚几件事，首先是从科学角度评估气候系统如何运行如何变化。然后是社会、经济和自然系统对气候变化的脆弱性以及适应的可能性。第三条是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。所以，IPCC要出一份报告，基本上要动用全世界几百位优秀的科学家共同协作才能完成。所以你小看这份报告，拿在手里真是沉甸甸的。目前IPCC已经出了5次报告了，今年要出第6次。大家关注的问题渐渐有了答案。1990年的时候，专家们还不能确定温度快速上升到底是自然原因还是人为因素。第二次报告就已经可以明确，人类逃不了干系。人类活动已经给气候带来了很多不可逆的影响。到了90年代末，曼恩等人给出了一张著名的图表，也就“曲棍球杆曲线”。他们几个研究者整理了1000年的温度数据，进入工业革命以后，气温上升速度陡然加快，在图表上变成了一个翘起的尾巴，非常像曲棍球杆的形状，所以叫曲棍球杆曲线。就是这样曲线图，惹出了一大堆的争议。因为1000年前是没有温度表的，曼恩他们选用了一种树的年轮数据反推当时的气温。这就被反对气候变化的人抓住了小辫子。但是，现在已经20多年过去了，科学家们也没闲着，随着冰芯、海洋沉积物、珊瑚等等新数据不断添加进来，近100多年来气温快速上升这个结论是没多大问题的。加上曼恩他们的数据，现在的气温是1700年来最高的时候，排除他们的数据，仅凭其他数据，我们现在是1300年来气温最高的时代。我们也要理清一些观念，地球历史上有比现在热得多的时代，但是那时候没人，跟我们没关系。我们人类经历过冰河时代，生存环境非常严酷。我们人类也挺过来了。不过那时候是光脚的不怕穿鞋的。现在就不一样了，我们有了财产了，我们有了房子，我们过得比古代舒服多了，我们要担心要顾忌的东西也多了。全球变暖带来了更多的极端气候，人类应对这些极端的气候要付出更多的代价，这些代价其中有我的，也有你的，覆巢之下无完卵。继续燃烧石化燃料带来的好处和引发的麻烦相比，孰轻孰重？有人赚了便宜，有人倒了霉，你没看太平洋岛国一个个愁眉苦脸，他们的国家真的有可能被水淹了。加拿大和俄国可能还美滋滋的，北极航道说不定能走船了嘛。但是，咱们国家地理跨度太大，南边有大象，北边有驯鹿。东边有大海西边有沙漠，地理和气候太复杂了，什么问题我们都会碰上。所以，国家是要算总账的。科学就是科学，在这方面，咱们国家做的是真不错，稳扎稳打，一步一步的改善环境，长远布局改变能源策略，一来减少碳排放，二来降低能源安全的风险，三来为新兴产业创造机遇。有节奏，有步骤。不像某些国家，当总统的瞪眼不认账，到处退群。也不像某些极端环保人士，除了逃课，除了口嗨，什么实事也不会做。其实有关气候变化问题，需要全球通力合作，但是在如今的环境下，实在是很难。欧洲不是开始准备烧煤发电了嘛，看来二氧化碳是肯定是少不了啊。没办法，未来会怎么样，那就不是我能知道的啦。
气象学史到此结束。我们下一次讲啥呢？你别忘了我是军迷，福建舰刚下水嘛，大家都关心航空母舰，我们就来讲讲航母的历史。我们不见不散。
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