二氧化碳与气候Word文档格式.docx
《二氧化碳与气候Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《二氧化碳与气候Word文档格式.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
一篇1956年发表于《美国科学家》（AmericanScientist）的文章探讨了气候变化的问题；
近期的两个评注指出这篇文章与目前的环境问题密切相关。
一直以来科学家都很热衷于解释气候变化的问题。
自有地质记录以来，至少十分之九的时间里地球的平均温度都高于它现在的温度。
在这些温暖期之间则是长达几百万年的大冰期，大冰期之间大约间隔两千五百万年。
但目前我们更感兴趣的是近六十年间的气候变暖。
关于气候变化的理论数不胜数。
那么有没有可以解释大部分已知气候状况的理论呢？
目前最广为接受的解释包括地球接收到太阳能的变化，大气中火山灰含量的变化，以及大陆平均海拔的变化。
尽管这些因素可能在特定时期特定地点影响地球的气候，但是没有一个可以较全面地解释全球性气候变化状况。
二氧化碳造成气候变化的理论是50年前最被认可的理论，但是近年来它的拥护者减少了。
尽管如此，最近的研究仍表明通常被提出以反对这个观点的理论都是不成立的。
所以也是时候重新考虑大气中二氧化碳含量的变化问题，以及它是不是可以为众多全球性的气候变化提供令人满意的解释。
由于地球表面和大气层中的温度相对较低，所以由地球向太空辐射的波段实际上集中在红外段。
所以知道大气中的哪些成分主要吸收红外波就十分重要。
大气中含量最多的气体分别是氧气、氮气和氩气，但是这三种气体几乎不吸收红外辐射。
如果我们的大气中只有这三种气体的话，地球的气候将会比现在冷的多，地球表面的热辐射会毫无阻拦的冲向太空，导致地球表面降温更快。
幸运的是，另外三种气体也相对少量的存在于大气中：
二氧化碳，水蒸气和臭氧。
不像那些在空气中含量丰富的气体，这三种少量气体却是吸收红外波的主力军。
大气中二氧化碳的浓度约为0.03%（体积比例），并且通过精确测量可知它的分布相当均匀。
水蒸气和臭氧在大气中的比例也很低，但是确切数值会随时间地点而变化。
二氧化碳、水蒸气及臭氧的红外吸收能力在很大程度上决定了我们的气候。
它们的作用经常被拿来与温室对比。
太阳光穿过透明玻璃将热能带进温室，但植物与其他物体发出的红外形式的热能大部分都被玻璃阻隔。
热能被有效的存留在温室内，温度也自然比外面高得多。
类似的，地球表面的温度受到大气在可见波段和红外波段的透过性控制。
太阳射向地球表面的能量主要以可见光形式存在，所以在晴朗的天气里，大气透明度高，几乎所有的可见光频段都可以透过，太阳的能量衰减很少。
但是如果想要温暖的气候，热能就必须被保持在靠近地球表面的位置，并且不能立刻被辐射出去。
大气对于大部分红外频段的波都是不透或者部分不透的，这要感谢前文所述的三种含量不多的气体。
因此地球表面辐射出的能量不能自由的冲向太空，不然地球表面就不会像现在这样温暖。
大气之于地球就像玻璃之于温室。
二氧化碳理论声称，随着二氧化碳含量升高，大气可以阻挡的能量波段将会变宽，辐射出去的能量将会更有效的被阻挡在地球表面，从而导致温度升高。
最新计算表明如果大气中的二氧化碳量加倍，地球表面温度将上升3.6摄氏度；
如果二氧化碳量减半，那地球表面温度将下降3.8摄氏度。
二氧化碳理论是于1861年由Tyndall首次提出的。
最初的计算只能用非常粗略的方法完成。
由于二氧化碳的存在，吸收光谱的谱线可多达上千条，由于每条谱线的强度宽度不同，它们的图谱都非常复杂。
甚至由于谱线的强度和宽度会随着温度和压力变化，大气中不同高度的谱线图样都是不同的。
直到最近，精确的红外测量法的出现、理论的发展以及高速电子计算机的应用才解决了这个问题，使得准确测量二氧化碳对地球表面温度的影响成为可能。
水蒸气某种程度上与二氧化碳的吸收区间相同，这也是反对二氧化碳理论的基础。
根据这个理论可知，水蒸气的吸收力如此强大，即使二氧化碳浓度改变，辐射出的能量应该都不至有什么变化。
但是这个结论是建立在早期计算的基础上的，这些计算只是复杂的大气红外能量流动的粗略近似。
近期更加精确的计算分析了这两种气体吸收谱的详细结构，发现他们在红外吸收上基本是互相独立的。
有两个重要原因支持这个结果：
（1）二氧化碳和水蒸气谱线的频段基本没有什么相互联系，所以这些谱线并不会因为谱线位置相近而重叠；
（2）水蒸气本就很低的浓度会随着高度增加而急剧下降，但二氧化碳的浓度却基本是均匀分布的。
基于第二个原因，即使在地球表面水蒸气的吸收力在某个吸收区间强过二氧化碳，那么稍高于地表的高度上二氧化碳的作用就会强过水蒸气很多。
通过谨慎的估算可以发现由于二氧化碳造成的全球气温变化，不会因为水蒸气的红外吸收作用而降低超过20％。
二氧化碳理论还有一个更进一步的反对观点：
二氧化碳吸收带的中央频段在大气中是完全不透的，二氧化碳含量的变化不会影响它的红外吸收。
如果针对于二氧化碳吸收带中心左右各一微米的波段来说，这句话是完全正确的。
但是这个理论忽略了二氧化碳除了这部分完全吸收波段之外的数百条谱线。
由于二氧化碳含量造成的能量吸收差异，在部分透过的波段是最为显著的；
地表温度所带来的吸收差异也是由这些波段决定的。
由此可以发现，似乎不存在一种理论可以从根本上反驳二氧化碳改变气候论。
不仅如此，这个理论提出，二氧化碳含量虽然会变化，但只要这个变化在合理范围内，所造成的温度变化已经足以明显的改变气候。
不妙的是平均温度的小小变化就可以对气候造成相当大的影响。
例如很多权威机构预估过，假如平均温度降低1.5到8度，地球表面的很多区域将再次被冰川覆盖。
类似的，平均温度只要上升4度，那地球的大部分地区都会变成热带气候了。
在讨论二氧化碳如何影响气候的细节之前，有必要先了解一下影响二氧化碳平衡——包括海洋与大气的二氧化碳交换——的各个因素。
大气中二氧化碳的最大消耗者是光合作用，每年大约要消耗60x109吨。
在稳定状态下，由呼吸作用和腐烂的动植物遗体所释放出的二氧化碳量应该是完全等同于消耗量的，但前提是没有形成新的煤炭，石油和其他有机沉降物。
至少目前来看，损失量非常之小（每年0.01x109吨），在实际情况中基本可以忽略不计。
如果这个吸收释放二氧化碳的稳定状态被干扰了，例如，大气中的二氧化碳含量忽然增加，那么光合作用消耗的二氧化碳也会增加。
不过在几年之后，腐烂的遗体和呼吸作用释放的二氧化碳也会随之增加。
在光合作用中被用掉的碳元素大约在10年之内会被生物圈返还回大气，所有碳原子返还的时间大约是250年。
算上所有会影响二氧化碳平衡的因素，这个有机世界会在几年之内重归平衡。
无机世界中最重要的两个影响因素，一个是由温泉、火山和其他地球内部来源释放出的二氧化碳，一个是火成岩在风化过程中形成的碳酸盐。
现在这两个过程刚好基本互相平衡。
第一个过程释放的和第二个过程减少的二氧化碳量都大约为每年0.1x109吨。
所以在只考虑自然因素的情况下，大气中每年被消耗和被返还的二氧化碳量差不多相等。
这里所用的数字都只是数量级层面的预估。
精确的平均值还需要更细致的估算。
不过最近，人们又为二氧化碳平衡找到了一个新的重要因素。
它由Callendar（GuyStewartCallendar）首次提出，化石燃料的燃烧目前每年向大气释放约6.0x109吨的二氧化碳，并且这个数字还在逐年递增。
如今这个因素已经是无机世界中最重要的一个。
所以人类自身的行为使得大气中的二氧化碳以每100年30%的速度增加。
这对气候的影响稍后将会进一步讨论。
海洋是一个巨大的二氧化碳贮存库；
一些二氧化碳以气体形式溶于水，但是大部分都是以离子化程度不同的碳酸盐形式存在。
基于已知的海水的电离常数，可以计算出相对已知数量的海洋中的碳酸盐，大气中的二氧化碳压为多少可以与之平衡。
现在二氧化碳压强大约为3x10-4个大气压；
大气中有2.3x1012吨二氧化碳，而海洋中有130x1012吨二氧化碳及碳酸盐。
所以海洋中的二氧化碳是大气中的50多倍。
如果环境条件改变，海洋可以增加或减少大气中的二氧化碳量。
近期Kulp用放射性碳元素确定了纽芬兰纬度的深海海水在1700年前是位于海洋表面的。
这表明深海的海水也许需要几万年才可以完成由表面到海底再回到表面的完整循环。
但只有海洋表面的水可以从大气中吸收二氧化碳。
由于海洋表面和深处的水之间只有很微弱的循环作用，大气海洋系统要想在某种扰乱之后重归平衡所需的时间至少与海水完全循环一次的时间相等。
接下来让我们看一下不同地质时期，大气中二氧化碳含量的不同以及这种不同与气候的相互关系。
有趣的是很多气候变化都可以简单自然的被二氧化碳理论解释。
上一个冰川世大约持续了100万年，其中包含四个被间冰期分隔开的冰川期，这是很早以前已经为人所知的了。
最近Wiseman研究了深海海底的沉积物，发现有证据表明过去62万年至少有10个不同的温度阶段。
似乎冰川世的一个基本属性就是气候会持续波动。
冰川范围增大然后消退，如此反复多次直到冰川世结束。
没有什么其他的理论能够给出一个简单直接的答案，解释这种长达一百万年冰川世中的气候波动现象。
为了弄清楚这些波动出现的原因，让我们看一个图表，图表的两个坐标轴分别是大气中的二氧化碳含量和大气-海洋系统中二氧化碳的总量。
这些曲线是按上文所述的方法计算出来的，前提是假设平均温度的变化与二氧化碳理论预测的相一致。
当海洋的体积处于它现在的0.90，0.95以及1.00倍时的曲线都被画出，以为海洋随不同冰川期的体积变化留出误差空间。
现在的二氧化碳分压值（3x10-4大气压）和整个大气-海洋系统的二氧化碳总量（1.32x1014吨）在图中用“P”表示。
让我们假设一百万年前二氧化碳平衡还不太稳定，整个大气海洋系统中的二氧化碳总量下降了7%至1.23x1014并且在剩下的冰川期中都维持在这个较低的水平。
再让我们进一步假设如果温度降低3.8摄氏度，巨大的冰层会再次形成并覆盖相当大范围的陆地。
随着二氧化碳量的降低，大气海洋系统将会最终达到平衡，即图中的“G”点。
新的二氧化碳分压为1.5x10-4大气压。
根据这个理论这个气压变化将导致温度降低3.8摄氏度，这足以导致另一个冰川期的开始。
假设我们同意权威人士对于冰川的估算数据，即冰山达到它可以达到的最大体积时，含水量约为海水的5%。
鉴于永久存在于冰块中的碳酸盐非常少量，海洋在损失掉结冰的水之后，剩下的水中所含碳酸盐就明显超标了。
于是它们会释放二氧化碳，从而使得大气中的二氧化碳量升高。
之后大气-海洋系统在大约几万年之后再次达到了平衡，即图中的“N”点。
这一点代表的是海洋的体积为目前的95%时的平衡状态，大气中的二氧化碳分压为2.5x10-4个大气压。
但是当二氧化碳分压到达这个值的时候，地球表面的平均温度会达到现在的水平。
这个温度太高，以致于冰川会开始融化。
这个过程大概需要几千年，并使得海洋最终回到最初的体积。
如此一来相对海水体积的增长，水中的碳酸盐便不够了；
大气-海洋系统的平衡不复存在。
海洋会从大气中吸收二氧化碳，直到经过几万年之后再次取得平衡，即图中的“G”点。
这个循环会持续下去，但是整个海洋-大气系统的二氧化碳总量会一直保持在1.23x1014吨。
一个完整的循环所需的时间与海洋的循环速率有关，估计大约为5万年，或者更久。
气候就这样从冰川期到间冰期持续的波动，直到二氧化碳总量因某个因素改变而升高，从而打破平衡
升级会员 