全球气候变暖问题的科学背景和自然因素

全球气候变暖问题的科学背景和自然因素

0气候变化的科学研究气候变化不仅仅是一个学科问题，也是人们越来越关注的主要社会问题。人们对气候变化的认识也经历了一个由静态到动态、由稳定到突变的过程。在20世纪70年代以前,气象科学家曾认为用30年的气候平均就可描述气候特征,气候被看作是一个静态、大体稳定的孤立系统。70年代提出的气候系统的概念,打破了这种形而上的观点,在各个不同时间尺度上都存在气候变化的观点逐步得到了学术界的普遍认同。80年代提出了地球系统的新思想,开创了人们以地球的整体性和动态变化性来认识地球系统的新视觉,其中气候变化成为研究全球各圈层变化的主要焦点之一。90年代以后,人们认识到气候具有突变性,而且关于气候突变发生的时间尺度已经由千年缩小到10年之内。2003年10月美国国防部发布的“气候突变的进程和对美国国家安全的影响”报告及灾难大片《末日浩劫》所描述的气候突变所引发的可能灾难景象,已经引起了整个社会对气候变化的高度关注。正因为如此,全球气候变化研究已经渗透到了十分广泛的科学领域,而且从事该领域研究的科学家也纷涌而至,国际社会也对该领域的研究进展给予了高度的关注。应该说与几十年前相比,人们对全球气候变化的认识有了飞速的发展。但这并不意味着我们已经彻底弄清了全球气候变化的科学奥秘。实事求是地讲,我们今天距离彻底揭示全球气候变化这一科学问题还有相当漫长的道路要走,有许多重大疑问仍然困扰着我们。譬如,全球气候变化究竟发生在怎样的时间尺度?它变化的原因是什么?以及怎样理解全球气候变暖等一系列科学问题。对很多科学问题的认识还众说纷纭,并没有形成十分统一的观点;在全球气候变化领域,需要努力探索和研究的问题还很多。1新生代气候变冷变化对冷却系统的响应Lyell于1830年分析英国石碳层的煤沉积后,发现现代沉积物完全不同于古代,提出现代的气候同过去是完全不同的,他认为这是由于海陆在赤道和极地的不同面积而造成的。随着对山地冰川和大陆冰盖进退的认识,人们意识到地球在近千万年间存在逐渐变冷的趋势。不过直到南极古生代晚期冰川的发现,才使地球这种逐渐变冷的概念开始引起人们的注意。然而,在直到20世纪后半期前,这种地球变冷的概念仍处在定性的阶段,并没有被大多数科学家所接受。其后由于基于深海浮游有孔虫氧同位素比率被用来估计高纬度海洋表层水的温度,定量的方法才开始被采用,并发展成为标准的参考指标,其他的指标如古植物化石也被用来恢复古温度,并取得了成功。至此,气候变化尤其是对新生代以来气候变冷的研究才有了比较大的突破。到90年代以后,Heinrich事件的发现,特别是在冰芯中发现了具有千年尺度的气候波动(称为D—O循环)以及包括Heinrich事件在内的Bond旋回,人们开始认识到气候系统存在不稳定性,打破了人们习惯于气候变化需要上千年以上的时间尺度这一传统观念,气候变化具有突变性的观念也开始被广泛接受,关于气候突变发生的时间尺度已经由千年缩小到10年之内。新生代包括第三纪和第四纪,历时65Ma,在此期间,环境呈现变冷变干的趋势,被称为新生代衰落。新生代衰落导致了约2.4Ma以来的第四纪冰期的出现,强烈的新构造运动使陆地表面形态产生巨大的起伏变化,全球气候变化发生了以冰期与间冰期交替出现为特征的频繁、迅速的变化,从天文因素解释第四纪冰期—间冰期的米兰科维奇假说因得到深海沉积、黄土、冰芯[18,19,20,21,22,23,24,25,26,27]等地质证据的支持而成为被广泛接受的理论。米兰科维奇认为偏心率、黄赤交角和岁差的周期变化改变着地表的日照量,从而导致地球接受太阳辐射的季节和地区分布发生变化,夏半年日照量的减少是冰期形成的主要因素。其假说较好地解释了北半球冰盖的大规模进退,认为地球轨道周期的变化是形成第四纪冰期—间冰期更替的主要原因。尽管此假说被人们普遍接受,但仍有诸多同它密切关联的重大科学问题无法得到合理的解释。如首先它不能解释南、北半球同时变冷的事实;其次不能合理解释冰期建立的机制;第三,由地球轨道参数变化计算的气候变化幅度偏小;同时,也无法解释在2.4Ma以前,19ka和23ka的岁差周期占主导地位;而在2.4~0.8Ma期间,41ka的黄赤交角周期占主导地位;而0.8Ma以来,却是100ka的偏心率周期最为显著。因此,大批科学家仍然在执着地寻求气候变化的真正原因,使得晚新生代以来气候变化原因的研究成为目前全球变化研究中最受注目的科学问题之一。2不同时间尺度的划分由于新生代历时约65Ma,因此必须首先给出气候变化的恰当时间尺度才有可能探讨其气候变化的真正原因。在古气候研究中常用构造尺度(百万年以上)、轨道尺度(万年—百万年)、亚轨道尺度(10年—万年)3种时间尺度进行简单的划分,如果结合现代气候,还会划分出更多的气候变化的时间尺度。而实际上各种假说都试图解释不同尺度上的气候变化事件,因此在不同程度上就必然涉及到了各种时间尺度,但我们划分的原则是根据假说依据资料的时间尺度或假说最流行的解释所在的时间尺度进行简单归类,如ENSO常被用来反映短期的气候变化特征,但古气候学家又提出了超级ENSO的概念,将时间尺度大大延长,很难进行绝对的划分,但为了叙述的方便我们仍将其归纳到短期气候变化的时间尺度内。所以,在本文中我们所划分的时间尺度是相对的,并且还会不可避免地使有些假说的内容出现在不同的时间尺度内。同时,因为各种假说相互交叉,在介绍一种假说时就不可避免地将密切相关的其他假说连带出来,以便尽可能的反映最新的理论进展。3系统的变化目前,关于气候变化原因的学说及其分支估计有上百个,Hay等将这些假说归类为11种。如果再结合其它研究的成果,我们大致可以归纳出全球气候变化的16种原因,它们包括:①太阳辐射的变化;②宇宙沙尘浓度的变化;③地球轨道的变化;④大陆漂移;⑤山地隆升对大气环流和环境的影响;⑥洋流的改变;⑦海冰的变化;⑧大气温室气体的变化;⑨大气气溶胶浓度的变化;⑩极地同温层云量的变化;(11)极地植被的变化;(12)同大陆沙尘气溶胶相联系的“铁假说”;(13)大陆C3植物向C4植物的转化;(14)天体撞击;(15)火山爆发;(16)地核环流作用等。这些假说一方面使我们眼花缭乱,但另一方面也可见这一科学命题的复杂性,它成为目前全球变化研究中最受关注的科学难题并不是偶然的。3.1气候变化的区域差异目前,关于构造时间尺度气候变化的原因,大多数科学家倾向于海陆的构造运动,包括板块的漂移、海道的开启与闭合及山地的隆升[28,30,31,32,33,34],它对气候的影响具有不可逆性,决定着地球系统的气候格局。在整个新生代期间,气候一直趋向于变冷,并可识别出一系列快速的降温事件,而这些降温均与现代海陆演化的发展阶段相联系,图1给出了气候变化及事件与大的构造运动的关系图,表明地球的构造运动可能是造成这种超长时间尺度气候变化的原始驱动力。整个新生代以来,主要的地球构造运动事件有:①在约50MaBP之后的始新世,在南大洋中的杜累克海峡开启,澳大利亚从南极洲分离,绕南极的环流出现,阻碍了赤道与极地的热量交换,南极开始出现冰盖;②在38MaBP前后的始新世末期,杜累克海峡进一步张开,加强了绕南极的环流,南极冰盖已达到目前的70%,被称为早渐新世冰盖增大事件;③在2.5MaBP前后即第四纪的初期,它恰好对应北半球大陆冰盖开始发展的时期,有科学家认为是南北美洲之间的通道在此时关闭,导致墨西哥湾暖流增强,给北极地区带去了更多的降雪;④在新生代,全球降温与天体撞击有相当密切的关系,在65、34、15、2.4、1.0和0.7MaBP分别发生的6次重大天体撞击产生的“核冬天”可能对全球气候变冷起到了诱发作用;⑤Ruddiman等力主青藏高原等新生代隆起地区对全球气候变冷可能做出了决定性的贡献,其依据不是山地隆升导致大气环流的改变,而是基于山地隆升—CO2减少—气候变冷的机制。France等认为山地隆升导致有机碳的埋藏,较硅酸盐、基岩风化更能除去大气中的CO2,有研究表明青藏高原隆升的三大阶段与新生代3次突发性变冷有不同程度的联系,山地隆升导致晚新生代以来气候变冷的学说被科学界广泛接受。因此,从80年代末以来,山地隆升和温室气体被认为是晚新生代以来气候变化最主要的2个因素。不过,有时候地球构造运动不是孤立地对气候变化起作用,而是与其它过程迭加在一起来影响气候变化。如第四纪的初期北半球大陆冰盖的发展,不仅只是南北美洲之间的通道在此时关闭的原因。Barron等认为它可能还隐含了更多因素的作用。同时,绕极环流的增强同冰盖增加相联系的解释没有能够得到GCM数值模拟实验的充分支持。同时,有科学家认为,宇宙电磁场的扰动到达高层大气后,通过“变压器效应”激发地核环流,导致地球磁场的反转,进而控制造山运动的强弱,使大气的热机效率增强和减弱,从而决定全球气候的冷和暖。并认为它不但可解释22亿年以来地球的7次大冰期,而且同样适用于新生代的气候变冷。不过,此假说仍然缺乏关键的证据。3.2“温盐环流”轨道尺度气候变化是叠加在构造尺度上的一种幅度相对较小的气候波动,因而表现出明显的准周期;关于轨道尺度气候变化的原因有许多观点:首先,影响最大的当属于米兰科维奇假说,他认为太阳辐射的变化驱动了100、41和23ka的地球轨道周期,从而引起全球气候的变化,它比较成功地解释了北半球冰盖的进退机制,但被认为主要局限于上新世及第四纪的北半球。其次,最近有一种比较盛行的观点认为,行星间宇宙沙尘的100ka周期很可能控制了第四纪冰期—间冰期的更替。第三,温室气体特别是CO2目前被认为是气候变化的主要原因,此观点于19世纪末期被Chamberlin所提出。20世纪80年代提取的南极Vostok冰芯中的CO2曲线同温度曲线高度的一致性,为这一假说提供了证据,降低的大气CO2浓度被认为是导致晚新生代以来气候变冷最成功的假说。Raymo对Chamberlin的新假说做了仔细的研究,认为海床扩张率的增强加速了火山爆发和山地隆升,大量新鲜的硅酸盐和基岩被暴露风化,从而吸收大气中的CO2转变成为碳酸盐,进而使大气中的CO2减少,导致了冰期的来临。第四,在轨道尺度上解释气候变化原因的另外一个目前非常流行的假说就是“温盐环流”,美国2004年推出的最新的气候灾难大片《末日浩劫》中关于气候突变的理论基本上就是基于此假说。此假说于20世纪90年代被提出,其原理是由于在不同地区因降水和温度的不同,所以导致海水密度分布不均匀形成的热力学海流,而海水的密度主要由温度和盐度决定,所以这种由温度和密度梯度驱动的深层洋流,被称为“温盐环流”。全球大洋中有90%的水体受温盐环流影响,是全球大气—海洋能量交换的主要方式,极地地区因辐射冷却等因素而形成寒冷、高盐、高密度的海水强烈下沉,形成底层和深层流。北大西洋高盐度的深层流向南绕过非洲南端,除部分北流到印度洋外,其余向东流入太平洋,受温暖和淡水的稀释作用,海水密度降低并上升到海表面,然后在上层向西运动返回到大西洋,从而构成了一个跨越各大洋的海洋“传送带”。研究认为该传送带向高纬地区输送的热量远超过地球轨道要素引起的日照率变化所产生的影响,是影响高纬地区冰盖生消的重要原因,进而提出了大洋环流—气候模式来解释第四纪冰期—间冰期的转换机制。“温盐环流”假说同冰盖假说在目前有进一步融合的趋势,并同CO2上升引起全球变暖紧密联系在一起。研究认为北极冰盖的生消和北极地区河流的改道,导致进入大西洋淡水产生变化,从而影响北大西洋海水的密度,进而加强或削弱大洋传输带的强弱,对全球气候产生影响。然而,轨道尺度上气候变化的原因还有许多令人费解的地方。如长序列的CO2曲线目前仍没有得到,而一般认为它的变化同深海有孔虫氧同位素一样,但已有的几个CO2代用指标如δ13C、δ13B所反映的CO2曲线并没有同深海有孔虫氧同位素趋势一样,Veizer等甚至认为同深海有孔虫氧同位素曲线所反映的温度几乎没有相关关系。但有些科学家认为在海洋中不可能得到大气中真实的CO2曲线。同时,目前能够监测的、短期的CO2浓度尽管与观测的温度吻合的非常好,但大气CO2浓度与气候的关系因最近温度上升的幅度远低于科学家根据CO2浓度上升所预测的温度值而受到挑战,这些因素使CO2—气候的机制也面临一定困惑。因此,能够得到公认的、真正反映CO2变化的、高精度的整个新生代超长序列CO2曲线的获得是平息这场争端中的焦点科学问题。最近南极近74万年高分辨率冰芯资料的获得,较原来的Vostok冰芯长近1倍,其所包含的大气CO2浓度曲线的解译,将为我们了解气候变化的原因及检验CO2假说提供更有效的资料序列。3.3太阳辐射与气候变化亚轨道时间尺度上的气候变化既包括了几十年到万年的长周期变化。在20世纪90年代以前,认为气候在此时间尺度内基本保持稳定,但Heinrich事件的发现,特别是在冰芯中发现了具有千年尺度的气候波动(称为D—O循环)以及包括Heinrich事件在内的Bond旋回,人们开始认识到气候系统存在不稳定性,打破了人们习惯于气候变化需要上千年以上时间尺度这一传统观念,气候变化具有突变性的观念也开始被广泛接受,关于气候突变发生的时间尺度已经由千年缩小到10年之内,如在11kaBP前后的新仙女木事件,温度在数百年内下降了6℃,而全新世暖期的降温事件(82kaBP)中,气温在几年内就骤降了8℃。这些亚轨道尺度气候快速变化的成因机制目前仍不清楚,但现行占据主导地位的仍是大西洋温盐环流的解释。最近又出现了几个新的观点:第一,认为产生ENSO的赤道地区海洋和大气体系才是气候突变的触发、放大和快速传播的主要地区。因为热带地区是全球接受能量最多的地区。此假说认为在一定的轨道条件下,与ENSO有关的赤道附近地区海温变化可以产生骤然的气候突变,并直接影响海水的温度和盐度,而且这种影响可能会持续几个世纪,形成所谓的超级ENSO。第二,认为这种气候变化来自太阳变化的声音也不容忽视,如Friis等研究了近百年来太阳黑子周期长度(SCL)与全球温度的关系,发现它们有非常好的相关性,许靖华认为如此高的相关性证明气候与太阳活动之间的关系不可能是假的。汤懋苍在此基础上对中国气候的最新研究指出:SCL的长短是制约中国年代(101)和世纪(102)气候变化的最基本的因素之一。钟巍等通过研究发现4ka来气候变化周期,与太阳活动周期有很好的一致性,并且这种一致性存在于全球各地大量的气候变化记录中。这些研究表明:形成全球不同地区气候变化具有相同或相似周期的根本原因,可能在于太阳辐射变化的驱动;换言之,太阳辐射是形成全球数十至百年尺度气候变化的重要驱动力。器测资料、历史时期的各种气候代用指标的研究早已显示,太阳辐射与气候具有相同或相近的短周期变化,如11年的“Schwabe周期”、22年的“Hale周期”以及90年的周期。但不少科学家仍然对太阳活动对于地球气候变化的影响存在怀疑,其主要原因是地球接受到的太阳总辐射量(太阳常数)的微小变化可能很难对全球气候产生重大影响。同时,过去数十年间,虽然已有非常多的证据表明气候变化与太阳活动之间存在密切的联系,但其影响气候的机理仍没有得到很好的解释。不过,最新的研究发现宇宙射线不但会增强太阳活动的强度,进而使太阳风加强,而且导致大气中云的形成,使到达地球的太阳总辐射量减少,引起地球降温,目前这个观点的证据仅仅适用于短期气候变化,但它从新的角度诠释了太阳活动对气候的影响,使太阳辐射的假说得以复活。无论如何,太阳直接驱动了地球表面的各种过程,是气候变化最大的外在因素。我们如今对太阳内部变化的机制仍然知之甚少,同时也需要大量不同地区、具有较高分辨率和较长时间尺度的气候变化记录,以进一步验证和解释其中的关系。第三,目前流行的“铁假说”也因1993年在赤道海洋及1999年在南极进行的“南极南海铁投放实验”(SOIREE)引起海洋浮游生物大发展而变得格外引人注目。海洋中浮游生物的增加可消耗大量的碳,并通过“生物泵”作用沉积到海底,从而使大气中的CO2浓度降低,引起亚轨道时间尺度上的全球气候变冷,而海洋中的铁物质供应则来自各大陆的沙尘。南极Vostok冰芯中400ka的沙尘通量与CO2浓度和温度呈非常显著的负相关,在一定程度上证明了这一假说。同时,有证据进一步证明来自大陆的沙尘与全球气候变冷有非常密切的关系。Ridgwell进一步认为沙尘气溶胶不仅仅只是扮演了在空中削弱太阳辐射从而降低大气温度的角色,而很可能通过海洋的“生物泵”作用,有效地降低了大气中的CO2浓度,从而起着抑制全球变暖的作用。4人类活动和气候变化4.1对气候变化的认识上述所讲的都是同自然因素有关的假说,它反映了气候变化的自然驱动力。但目前全球的气候变化已经在其自然变化的基础上明显迭加了人类活动的贡献,特别是近100年来的全球气候变暖很可能是在自然变化趋冷的背景下由人类活动的显著影响而出现的反自然的变化趋势。气候变暖的主要原因,被普遍归结为人类过度向大气排放CO2及其他温室气体的增加。Thomas研究了近1ka的温度变化,认为在工业革命以前气候由太阳辐射和火山爆发等自然因子所控制,而工业革命以后,人类排放的温室气体是主要的原因。结合南极42万年的温度和CO2曲线来看,人类对现代的全球气候变化负有十分重要的责任。人类通过工业排放和土地利用/土地覆盖变化等改变全球地表反照率和生物地球化学循环过程,进而改变大气的成分和地表能量交换过程,最终对全球气候产生广泛而深刻的影响。图2清楚地表明现代气候变化已经明显超出了气候自然波动范围,而且与CO2密切相关。而最新的研究认为人类影响地球气候并非始自几十年前或几个世纪前工业革命兴起的时候,而是早在8ka前伴随着农业的诞生就开始了,威廉·拉迪曼认为,欧洲、印度和中国的早期农民砍伐森林是造成CO2增加的原因,与此同时,种植稻谷和驯养牲畜产生了大量的CH4,也在一定程度上增加了温室气体。人类活动引起的气候变化与自然变化的最大不同是它的变化趋势是非周期循环和单调发展的,其累积效应是不可低估的。4.2大力减少温室气体排放,减缓全球增温幅度地球生命已经经历了无数个气候冷暖交替变化的巨大考验,即使进入人类文明的几千年中也出现了几个显著的冷期和暖期,而且不少时候其变温幅度接近或超过了最近100年全球发生的0.4~0.8℃的变暖幅度,由此显著影响了人类社会的繁荣和衰退周期。人类是在经受痛苦甚至灾难和死亡的过程中被动地适应着过去的气候重大变化。目前的气候变暖是近100年气候变化的最显著特征,基本上已经公认它是由人类活动产生的以CO2为主要代表的温室气体的增加所引发的气候效应。虽然刚过去的100年已经发生的气候变暖幅度还没有超过历史的极值幅度,但已经引起了全社会的高度警觉。近100年的人类活动对气候变化较过去有了更大的影响,这大大改变了气候变化的规律,反自然的变化趋势十分明显,增加了气候变化的不确定性和人为性,增大了预测气候变化的难度。同时,人类活动的影响与自然因素有根本不同,它的可怕性在于它是非周期的、而且由于累积作用而不断地单调增加。如果CO2的排放不能得到有效控制,增温幅度不但不能够被减弱,而且还会被进一步迅速加强。根据气候模式的模拟,在CO2增加一倍的情况,未来100年增温幅度能够达到1.4~5.8℃(IPCC第三次评估报告,2001),这一预测的变暖趋