這個夏天的確熱得不一般 |人類活動導致的氣候變化:為什麼我們需要嚴肅地對待
「燒烤模式席捲北半球」「地球在燃燒」……連日來,從東亞到歐洲,北半球多地「高燒」難退。在中國,華北、東北等多地持續高溫或桑拿天,中央氣象台已連續多日發布高溫黃色預警。世界多地更是創下有氣象觀測以來的最高溫度紀錄,歐洲許多地方則正經歷高溫和乾旱的雙重夾擊。衛星實拍圖片顯示地貌由綠變黃,森林大火蔓延多地,冰雪融化導致山峰高度排名變化,北極圈內有的地方氣溫高達30多攝氏度……種種跡象顯示,這個夏天的確熱得不一般。
背後的原因是什麼呢?除了大氣環流等複雜的氣象因素,輿論普遍的看法是,全球氣候變暖是極端高溫天氣事件頻發的大背景。
毫無疑問,現如今大氣中很多關鍵組分,也就是所謂改變氣候可能性的溫室氣體,其濃度比過去80 萬年甚至更長時間範圍內的任何時候都要高。可以完全肯定,近年來各種形式的人類活動是造成這些溫室氣體濃度升高的主要原因。這種升高始於幾百年前,如不加抑制,將很有可能延續到長遠的未來。這就警示我們需要慎重對待人為因素導致的氣候變化問題。但正如我們所預見的,這一問題可能比我們想像的還要複雜。
大氣溫室氣體含量的變化
目前大氣中溫室氣體含量比過去至少80 萬年任何時間都要高。我們是如何得知這個結果,以及怎樣確定是人類活動導致了過去幾百年溫室氣體含量迅速增長的呢?對極地冰川中捕獲的氣體進行測定,為大氣組成的長期變化提供了珍貴記錄。
圖1 展示了
CO2、CH4和N2O
的觀測結果。圖中下方兩條曲線展示了全球氣候變化的相應替代數據。在該圖的記錄時間範圍內,CO
2 濃度的波動範圍是180 ppm到290 ppm,CH
4濃度在400 ppb 到700 ppb 之間變化,N2O
濃度在200 ppb到280 ppb 之間波動(
N2O
的數據相對不完整)。這三種氣體的濃度在冰期明顯較低,在相對溫暖時期較高,但都遠低於現在空氣中的含量(
CO
2 約為400 ppm,
CH
4 約為1850 ppb,N
2O
約為320 ppb)。圖2 更明確地強調了今昔對比情況,該圖總結了自上一個冰期以來的2 萬年發生的變化。圖2右側展示了過去幾百年內幾乎呈垂直增長的濃度曲線。圖1 溫室氣體
CO2、CH4和N2O
濃度變化(IPCC,2007)
圖2(a)~(c)展示了根據觀測的氣體組分變化數據,分別估計的輻射強迫[由政府間氣候變化專門委員會(IPCC)命名]變化情況(右側縱軸)。如果根據圖中溫室氣體濃度變化的觀測數據能夠合理估計出地球能量凈輸入的變化,將具有重要意義。為了說明輻射強迫每年隨時間的變化情況,圖2(d)展示了輻射強迫的變化率,該數據是基於圖2(a)~(c)中三種氣體對輻射強迫貢獻總和的時間變化率計算得到的。據Hansen 等(2011)估算,自現代工業時代以來數百年內溫室氣體濃度迅速增長,到2003 年有效凈輻射強迫值約達3 W/m
2
。
圖2
CO
2(a),CH
4(b)和N2O
(c)的濃度和對過去2 萬年輻射強迫的貢獻;(d)為輻射強迫的變化率(IPCC,2007)
如圖3 所示,Hansen 等(2011)估算了過去50 年內,溫室氣體濃度變化導致輻射強迫同比(與往年同期相比)變化的情況。值得注意的是,1960~1990 年間,輻射強迫值逐年迅速增加,但從1992 年起,增速開始下降,1992~1998 年輻射強迫值僅有小幅回升,在過去10 年內達到相對穩定的水平。20 世紀80 年代末和90 年代初,輻射強迫值短期內出現下滑的原因是CO2、CH4和氯氟烴(CFCs)濃度增長率緩慢降低。由於1987 年保護平流層臭氧的《蒙特利爾議定書》順利執行,CFCs 濃度增長率有所下降。目前輻射強迫每年增加約0.04 W/m2,如果保持這個增長速度不變(近幾十年皆如此),10 年後,全球地表平均溫度將升高約0.3℃[如前所述,假定氣候敏感度為0.75℃/(W/m2)]。因為海洋與部分陸地的熱慣性,相當一部分升溫會滯後發生。正如我們所預見的,早期階段輻射強迫值(3 W/m2)的持續增加,是全球地表平均溫度升高,以及額外的熱量在海洋累積的原因。
圖3 過去50 年來與溫室氣體相關的輻射強迫的年度變化( Hansen et al., 2013)
近些年溫室氣體濃度發生巨大變化,主要原因歸結為人類活動,對這個觀點是否有疑問?過去幾百年內觀測到的變化,有多大機會是80 萬年一遇的異常自然現象?毫無疑問,答案是否定的。事實上,我們至少了解了近期這些變化的原因。
部分是由於我們對作為一次能源的化石能源的依賴程度不斷增強,部分是因為全球人口數量有史以來首次突破70 億,由此帶來巨大的能源和技術需求壓力。
與煤炭、石油和天然氣燃燒相關的污染物排放增加是導致CO2 含量升高的主要因素。1995~2007 年間,傳統化石燃料燃燒導致大氣中CO2 含量上升了893 億噸(地球上人均排放接近13 噸),其中29%轉移到海洋,15%由生物圈吸收,57%保留在大氣層(Huang and McElroy, 2012)。可以預想到,如果全球能源政策沒有重大改變,當今加速排放的趨勢會延續至可預測的未來。與工業化前的水平相比,接下來幾十年內,預計CO2 濃度將會增長多達兩倍(將超過560 ppm)。
在厭氧條件下(氧氣濃度很低),通過有機物獲取營養的微生物在代謝過程中會產生甲烷。富含有機物的沼澤是甲烷的重要自然來源(事實上甲烷也被稱為沼氣)。水稻田的環境和天然沼澤類似,因此也與甲烷的產生有關。家養牲畜以及
使用化石燃料也會產生甲烷。這種情況下,甲烷主要產生於化石燃料的提取和燃燒過程(尤其是煤和天然氣),石油工業氣體燃燒不完全,以及氣體輸配系統的意外泄漏。目前,大量有機碳存儲於高緯度地區凍土中。人們擔心,未來全球氣候變暖會使凍土中的冰層融化,因此凍土可能將成為CH
4(以及CO
2)的主要排放源,從而進一步加速變暖。鑒於CH
4潛在來源的複雜性,同時它有可能成為氣候變化的重要反饋,以及未來從大氣中去除CH
4
效果的不確定性,因此很難預測未來大氣CH
4的變化趨勢。
預測N2O 的未來變化也同樣極具挑戰性。毫無疑問,氮元素的微生物代謝過程是N2O 這種溫室氣體的主要來源。近年來N2O 濃度上升極有可能與氮肥大量施用,以及含氮廢物排放量增加有關。這些含氮廢物的產生不僅和全球人口數量日益增加有關,也和我們飼養的雞、牛、羊以及其他動物數量的增加有關,這些動物可以滿足我們對高級蛋白質和奶製品日益增長的需求。為提高食用作物產量,通常會向土壤中施加混合氮肥,這也是N2O 的一個重要來源。鑒於全球氮生物介質循環的複雜性,在目前和可預測的未來,是否能夠合理控制導致N2O 濃度上升的因素,我們對此持懷疑態度。正因如此,本書中我選擇聚焦於與化石燃料使用直接相關的溫室氣體,以及可以通過激勵政策降低其排放的溫室氣體,尤其是CO2 和CH4。
全球地表溫度升高
圖4 在過去130 年(1880~2010 年)觀測到的全球平均地表溫度變化。淺色線條表示不確定。
資料來源:http://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs_v3/
圖4 展示了1880~2010 年這130 年內全球平均地表溫度觀測值的變化情況。圖中數據顯示了自1880 年以來發生的變化,其參照值是1951~1980 年觀測的平均溫度值(即圖中的零參照水平)。1880~1920 年左右,溫度相對恆定。1890~1945 年增長了約0.5℃,1945~1975 年溫度水平較為平穩,甚至有所下降,之後上升了約0.6℃。毫無疑問,地球目前的溫度,至少是地表溫度,要比過去130年內的任何時候都要高。在整個記錄期內,溫度上升了約1.0℃,其中約70%的增長發生在過去40 年內。
能源與氣候: 前景展望
(美)M. B. 麥克爾羅伊(Michael B. McElroy)著;
魯璽,王書肖,郝吉明譯
北京:科學出版社,2018.06
責任編輯:楊震 劉冉 寧倩
ISBN 9787030569745
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全球氣候正在以一種前所未有的速度變化著,地球能源的收支平衡被打破,由於日益嚴重的溫室效應,地球從太陽所獲得的能量超過了返還太空的能量。海洋所含的熱量在增加,地球表層和大氣層的溫度在升高,中緯度的冰川在融化,海平面持續上升,北冰洋的冰蓋正在消失,這些說法都不是理論推斷而是基本事實。《
能源與氣候: 前景展望
》緊跟氣候變化科學研究前沿,引領廣大讀者一起探討當前全球面臨的能源與氣候變化問題,論述高屋建瓴,深入淺出。在全面探討化石能源(煤、石油、天然氣)的開發與使用對環境與氣候變化影響的基礎上,著重闡述未來多種低碳能源(核能、風能、太陽能、水能、地熱和生物能)的前景與面臨的挑戰。此外,還特別比較了中、美兩個能源大國的能源體系,闡明了兩國在應對全球氣候變化的挑戰中的關鍵地位。最後,為全球能源系統提出了持續、低碳的未來發展路徑,為我們重新審視中國的能源戰略和發展模式提供借鑒。相關閱讀:
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