作者:橡树村

前面说了,现在大气中的二氧化碳浓度,基本上是65万年以来的最高值,超出了65万年以来的波动范围。要是说太久远的数据精度还不够,那么两万年以来,目前大气中的二氧化碳浓度的确是最高值。使用1750年作为人类工业化的起点,工业化前的大气二氧化碳浓度是280ppm,2005年,这个数值达到了 379ppm,增加了100个ppm。这意味着什么呢?AR4技术摘要WG1 TS2.1.1里面的描述是:

自工业化时期以来,大气CO2增加所产生的辐射强迫为+1.66±0.17Wm–2,其贡献显著大于本报告考虑的所有其它辐射强迫因子。在1995至2005年间,大气CO2增长导致其辐射强迫增加了20%。{2.3, 6.4, 6.5}

这个辐射强迫是什么东西?

地球的能量收支,都是以辐射的形式来进行的。热的传递有三种方式,传导,对流,辐射。对于地球这个天体来讲,能量的来源是太阳。太阳与地球没有直接接触,两个天体之间也是真空,既不能传导,也不能对流,也只有辐射这一个方式来进行能量传递。地球对外也要散发能量,同样是因为地球周围的真空存在,既不能传导也不能对流,也只有辐射的形式把能量散发出去。实际上天体之间进行能量传递,也只有辐射这个方法是可行的。辐射强迫里面的这个辐射,实际上说的就是地球的能量吸收和散发的方式。

地球的能量是大致平衡的。也就是说,地球从太阳得到了多少能量,也基本上需要释放出去多少能量。不过实际情况要复杂一些。地球不是一个均匀的物体,地球外面有一圈大气,大气还分了层。最靠近地球表面的是对流层,10-20公里厚,不同地区不同季节厚度有变化。人就居住在这个对流层里面,绝大多数的活动也都发生在对流层里面。之所以叫对流层,是因为地表把最底层的大气加热,热空气受热以后上升,然后有冷空气下降补充缺失的空气,形成对流。大气中的绝大多数水蒸气都在这个对流层里面,水给大气增加了很多乐趣,什么云雾雪雨,都是水在不同条件下的形态,自然也增加了大气行为的复杂性,这样才有了风雨雷电等等各式各样的气候变化。气象学研究的主要对象就在这个对流层。对流层外面是平流层,距离地面10-公里以上。在平流层,低于30公里的高空气温变化不明显,保持在零下55摄氏度,所以也叫做同温层,再向外,是中间层、暖层、散逸层。因为影响具体气候的主要在对流层,而能量对于气候变化影响巨大,所以对流层与平流层的交界的地方的能量平衡,就成了研究的对象。描述对流层顶层(实际上说的是对流层和平流层的交界)的能量偏离稳定状态的指标,就是这个辐射强迫。


大气也是分层的

简单的来说,这个辐射强迫,就是对这个对流层顶的能量进出净值的定量描述。来往于这个层面的能量还是挺热闹的,外来的,是太阳的直接辐射,向外的,有地表直接向外的辐射,有大气向外的辐射。而影响这些辐射变化的因素又有很多,比如太阳黑子,比如火山爆发,比如温室气体,都对这个层面往来的能量有影响。这些具体因素对这个层面的辐射的影响,又可以单独分析,最终汇合成整体的这个层面上能量的变化。所谓的二氧化碳的辐射强迫,就是因为二氧化碳在大气中的变化,而导致的辐射能量的变化。为了描述方便,方向指向地面的辐射被定义为正值,也就是说太阳辐射如果增强,那么这个辐射强迫就是正值,而太阳的辐射如果减弱,那么这个辐射强迫就是负值。相对于一个稳定的状态,如果综合的辐射强迫成了正值,那么留在对流层内部的能量就要增多,如果综合的辐射强迫成了负值,那么留在对流层内部的能量就要减少。留在对流层内部的能量,与地表的温度有一定的关系,所以这个辐射强迫就与地球的温度有关系。这个概念,在研究气候变化的时候是非常重要的。研究各个因素对气候变化的影响,主要的研究对象就是这个辐射强迫。IPCC给出的描述是辐射强迫是由于气候变化外部驱动因子的变化造成的对流层顶净辐射照度发生的变化。既然是变化值,就需要有参考值。IPCC使用的参考值,是1750年的状态,并且在处理的时候,一般都是在指年平均的数值。 IPCC研究的辐射强迫,既包括大自然自1750年以来的变化导致的辐射强迫,也包括人类行为自1750年以来导致的辐射强迫,并对这两者进行比较,来判断哪一个是辐射强迫变化的主要原因。辐射强迫的单位是瓦每平方米,这个面积单位,指的是对流层顶的面积。

那么二氧化碳为什么会导致辐射强迫呢?因为大气中的二氧化碳会影响地球对外的辐射。这个作用,就是著名的温室效应。介绍温室效应先要详细描述一下地球的能量收支情况。前面讲了,地球从太阳以辐射的形式接收能量,自己也以辐射的形式向外散发能量。太阳辐射的能量,按照AR4引用的文献,在白天,到达大气顶层表面,平均是每平方米1367瓦特。这要扣除黑夜,以及角度问题,平摊到整个大气的顶层,要除以4,结果就是每平米342瓦。这每平米342瓦里面,有一部分被大气中的云层、气溶胶,以及大气本身反射,这个数值大约是每平方米77瓦。地表的水面、冰面、雪面、沙漠等平均下来也要反射每平米30瓦,总共反射了107瓦。反射掉的总共有大约30%。大气本身也可以直接吸收一部分,数值是每平米67瓦。余下的每平米168瓦被地表吸收。简单的说,地表吸收了太阳辐射的将近50%的能量。太阳辐射基本上在可见光谱波段,也叫做短波辐射,对于这个波段的辐射,大气的组分变化对于大气的反射和吸收的影响都很小。能够对这个波段的辐射产生较大影响的,有太阳辐射本身的变化、云层以及气溶胶的变化,这三者也就有自己的辐射强迫,以后会专门讲。地球向外的辐射是长波辐射,或者说热红外辐射。平均下来,地球从太阳接收的能量,应该等于地球向外辐射的能量。因为地球向外的辐射与地表的温度有关,就可以计算要实现这个能量平衡,地表温度应该是多少。这个温度,只与太阳的表面温度,太阳的半径,地球和太阳之间的距离,以及地球的反照率有关。按照前面描述的数值,可以计算地表的有效温度,应该是零下19摄氏度。


地球的能量收支平衡。细节以后说明

但是实际上,地球表面的平均温度是14摄氏度,比零下19摄氏度高了33摄氏度,造成这个差距的,就是温室效应。地表向外辐射的红外线,可以被大气中的一些组分吸收。实际上地表向外绝大多数的热红外辐射都被大气的这些气体吸收了。这些能量被大气吸收了之后,再向周围散发。这个散发就不仅仅是对外的了,可以是各个方向的。向外的一部分,最终散发出了对流层,完成地球的对外辐射和整体能量平衡,而其他方向的,就有一部分被反射回到了地面,增强了对地表的绝对辐射。这就等于是把热量留在了对流层和地表,从而加热地表和底层大气,造成底层大气和地表温度升高。这个效应就叫做温室效应。而当大气中具有温室效应的物质增多以后,大气就会吸收更多的地表放射的辐射,从而把更多的辐射反向回馈到地表或者保留在底层大气,从而加热地表和底层大气,这就叫增强的温室效应。当然要确定地表和底层大气的能量是否增加,不能只看温室效应一个因素,还需要考虑太阳辐射的变化、云层和气溶胶反射的变化,以及其他各种会影响地表能量平衡的所有变化,才能得到变化后影响的净值。这个复杂的模型我们以后再谈。对于单一的具有温室效应的物质来讲,其浓度的变化,对于这个地表低层大气体系的影响,就可以使用这个辐射强迫来描述,来看这种物质单独的影响。

对于二氧化碳来讲,其浓度的变化导致的辐射强迫,是可以计算的。这个计算还是挺麻烦的,要通过对光谱特征的仔细分析,一点一点地来计算其对红外辐射的吸收能力,也有的科学家使用其他方法估算。这方面的研究也一直有发展。IPCC的第一次报告FAR里面使用的计算方法,后来被发现比实际值偏高,所以在第三次报告TAR里面有所修正,AR4仍然使用了TAR的计算方法。AR4的报告到了总结阶段,2006年,有了一篇对光谱的详细分析文章计算这个辐射强迫,与 AR4使用的数值差距在10%误差以内,满足90%置信水平的要求,所以AR4对这个计算方法并没有修正。后来又有文献说辐射强迫综合值有可能会有20% 的误差,这些也只能等到第五次报告AR5里面才有体现了。

IPCC的AR4给出的结果是,自工业化以来,大气中二氧化碳浓度的变化导致的辐射强迫是1.66+-0.17W/m2。扣除掉反射,太阳提供给地球的能量也就是235W/m2,二氧化碳浓度增高一项就导致了相当于太阳净辐射0.7%的能量变化,还是很可观的。

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