全球变暖灾难程序已启动
一系列反馈效应会使气候变化的速度大大增加，使气候系统逐渐失控。
撰文 约翰·A·加里 (John Carey)
翻译 曹智 白艳莹 闵庆文
过去十年来，科学家认为他们已经找到办法，使人类免受气候变化带来的最严重威胁。据说，将地球变暖的幅度控制在2℃之内，就可以避免海平面上升和极端干旱等灾难的发生。目前大气中CO2浓度为395 ppm，而工业化前为280 ppm。要让温度上升幅度控制在2℃之内，需要将大气中能够吸收热量的CO2含量限制在450 ppm以内。
现在看来，科学家们是错误的。全球最新数据显示，地球变化快得出人意料。北冰洋消融的海冰比预期更多;横跨阿拉斯加和西伯利亚的永久冻土带释放的强力温室气体CH4也比模型预测的更多;南极洲西部冰架垮塌的速度比预想更快;冰架后方大陆上的冰川滑入大海的速度也比以前更快;类似2012年夏天，席卷美国大部分地区的洪水和热浪之类的极端天气的出现频率也有上升的趋势。根据这些现象，可以得出什么结论?德国波茨坦大学的海洋物理学教授斯特凡·拉姆斯托夫(Stefan Rahmstorf)说：“作为科学家，我们还没有得出如果将气候变暖幅度控制在2℃之内，一切将会万事大吉的结论。”
可能会诱发全球气候变化加剧的因素是正反馈循环机制，科学家一直假定这种反馈已经开始。例如，海冰的减少导致反射的阳光减少，使更多海水变暖，而这又会使更多海冰融化;更严重的永久冻土层融化，会释放更多CO2和CH4到大气中，而这反过来又导致永久冻土层进一步融化……
对潜在的快速反馈机制的研究，使一些科学家变成了灾难预言家。这些专家说，即使各国立即认真对待降低温室气体排放问题，并将大气中CO2浓度保持在450 ppm的上限之下(虽然这种情况越来越不可能发生)，这些努力可能也会太小、太迟了。美国航空航天局戈达德空间研究所负责人詹姆斯·E·汉森(James E. Hansen)警告说，除非世界CO2水平锐减到350 ppm，“不然我们将会启动一个人类无法控制的程序。” 他说本世纪海平面的上升幅度可能高达5米，这将淹没从迈阿密到曼谷的沿海城市。同时，持续的高温和干旱可能带来大规模的饥荒。汉森补充说：“后果是不可想象的”。我们可能正处在快速驶向更暖世界的单向快车道上。
这是危言耸听吗?一些科学家是这么认为的。美国国家海洋和大气局的艾德·德卢克恩埃克(Ed Dlugokencky)对甲烷含量进行了评估，他说：“我认为，在短期内，灾难性的气候变化是不可能发生的。”美国科罗拉多大学博尔德分校的冰川学家W·泰德·普费弗(W·Tad Pfeffer)对全球融冰进行估算，并得出结论：本世纪海平面上升最大不到2米，而不是5米。然而，他与汉森同样具有紧迫感，因为即使很小的变化也会威胁到人类文明如果这个文明只对非常稳定的气候系统有认识的话。“公众和决策者应该明白，海平面即使只上升60～70厘米，后果就会有多么严重，”普费弗警告说，“这种日渐严重的灾害真的可以毁灭人类。”
虽然科学家对气候变化的速度意见不一致，但是这个特别的反馈循环机制如果真的具有放大气候变化的作用，那它将对地球的未来造成很大威胁。英国南安普敦大学的海洋和气候变化专家埃尔科·罗林(Eelco Rohling)教授说：“我们必须开始更多地考虑‘已知的未知领域’，和‘未知的未知领域’。”他解释说：“我们可能无法确切地知道所有的反馈机制，但过去的变化表明，它们确实存在。”等到研究人员能够控制未知的时候，可能为时已晚。这引起了新西兰惠灵顿维多利亚大学大气科学家、2007年政府间气候变化专门委员会(IPCC)核心人员马丁·曼宁(Martin Manning)的担忧，他说：“本世纪气候变化速度之快，使我们来不及了解它。”
从过去看未来
科学家越来越关注气候剧烈变化的一个很重要的原因是，他们对过去理解得更深刻了。20世纪80年代，科学家通过从冰芯记录中获取的信息，了解到地球已经多次经历突然和剧烈的温度波动时，都震惊了。迄今为止，科学家已经拥有了过去80万年的详细气候图片。汉森的最新分析结果显示，温度、CO2浓度和海平面之间具有显著的相关性：它们同增同减，变化曲线几乎完全重合，但这种相关性并不能证明是人类活动造成的温室气体排放引起了气候变暖。然而，哈佛大学的杰里米·沙坤(Jeremy Shakun)及其同事的最新研究显示：上一个冰期，CO2浓度增加要早于温度增加。在最近的《自然》杂志上他们得出结论：“由CO2浓度上升引起的变暖是温度变化的原因之一”。
过去的一些变化快得令人难以置信。罗林对红海沉积物的研究显示，大约12.5万年前的最后一个暖冰期(在两个冰期之间)，海平面在100年内升降波动高达两米。罗林说：“这真是快的离谱。”他的分析结果表明：在与我们现在类似的气候环境中，海平面要比现在高6米多。美国宾夕法尼亚州立大学地球科学教授理查德·阿利(Richard Alley)说：“这没有告诉我们未来是什么样的，但这值得我们关注。”
同样令人惊讶的是，只需要很少一点外部能量(或者说“胁迫”)，就能够触发过去那些波动。例如5 500万年前，北极是一个亚热带的天堂，平均气温为23℃。那时，鳄鱼可以生存在格陵兰岛，热带地区对大部分生物来说可能就太热了。这个温暖的时期，被称古新世—始新世极热(PETM)期，显然是因为地球温度升高2℃引起的，当时地球在温度没有上升前就比现在暖和。那次升温可能造成CH4和CO2的快速释放，这就导致温度更高和更多温室气体的释放，进而引起进一步变暖。最终的结果是：地球长达几百万年的持续高温(见《环球科学》2011年第8期《全球变暖：速度比幅度更致命》)。
在过去的100年里，人类活动已经带来不止0.8℃的温度升高。温室气体被释放到大气中的速度，是PETM时期的10倍，这给了环境非常大的压力。美国普渡大学教授、地球和大气科学家马修·休伯(Matthew Huber)说：“如果我们用掉未来100年的碳，我们也将遇到和PETM时期同样的变化。”
与已知的各个冰期发生变化的原因相比，我们现在更有力地推动着气候变化。塞尔维亚天文学家米卢廷·米兰科维奇(Milutin Milankovic)指出，冰期的消长与地球运行轨道和倾斜角的微小变化有关。几万年来，其他行星对地球引力的变化使地球轨道从接近圆形逐渐变成轻度偏心圆。汉森说，这些变化使照射到每平方米地球表面的太阳能有了大约0.25瓦的波动，这个量是非常小的。这些能量如果要引起能观察到的气候波动，必须经由像海冰变化和温室气体排放这类的反馈机制放大。英国皇家霍洛威大学教授、地球科学家尤安·尼斯贝特(Euan Nisbet)说，过去的气候变暖，“反馈紧接着反馈，如此循环”。
人类排放温室气体带来的气候胁迫非常大，达到每平方米3瓦(相当于0.25瓦的12倍)，并在不断上升。那么，气候变化的速度会不会也是以前的12倍呢?不一定。“我们不能将过去和未来的响应等同起来，”罗林解释说，“我们要研究的是全球变暖的运行机制、如何触发以及结果能有多糟。”
令人不安的反馈机制
科学家已经明白，反馈机制中，反应最快的部分是遍布全球、携带着热量的洋流。如果大量的淡水(坍塌的冰川或增加的降水)倾入北半球海域，暖流就会减缓或停止，推动全球洋流的“引擎”也就停止了，结果会导致格陵兰岛在十年内从冷变暖。美国海洋及大气管理局地球系统研究实验室的资深科学家彼得·坦斯(Pieter Tans)说：“格陵兰岛冰芯记录显示，变化可能会发生得非常非常迅速，甚至用不了10年。”
阿利回忆说，刚进入21世纪，上述“淡水机制”被弄清楚时，“我们很多人都很紧张”。他补充到，然而更详细的模型表明，虽然“增加淡水是非常可怕的，但是增加的速度并没有达到从根本上改变全球气候的程度”。
反馈机制中一个更直接的、令人担忧的部分是永久冻土带，它现在已经开始“冒泡”了。科学家曾一度认为，苔原冻土的有机质只有1米深，所以从升温开始到深层土壤开始大量解冻，要经过很长时间。根据最新研究，这个判断是错误的。佛罗里达大学的生物学家特德·索尔(Ted Schuur)认为：“我们所有的发现几乎都出乎意料。”
第一个意外是冻土中的有机碳深达3米，所以有机碳含量比预期更多。此外，西伯利亚零星分布着覆盖有富含有机质的永久冻土层的大土丘，被称为苔原富冰黄土(yedoma)，是由风带来的泥土堆积形成的。这些碳存量多达几千亿吨。索尔说：“大约是现在大气中CO2含量的两倍。”科罗拉多州立大学甲烷研究学者乔·冯费希尔(Joe von Fischer)说：“这种形式的碳是一种定时炸弹。”冻土解冻越多，就会有更多的微生物把有机碳分解成CO2和CH4，造成气温升高，进一步使更多的冻土解冻。
定时炸弹爆炸的时间可能正在提前。冻土表面的冰雪融水往往会形成浅湖。阿拉斯加费尔班克斯大学的凯特·沃尔特·安东尼(Katey Water Anthony)发现，有甲烷从湖底释放出来(见《环球科学》2010年第1期《甲烷：从北极冻土中爆发》)。许多研究人员还发现，永久冻土层融化会分裂成小峡谷，形成热喀斯特地貌(thermokarsts)，这就会增加冻土暴露在空气中的面积，加速冻土融化和温室气体排放。最近，对挪威斯匹次卑尔根群岛和西伯利亚的考察中发现，浅水域的海底有大量甲烷释放。
如果由点及面铺展开来，甲烷排放总量足以引起全球气候大波动。不过，全球甲烷排放量的测算值不一定代表当前甲烷的实际增加量。阿拉斯加费尔班克斯大学致力于永久冻土温度研究的弗拉基米尔·E·罗曼诺夫斯基(Vladimir E. Romanovsky)说，一是因为甲烷排放的热点“只存在于局部地区”，二是科学家们更善于发现以前本来就存在的热点地区。因此，罗曼诺夫斯基说：“我不担心甲烷增加带来的气候剧变。”
其他人并不这么肯定，特别是因为甲烷有另一个潜在的主要来源热带湿地。气候变暖很可能引起热带地区降雨增加，湿地面积将会扩大，湿地生产力也会提高，就会有更强的厌氧分解作用，释放更多的甲烷。增加的湿地可以释放与北极变暖差不多、甚至更多的甲烷。我们应该有多担心?尼斯贝特说：“我们不知道，但我们最好继续观测。”
冰冻效应
让气候学家最担心的反馈部分是地球上冰的减少。例如，许多气候模型并没有成功预测今年夏天北冰洋海域海冰的急剧减少。尼斯贝特说：“这是模型方面的极大失败。”格陵兰岛和南极洲的冰川也在迅速消失。
为了弄清楚这是怎么回事，科学家一直在进行卫星和地面测量手段，绘制格陵兰岛冰川图，还在南极冰架下安放了探针。美国大气研究中心(National Center for Atmospheric Research)资深科学家杰里·米尔(Jerry Meehl)透露，科学家见到了以前没有见过的东西。
在格陵兰岛，伍兹霍尔海洋研究所的冰川学家莎拉·达斯(Sarah Das)看到，一个冰水融化的湖泊突然流入914米厚的冰川的缝隙中。水流速度大到足以将巨大的冰川与基岩分离，从而加速冰川滑入海洋。在阿拉斯加，普费弗有数据显示，巨大的哥伦比亚冰川滑入海洋的速度从1米/天增加到15～20米/天。
南极洲和格陵兰岛沿岸，漂浮在海上的大冰架正在垮塌，这警告我们，冰架有多么不稳定。温暖的海水从下面蚕食着冰架，同时温暖的空气从上面打开一个个裂缝。冰架能够起支撑作用，以免基部在海底的冰块，以及邻近的陆上冰川在重力作用下滑入海中。虽然浮冰融化不会引发海平面上升，但水下的冰川却可以。阿利说：“我们正在努力探索海平面上升是否显著高于预期。”
冰块减少令人恐惧，不仅是因为它们会使海平面上升，还因为它们会触发强大的反馈机制。冰能将阳光反射回太空。没有冰块后，颜色较深的陆地和海洋会吸收更多的太阳热量，融化更多的冰。地球表面反射率的变化可以解释，古气候记录中那些较小的能量波动是如何被放大的。汉森说：“同样的事情也会发生在今天。”
到目前为止，只有少数科学家同意汉森对于海平面到2100年可能会上升5米的预测。“但是我们真的不知道，”阿利说，“我仍然比较倾向于我的预测，即海平面上升较小，但我也不想任何人因为我说的话而购买沿岸地产。”
复杂的变化
地球上过去的气候波动明确表明，如果我们给予足够的推动力，反馈机制将极大地改变地球。休伯说：“如果我们燃烧我们能够获得的所有的碳，就一定会发生与PETM时期类似的气候变暖。”这也许会有利于北极鳄鱼，但对人类或大多数生态系统没有好处。
然而，真正让科学家失眠的可能是，即使这些特定的反馈机制近期不会对人类产生威胁，但它们也可能会驱动其他可以对人类产生威胁的机制。这种机制首先可能影响全球水循环。每年都有实例表明，气候变化会从根本上改变区域小气候，带来洪涝、干旱等极端天气。
拉姆斯托夫最新的一项分析表明，像2010年重创俄罗斯的热浪发生次数提高了5倍，导致这一现象的原因很可能就是已经发生的气候变暖。拉姆斯托夫说：“这是一个重要因素。”新的研究着眼于2011—2012年美国有史以来最暖冬季期间(这个时期欧洲遭遇了有史以来最冷的寒流)北极海冰的损失。其中隐含的机制是：海冰越少，北极海水温度越高。秋季，海洋释放大量热量，改变大气的压力梯度，造成喷流(jet stream，围绕地球的强而窄的高速气流带，集中在对流层顶或平流层，在中高纬西风带内或在低纬度地区都可出现)更大程度地弯曲，从而长期停留在一个地方。这种弯曲使美国东北部冬季更暖和，东欧却更寒冷。
潜在的生态反馈使整个机制变得更为复杂。例如，美国和加拿大西部气温变暖引起山松甲虫的流行。虫灾导致几十万公顷的树林死亡，森林从碳汇(健康的树木吸收CO2)转变成碳源(死树分解释放CO2)。2007年，炎热导致美国阿拉斯加北坡苔原发生7 000年一遇的火灾，加速了这一区域冻土层融化和碳排放。西伯利亚气候变暖使广袤的落叶松树林开始转变为云杉林和冷杉林。冬天，落叶松的针状叶脱落，积雪会将太阳的热量反射回太空。弗吉尼亚大学的生态学家汉克·舒加特(Hank Shugart)解释说，云杉和冷杉的针状叶不会在一个季节全部脱落，太阳热量还没到达积雪时就已被这些树叶吸收。仅植被变化的反馈就可能使地球温度上升1.5℃。他说：“我们正在玩上了膛的手枪。”
尼斯贝特的“噩梦”是这样的：首先是甲烷排放量的上下波动，以及非常炎热的夏季造成大规模火灾，排放大量碳。烟和烟雾覆盖中亚，减弱季风，引起中国和印度农作物大面积歉收。同时，根据厄尔尼诺模式，赤道地区太平洋海水温升高往往会给亚马孙和印尼带来干旱。热带森林和泥炭沼泽也发生火灾，释放更多的CO2到大气中，进入气候迅速变暖的快车道。“这是绝对会发生的，”尼斯贝特指出，“我们比我们自己想象的更脆弱。”
但是，各种反馈会变得有多强大?气候模型能够很好地解释过去和现在，但当用它来预测未来时会失灵。索尔补充说，即使地球现在正处在一个转折点，我们可能也没有意识到。
对气候政策来说，令人不安的是科学没有明确答案。曼宁说：“我们知道气候发展的方向，却不知道发展的速度。” 然而，科学家认为，不确定性也不能够成为不采取行动的理由。相反，不确定性会让全球更加努力去减少温室气体排放，因为不确定性揭示了气候剧烈变化的风险真的很大。尼斯贝特说：“此刻我们正在做的是，从地质年代的时间尺度上对发生的大事件进行对比，因此，我们会预测，输入现在的数据能得到与过去发生过的事类似的结果。”
汉森觉得自己如果不对这气候变化这一问题采取行动，就没有办法面对自己的后代。他说：“将逐渐失控的气候系统留给年轻人是不道德的。”
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