气候变暖的“原因”和“影响”
如今，打开报纸和观看电视，经常可以见到关于地球变暖引发各种各样危机的报道，诸如“太平洋岛屿沉入大海”、“热浪或飓风等自然灾害频频发生”，等等。
关于全球变暖的原因，现在已经查明，罪魁祸首是二氧化碳（CO2 ）。
读者大概都想知道全球变暖究竟是怎么一回事，曾有不少读者来信提出过许多疑问。例如：
·人类排放的二氧化碳果真是引起全球变暖的原因吗？
·在人类出现以前，地球不就是一直在交替地变暖和变冷吗？
·引起地球变暖的怎么不是氮气和氧气，而偏偏是二氧化碳 ？
·全球气温才升高1或2℃，为什么就值得如此重视？
·人类有能力防止地球温度在未来继续升高吗？现在是不是已经为时过晚？
本专辑针对读者提出的这些疑问，根据所能搜集到的全世界的最新数据来详细介绍“全球变暖”的问题。
第1部分 什么是全球变暖？
中国100年来的气温变化
在中国，由于历史原因，观测台站及观测资料的情况非常复杂，变化也很大。首先是早期台站数量很少，以后随时间逐渐增加，其间在1950年以前的部分时段有较大波动。因为台站数量少，所以早期的资料覆盖面不完全，其主要特点是分布稀疏、位置偏少、西部无资料，这种情况随台站数量的增加而逐渐加以改善。因为1904年以前台站的数量过少，所以，中国100年来年平均地表气温变化以1905年作为起始年。
从左页上图中可以看出，中国年平均气温呈现明显的上升趋势，97年中上升了0.79℃，平均增温速率约为每10年增高0.08℃。这一变化略高于全球平均的增温幅度。在近100年中，20世纪40年代和80年代中期以后是两段气温明显偏高的时期，90年代和40年代分别比平均值高0.37℃和0.36℃。
全国台站中的城市站均可能因为存在着“城市热岛效应”从而影响了温度升高的幅度。研究表明，北京地区国家基准、基本站记录的地表气温升高中，大部分为城市化影响所致，山东、天津、湖北、甘肃、河北等地区城市化对国家基准、基本站气温变化趋势的影响均比较明显。这里给出的全国气温变化趋势包含了城市化和城市热岛效应增强因素的影响，近50年和近100年地表气温增加幅度和速率代表了最高估计值。
第1部分 什么是全球变暖
世界各地都在变暖吗？
全世界的气温在这100年间是否也有变化呢？
美国气象数据中心（NCDC）收集有自1880年以来世界各地的气象数据。该机构利用它所掌握的这些数据，把全球划分为许多纬度5°和经度5°的网格，计算出每一个网格内的气温，最后得到了一幅显示过去100年间（1901～2005）世界气温变化的地图（跨页图）。
在这幅地图上，红色网格的颜色越深，表示该地区的温度上升越大；紫色网格颜色越深，表示该地区的温度下降越大；白色网格表示该地区的温度基本上没有变化。没有网格覆盖的部分（淡蓝色），不论陆地或海洋，由于缺乏观测数据，还无法判断温度变化的趋势。
在此图可以看出，尽管世界不同地区的温度变化各不相同，但从总体上看，绝大部分地区都显示出了逐渐变暖的趋势。
北美大陆的高纬度地区，还有欧亚大陆的内陆等地区，变暖的趋势特别明显。反之，美国的墨西哥湾沿岸、格陵兰岛附近的海面，则看到的是变冷的趋势。
那么，每一个网格的平均气温是如何计算出来的呢？
陆地上的网格，如果其中只有一个气象站，就径直把它观测到的气温作为该网格的温度值。如果同一个网格内有多个气象站，则把它们的观测值求平均，作为该网格的平均气温。
海洋上的气温，则利用通过某个网格海域的船舶所测得的海面水温来代替气温。这是因为，从长期看，海上的气温同海面水温是按照同样方式变动的。如果在同一个网格内有多个数据的话，也是求出它们的平均值。
如果同一网格内同时包括陆地和海面，那么，则根据陆地面积和海洋的面积所占的比例对陆地气温和海面水温加权重来求出平均气温。
第1部分 什么是全球变暖
100年来温度升高了0.74℃，近年来变暖加速
利用前两页所介绍的方法将全球划分为纬度和经度各为5°的网格（5°网格），先求出每一网格的平均气温，然后再根据各个网格的气温求出全部网格的平均值，就可以得到“全球平均气温”。不过，这种5°网格的面积并不相等，越接近赤道，面积越大，因此在实际计算中需要根据它们的面积取相应的权重。
那么，从19世纪到现在，全球的平均气温有怎样的变化？
联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）在2007年提出的一份最新报告中详细论述了对全球变暖趋势的科学评估，分析了全球变暖所产生的影响，并提出了解决这个问题可以采取的一些措施。IPCC是联合国环境规划署（UNEP）和世界气象组织（WMO）设立的一个下属机构，专门负责汇总和整理全世界科学家关于气候变化的研究成果。它自2001年发布 “第三次评估报告”以来，相隔6年再发布的这份最新评估报告是它的“第四次评估报告”。
这份评估报告对全球变暖趋势评估的基本要点如右侧图解所示，其中显示了自1850年开始使用温度计测量气温以来，全世界平均气温的变化情况。图中表示气温的图线从左下向右上的走向，清楚地表明全球正在变得越来越暖。
第四次评估报告指出，现在，全球正在以年平均气温100年上升0.74℃的速度变暖。这个数值超过了第三次评估报告中所指出的“100年上升0.6℃”的变暖速度。
此图还可以看出，近几十年来，图线向上倾斜得越来越厉害。第四次评估报告指出，“这表明，进入20世纪以来，全球变暖的速度一直在加快。”
第1部分 什么是全球变暖
冰川退缩，海平面上升
按理说，“全球变暖会引起冰川和极地的冰融化，从而导致海平面上升”。我们是否已经观测到这种现象了呢？
在喜马拉雅和阿尔卑斯等高山上有终年不化的积雪，它们在重力的作用下向下流动，遂成为“冰川”（山地冰川）。IPCC第四次评估报告指出，这些冰川近些年来正在快速融化而退缩。1970年以来的卫星观测资料也表明，北半球大陆上的积雪面积，在近30年左右已经减小了大约8％。同时，北冰洋的海冰面积，在这30年左右也减小了大约8％。
根据IPCC的这份最新评估报告，“在整个20世纪，全世界的海平面总共上升了17厘米”。得到这个数字的计算，对于1993年以前的年份采用的是潮位计所记录的水位资料，对于1993年以后的年份采用的是人造卫星的观测资料。关于海平面上升的原因，评估报告中指出，主要是冰川和冰盖（覆盖岛屿和大陆的冰层）融化和海水温度上升（也已经实际观测到了）导致了海水的体积增大。
在第1部分中，我们先介绍了地球的气温在这100多年来发生变化的情况，这里，我们又知道了地球的气温变化对海平面高度和地球上存在的冰雪数量的影响。仅从这些观测结果我们就可以得出结论，全球现在的确正在逐渐变暖。
不过，2005年袭击美国的超级飓风“卡特里娜”和2003年袭击欧洲的那场热浪等个别反常气象，尚无科学证据可以认为就是直接由全球变暖造成的。尽管如此，IPCC第四次评估报告也指出，随着全球变暖，将来频繁出现热浪、暴雨和干旱等灾害性天气的可能性将会增加。
第2部分 地球变暖的原因
气温取决于“太阳辐射”和“反照率”，并受“温室效应”影响
在第1部分，我们已经知道了全球变暖是一个确定的事实。那么，地球为什么会变暖呢？在第2部分，我们就来介绍地球气候变化的机制和地球的历史，并由此来探讨今天地球正在变暖的原因。
决定地球表面温度的根本因素当然是作为地球热源的“太阳”。太阳通过核聚变反应而发光（主要是可见光），太阳光照射到地球上，使地球变暖，这种为地球加热的能量叫做“太阳辐射”。
这些太阳辐射并不是全都被地球吸收，其中会有一部分被反射，散逸到宇宙空间。被反射的这一部分太阳辐射所占的比例叫做“反照率”，这也是左右地球表面温度的一个重要因素。
扣除了反射部分的太阳辐射加热地球，使地球表面变暖。然而，同高温太阳向外辐射光一样，变暖了的地球也会向宇宙空间辐射“光”。
不过，地球辐射的这种光不是可见光，而是被叫做“红外线”的一种我们的眼睛看不见的光（电磁波）。地球的这种以红外线形式散逸到宇宙空间的能量叫做“地球辐射”。
结果，吸收的能量（太阳辐射）和失去的能量（地球辐射）相互抵消，地球表面得以保持一定的温度。如果不考虑大气的作用，根据计算，这个温度将会是－18℃。
最早进行这种计算的是一位法国数学家约瑟夫·傅里叶（1768～1830）。他认为，“实际的地球其实要温暖得多，这是因为本来会逃逸到宇宙空间的地球辐射被大气吸收了的缘故。”他就这样发现了“温室效应”。
地球有大气，大气中含有CO2等“温室效应气体”。温室效应气体不吸收来自太阳的可见光，却能够吸收地球的红外线。温室效应气体在吸收了红外线之后，又会向周围发出辐射（关于温室效应气体的作用，详见第28页说明）。
温室效应发出的这种辐射也会加热地球表面。正是存在着这种温室效应，地球表面的温度（平均气温）才得以始终保持在大致14℃左右。
既然地球是通过这样一种机制来保持一定温度，那么，探讨地球变暖的原因便有三条线索可循。一条是“太阳辐射增强的可能性”，再一条是“地球表面反照率降低的可能性”，最后一条是“温室效应增强的可能性”。
第2部分 地球变暖的原因
地球接受到的太阳能量是否始终保持不变？
从古至今，太阳辐射的强度难道不会发生变化吗？事实上，在46亿年前地球诞生的时候，太阳要比现在的太阳暗弱大致3成。这是因为，根据恒星演化的理论，当时的太阳要比现在小的缘故。
太阳不仅有几十亿年这样的长时间标度的变化，而且也有几十年的短时间标度的变化。太阳表面有一种叫做“黑子”的结构，这些黑子的数目有一个大约11年的增减变化周期。黑子数目增多的时候，太阳的辐射便会增强。
此外，地球和太阳之间位置关系发生变化，也会影响到抵达地球的太阳辐射的强度。
地球围绕太阳公转的轨道并不是一个不变的椭圆，在木星等行星引力的影响下，这个公转轨道会稍许变形。塞尔维亚的天文学家米留廷·米兰科维奇（1879～1958）通过极其缜密的计算，求出地球轨道的这种变形具有一个几十万年的周期。同时，他还发现，地球自转轴的倾斜度和空间方位各自也有几万年的周期变化。这些变化因素，使得到达地球的太阳辐射量总是在不停地做非常复杂的变化。这些周期性的变化综合起来，称为“米兰科维奇周期”。
另一方面，地球上的火山活动则会改变地球对太阳光的反照率。火山爆发喷出的火山灰尘在平流层扩散开来会反射太阳光，从而使能够到达地球表面的太阳光减少，这种现象被称为“太阳伞效应”。以上举出的这些有可能引起地球气温变化的因素都属于人类无法改变的自然因素。
第2部分 地球变暖的原因
地球过去曾多次交替出现过温暖时期和寒冷时期
使用温度计测量气温是从1850年开始的，那么，1850年以前的气温是如何知道的呢？
了解地球过去数亿年时间标度的气候，可以从化石上找到线索。例如，如果在过去某一个时代在极地区域也生长着类似于现在生长在热带地区的植物，那么我们就可以推断，当时地球的整个表面都像今天热带地区一样温暖。按照这样的思路进行分析，我们就可以知道在恐龙繁荣的中生代白垩纪（1.455亿年前～6550万年前），地球要比现在温暖得多。海底沉积物中的有孔虫化石也会随气温而变化，那也是一条十分重要的线索。
要了解地球过去数十万年时间标度的气温，可以从南极和格陵兰岛上覆盖的冰层（冰盖）入手。冰盖是由数十万年间降下的积雪所形成，因此，在冰盖上钻探，可以找到数十万年前降落的积雪。对那个时期的积雪进行化学分析，便可以推断出当时的气温。
根据上述这些研究，科学家现在已经知道在过去的50万年间，地球曾经5次交替出现过温暖时期和寒冷时期。科学家把这其中的寒冷时期称为“冰期”，而把温暖时期称为“间冰期”。这样一种循环的周期同前两页所介绍的米兰科维奇周期在某种程度上是一致的。
从1万年前到现在，地球的气温一直比较稳定。可以说，正是在这样一种稳定的气候条件下，我们人类才得以发展出各种文明，一直走到了今天。
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（更多精彩图片及完整内容请阅览《科学世界》2007年10月号）
