第2节

大气中二氧化碳浓度的相关数据及解读

与人类活动相关的气候变化和全球变暖的讨论总会引发巨大的争议，并非因为数据，而是因为对变化的预测以及一项事实，即降低排放率将影响人类生活的方方面面，从农业到工业和人口。其中涉及诸多利益团体（来自对立的双方），因此很少有人会承认人口增长模式和大气中的二氧化碳与气候变化之间存在直接关联。然而，人口增长与大气中二氧化碳浓度增加具有明确的相关性（图4.5）。

图4.5 世界人口数量与大气中二氧化碳浓度（ppm，即百万分比）的对比

注：这种模式从1800年左右一直延续至今。二氧化碳浓度的增长速度略快于人口增长速度。

对大气中二氧化碳浓度的测量已达到极高的精度，并且包含了在远离工业场所的地方（如南极洲或夏威夷山顶）获得的数据。如图4.5所示，二氧化碳浓度升高与人口数量增长呈现相关性。显而易见，这两组数据非常相似，不可能是没有联系的偶然数据。这种联系可以简单地解释为，自工业革命以来，人口增长意味着我们燃烧的化石燃料越来越多，向大气中释放了过去3亿年中一直被储存于煤炭中的碳。一些石油资源的存在时间可能没有3亿年那么久远，但至少也存在了7000万年之久。现在，这些碳源被我们重新引入大气，因此二氧化碳的浓度和工业活动之间的关联也就不足为奇。

二氧化碳不大可能推动出生率，因此我们只能得出另一个结论，即人类活动正在推动大气中二氧化碳浓度的稳步上升。在许多现代工业城市和大城市中可以看到明显的工业污染，那里的空气令人感到压抑，就像英国19世纪的照片所呈现的那样，工业破坏了城镇和乡村的面貌。有趣的是，因新型冠状病毒的流行而采取封锁措施后，英国的天空变得十分晴朗，雾天减少，城市的污染程度降低，对呼吸系统有问题的人来说，生活质量得到了显著的提升。在世界各地的许多城市也能看到类似的情况。

一些文章声称，人类以及我们所食用的动物是大气中二氧化碳的主要来源。诚然，人与牛等动物越多，呼出的二氧化碳就越多，但事实上这与大气中二氧化碳浓度的增加并无关联，因为人或动物食用植物，呼出二氧化碳，这只是碳循环的一部分。如果这些植物未被食用，也会腐烂并释放出相同量的二氧化碳。通过素食来减少二氧化碳排放的主张也存在争议。在19世纪末，美国移民试图消灭野牛，尽管有数百万动物被杀害，但前后时期的二氧化碳浓度数据并没有明显变化。有必要减少肉食摄入的真正原因在于其他方面，因为食肉过量会引发健康问题。

二氧化碳的主要来源未必都是显而易见的，也未必都能进行公开讨论。例如，与商业航空公司相比，互联网和社交媒体所用电力产生的二氧化碳更多。针对气候变化的《巴黎协定》（Paris Agreement）不包括航空与航运。航运对国际贸易至关重要，2018年，约有9万艘大型船舶在运营，燃烧了约20亿桶低品位石油。低品位石油价格低廉，但富含硫和其他污染物，燃烧所排放的二氧化碳量约占全球温室气体排放量的3%。更直观地说，15艘大型船只的二氧化碳排放量与地球上所有汽车的二氧化碳排放量相当。一些船舶使用“洗涤塔”以减少部分排放物，包括硫（以及硫酸排放），但这些洗涤塔又将污染物和重金属排放到海洋中。此外，洗涤塔还使燃料的消耗量增加了约2%（从而产生更多的二氧化碳）。

预测气候变化的程度

科学家或热爱园艺的人对温室（或阳光房）的概念肯定不陌生。对地球来说，温室的顶棚不是玻璃，而是二氧化碳和甲烷的混合物，两者都能在大气中吸收热量。温室效果越好，意味着其下方区域的温度越高。因此，提高二氧化碳浓度（以及潜在的大量甲烷，目前它们还蕴藏在冻土中）将意味着全球气温升高。同样重要的是，甲烷的温室效应比二氧化碳更强。“唯一”的困难是预测变化的规模和速度（而不是预测是否变化）。其他可能会提高或降低大气温度的因素与其他污染物（如大型火山爆发产生的污染物）有关。这些因素经常导致降温、农作物歉收、饥荒、死亡和内乱。此外还有因地球运行轨道与太阳辐射输出等其他因素所形成的模式，这些因素推动了冰河期的周期性模式（图4.6）。在这幅图中，通过对南极温度与冰芯中二氧化碳浓度的数据分析，发现两者存在极高的相关性，即二氧化碳含量越高，温度越高。人们甚至可以从某种程度上感受到这种模式的自然周期性（一个周期大约是10万年）及其子结构。气候学家了解周期性与结构背后的诸多原因，认为它们在一定程度上与地球绕太阳公转轨道的微小变化以及旋转轴倾斜的周期性变化有关。从图4.6的横轴来看，人们可能会说，全球气温的自然上升阶段即将结束，或者出于某种原因，已经抑制了下一个冰河时期的开始。但过去100万年来并没有证据表明，当前地球环境中的二氧化碳浓度已达到极端水平，目前测得的二氧化碳浓度超过400ppm（即二氧化碳在大气中占百万分之四百）。更早期的确出现过更高的二氧化碳浓度，气温更加极端，21世纪的动植物难以在那样的环境下生存。好在地球上的二氧化碳浓度从未达到金星上的水平（即二氧化碳占大气的96.5%）。温室效应再加上距离太阳更近，因此金星表面的温度达到470摄氏度左右。水星距离太阳更近，但其表面温度较低，它是一颗小行星，没有二氧化碳大气层。

图4.6 冰河期的周期性模式

注：上面的曲线展示了远离工业活动地区的大气二氧化碳浓度数据，下面的曲线展示了南极的温度。从整体上看，两条曲线的走向相近。请注意，图中二氧化碳的浓度始终低于百万分之三百（300ppm），但到20世纪，二氧化碳的浓度已经飙升至百万分之四百（400ppm）以上，并且还在持续上升。

科学讨论中的缺陷与偏见

对二氧化碳浓度及其影响的讨论是一个典型例子，我希望借此提醒大家，我们对特定科学模型的解释、理解和偏见，是阻碍进步的主要障碍。有可靠数据表明，大气中二氧化碳的含量已经超出了过去100万年的范围。在过去200年间，二氧化碳含量的增长模式与人口的增长模式相匹配，我们也理解二氧化碳和甲烷如何在大气中发挥保温作用。困难和不确定性在于预测近期和长期的后果。这种预测十分困难，因为数据（图4.6）表明，地球环境存在一个长期的温暖期与冰河期交替的模式。现在地球可能已接近温暖期的高峰，因此我们无法断言自然状态下的气温会上升还是下降，因为气温变化的自然速度相当缓慢。在欧洲，上一次冰河期的高峰期大约在22000年前，11000年后冰川消退。然而，预测的困难性在于，由于现在大气中温室气体的浓度显著提高，我们不清楚这将如何扰乱自然的气温循环，我们必须关注不久的将来，以几十年而不是一万年来衡量。在许多模式下，我们的生存能力会遭到破坏，肯定无法维持目前的人口增长。这是一个非常严峻的问题，我们不禁要质疑，为什么有些人甚至不愿意承认这种情况的存在。等到真正面对危险的时候，我们可能仍不清楚如何应对，因为一个关键因素，也是唯一有保证的解决方案，就是大幅减少世界人口。这个方案令人难以接受，因此我们提出改革农业、停止过度饮食、维护热带森林等建议加以掩饰。这些建议同样有价值且合理，确实值得遵循，但它们并没有解决真正的症结，因为人口激增才是问题的根本所在。

我曾在不同的国家生活和工作，这些国家持有不同的理念和观点，接下来我将就此展开评论，它使我理解了为什么一些人不了解目前人类面临的威胁，并且不愿意承认这些威胁，因为这将意味着巨大的经济和社会变革。我曾在美国的不同区域工作过，因此十分清楚，在如此辽阔的国土上，气候非常多样化。由此产生的一个后果是，大部分城市居民在冬天集中采暖，在夏天靠空调制冷，大部分时间都乘坐有空调的车辆，因而感受不到多变的天气。因此，人们难以理解季节性天气模式的改变。任何地方的农业社区都不会出现这种情况，因为从事农业的人会发现，在许多人的一生中，降雨量、温度等方面的季节相关因素已经发生了明显的改变。

美国人仍在使用华氏温标，而欧洲人则使用摄氏温标。这方面的改变并不容易，我知道一些比较年长的英国朋友和他们的父母都对摄氏度没有概念。科学数据基本上都以摄氏度为单位，因此，在阅读文献时，大部分年长的英国居民，以及大多数美国人，都不知道这些数字意味着什么。在讨论全球变暖等问题时，这会造成严重的问题。更糟糕的是，科学家们经常使用绝对温度（开尔文，用字母K表示，我在图4.3中特意使用了该单位）。这会立即切断科学家及其数据与公众的联系。

单位转换的误差，或对不同单位含义的错误理解不仅限于温度，在其他度量单位中也时有发生，比如精确的天文距离（比如火星），它以米和千米这样的公制单位进行度量。对于如此长的距离，转换为英里时必须保证极高的精度。否则会导致太空探测器撞向火星，因为由不精确的单位换算所推断出的距离比实际距离长出数千米。从地球到火星的最小距离约为3390万英里（1英里≈1.61千米），因此换算系数应精确到一亿分之一以上（即比计算器或许多计算机上的算术转换更加精确）。

在讨论任何直接影响人类生活质量、财富的话题时，又会出现一个问题：人们一开始会自动（并且下意识地）拒绝任何可能与自己之前持有的想法冲突，并导致生活质量倒退或财富减少的观点或事实。这是一个普遍的问题，不过在这里，我想举一个非常适用于澳大利亚的例子。澳大利亚是一个幅员辽阔的国家，人口只有2500万左右。从财富方面来说，他们通过出口煤炭获得了约250亿英镑的可观收入。目前煤炭产量约为4亿吨。就大气污染与二氧化碳排放而言，这意味着有15亿吨二氧化碳等污染物被排放到大气中（碳的相对原子质量是12，氧的相对原子质量是16，生成二氧化碳的相对分子质量是44）。其中的经济困境在于，煤炭带来的人均经济收益为1000英镑，但代价是人均制造约60吨污染物和二氧化碳（仅来自煤炭销售）。这使他们成为最大的二氧化碳污染源之一。

另外，澳大利亚一直存在野火（山林大火）问题，但近年来的最高气温纪录一直在提高［2019年平均气温比长期平均气温高1.5摄氏度（2.4华氏度）以上］，部分地区的降雨量也在减少。因此，火灾发生频率增加，影响面积已飙升至约600万公顷（1公顷=0.01平方千米），几乎接近英格兰和威尔士的土地面积。在保险、商业损失、房屋损毁、消防和健康等方面都带来了巨大的成本。2019年，各种负面因素造成的经济损失估计有50亿英镑或更高。许多人明智地将此类自然灾害的增加与全球变暖导致的气温升高联系起来。最终的结果是，看到了经济收益的政策制定者与那些房屋遭到毁坏和承担后果的人之间存在意见分歧。

长期影响是显而易见的，在澳大利亚以东2000英里处，新西兰的弗朗兹·约瑟夫（Franz Josef）冰川从火山灰变成了美丽的棕色。这导致冰川在夏季吸收更多热量，加速了其表面的融化。

这些简单的例子足以说明，为什么显而易见的清晰科学数据也未必能让人接受，且人们未必会对后果和所需采取的行动展开公正的讨论。

理解微妙的影响

我只关注了有据可查的例子，例如气温与大气中二氧化碳浓度的度量。毫无疑问，它反映出地球严重的温室效应。更困难的挑战是预测气候变暖所造成的后果的类型、规模和速度，以及它将以多快的速度影响我们的生活。因此我们需要更加深入地理解一系列相互作用的因素，而不仅仅是预测气候变暖。即使抱着最积极的意图，这些气候因素的发展细节也是极其复杂的，对大多数人来说，只能猜测其后果，几乎可以肯定的是，人们会做出各种各样的预测，可能有正确的，也可能有错误的。追踪气温上升和气候变化之间的联系非常困难，即便不是专家，也可以提出十几个主要的气候因素。例如，在过去30年中，北冰洋大部分地区迅速变暖，冰山在夏季逐渐融化，因此冰山和洋流的运动发生了变化。阿拉斯加和格陵兰的冰川都在萎缩，这也导致北大西洋水域的温度下降。

相比之下，在20世纪，世界上其他海洋区域的海面温度几乎都在稳步上升，上升幅度超过1摄氏度。这种微小的海面变化不仅影响海洋生物和鱼类资源，还控制着我们的气候。英国和美国东部的天气由大西洋中部加勒比海附近的海水受热与蒸发提供动力。历史上，海面温度约为23摄氏度，现在已有所增加。当温度升高2摄氏度，水汽压提高13%；当温度升高5摄氏度，水汽压提高35%。这些变化符合现在的温度记录。后果显而易见，温暖潮湿的空气和能量急剧增加，这为飓风季节以及北大西洋其他地区的天气提供了动力。实际上，在过去几十年中，风暴和飓风的数量和威力都有所增加。随之而来的是极端降水、洪水与极端天气。更微妙的是，由于北大西洋与北极地区的海水降温，改变了气候模式，因此难以建立模型和预测。这些变化又进一步改变了高空急流的模式，进而影响诸多天气模式。可以确定的是，极端变化一定会出现，但要模拟其规模和发生时间，仅有可靠的当前数据还不够，还需要向计算机程序输入假设。

令人惊讶的是，2019年、2020年和2021年，西伯利亚北部靠近北极的地区出现了前所未有的高温，最高温度达到38摄氏度。这在数十万年的历史中都是绝无仅有的。然而，一些人仍然拒绝将此作为全球变暖的证据。

我想以非常明确的评论结束本章，但我只能概述我们在处理复杂的互动机制（如气候）时所遇到的困难。它不同于对世界人口的解释，因为世界人口明显增长过快，达到了不可持续的水平，必须以某种方式（最好不是战争或瘟疫）大幅减少。毫无疑问，我们正在改变气候，尤其是通过工业活动增加大气中的二氧化碳含量，从而加剧温室效应。如果地表之下储藏的甲烷也被释放出来，温室效应可能会进一步加剧。然而，变化的细节和速度，以及对未来气候的预测十分复杂，需要借助模型。唯一明确的结论是，我们必须通过降低污染水平来降低变化速度，这样地球上的植被和生物才能生存，或者有时间进化以应对新的环境。

真正的难题在于如何大幅减少世界人口。这是问题的根本症结，但持续的人口激增似乎令人恐惧，我们回避讨论和解决这个问题。

尽管在处理多参数问题时遇到了困难，但我们对计算机控制的人工智能投入了巨大的热情，它能帮助我们做出决策。人工智能依赖数据，并且在处理数据时基本不存在刻意的偏见，这或许是个好消息。如果人工智能的确是公正的，当我们要求它解决诸如“地球动力学的方向和局限性”（Directions and Limitations of Earth’s Kinetics）之类的问题时，它可能会先为该项目选择一个首字母缩略词。年长的科幻迷会发现，这个问题的首字母缩写为DALEK ，然后他们会回忆起随后的解决方案是下达命令：“消灭！”读者们要当心。