第一性原理：第3章-全球變暖
作者：[英]馬庫斯·喬恩
#第一性原理21
第3章 全球變暖
二氧化碳等分子吸收地表輻射出的熱量，並將其積蓄在大氣層中。
地球可能很快就會變得像金星一樣。
——史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)
地球大氣層中的某些氣體分子能夠積蓄地表散發出的熱量，正是因為有了它們，地球才不至於被凍住，使得生命的誕生成為可能。實際上，如果沒有最重要的蓄熱氣體——水蒸氣，我們的地球就會變成一顆平均氣溫只有零下18攝氏度的大冰球。
我們周圍的空氣並不是一副冷面孔，而是會被太陽光加熱，這一點是在1856年由一位鮮為人知的美國科學家尤妮斯·富特(Eunice Foote)發現的。富特本來姓牛頓，她的父親小艾薩克·牛頓(Isaac Newton, Jr.)正是那位發現萬有引力定律的著名英國物理學家艾薩克·牛頓的遠房親戚。富特在一些長玻璃管中充入氧氣、氫氣等不同氣體，並在其中插入溫度計。她將這些玻璃管放在太陽下曬，發現在所有氣體中，水蒸氣和二氧化碳，她稱之為“碳酸”，升溫幅度最大。她由此推測，大氣中這兩種氣體含量的變化，也許會導致氣候變化。富特因此成為史上第一個指出這種聯繫的人。
愛爾蘭物理學家約翰·丁達爾(John Tyndall)在不知道富特的發現的情況下，於三年後獨立確認了這一事實，更重要的是，他還將這一研究向前推進了一步。富特並沒有確定是來自太陽的可見光直接加熱了空氣，還是太陽光先加熱了地表，然後地表輻射出的不可見的紅外線加熱了空氣。丁達爾製作了一個紅外輻射源，這是一個裝滿開水的銅制立方體（稱為“萊斯利立方體”），並以此證明瞭水蒸氣和二氧化碳並不直接吸收太陽光，而是吸收地表輻射出的紅外線。回想起來，空氣並不是直接被太陽光加熱的這一事實並不奇怪。畢竟幾乎所有人都知道，大氣是透明的，它並不吸收可見光，否則我們怎麼能透過大氣看到太空中的日月星辰呢？
所以事情是這樣的，白天來自太陽的可見光一路穿過大氣層加熱地表，然後熱量以紅外線的形式輻射出來，被大氣中的水蒸氣和二氧化碳吸收（見圖3-1）。丁達爾寫道：“大氣層允許太陽的熱量進入，卻限制熱量的離開，這導致熱量積蓄在地球表面。”顯然，這就是著名的“溫室效應”，雖然這個名字並不恰當。在溫室中，空氣升溫主要是因為玻璃屋頂阻止了空氣上升（對流）帶走熱量，而不是因為存在能吸收熱量的分子。
一般來說，紅外線容易被只含有兩三個原子的簡單分子吸收，因為紅外線的能量與這些分子的振動相匹配。簡單來說，你可以認為水(H2O)或二氧化碳(CO2)分子中的原子是由可以伸縮的彈簧連接起來的。
大氣中含量最高的分子是氮氣(N2)，其佔比為78.08%，其次是氧氣(O2)，其佔比為20.95%。那麼問題來了：為什麼氮氣和氧氣沒有表現出溫室氣體的效應呢？[插圖]要回答這個問題需要一點專業知識。只有當分子中兩個原子之間彈簧的伸縮會同時改變分子中正負電荷的分布（稱為“偶極矩”）時，這種分子才會吸收紅外線。幸運的是，氮氣和氧氣分子都不滿足這一條件，否則我們的地球就會變得像烤爐一樣炎熱！
富特和丁達爾的發現引起了轟動，因為它不僅說明瞭像空氣這種沒有實體的東西也能積蓄熱量，更說明瞭像二氧化碳這種在大氣中含量僅為0.04%的微量成分也能產生如此巨大的效應。富特和丁達爾都指出二氧化碳與氣候之間可能存在聯繫。1896年，瑞典化學家斯萬特·阿倫尼烏斯(Svante Arrhenius)指出，在冰期的末尾，是二氧化碳濃度的上升幫助地球重新回暖。同時他還指出，燃燒煤炭、石油等化石燃料會產生大量的二氧化碳，從而導致“熱室效應(hot-house effect)”。這個詞後來沒有被沿用下去，今天我們則普遍稱之為“全球變暖”。阿倫尼烏斯也因此成為史上第一個提出人類活動會改變氣候的科學家。
現在我們知道他說得沒錯。根據夏威夷莫納羅亞火山頂部的監測數據，二氧化碳濃度已經從1958年的0.0315%上升到2021年的0.042%，並且二氧化碳濃度的上升與全球氣溫的上升趨勢吻合，這印證了阿倫尼烏斯的預測。
由於沒有科學觀測的數據，要瞭解歷史上地球氣候的變化情況，我們需要通過間接指標來推算氣溫和大氣中二氧化碳的濃度。例如，二氧化碳濃度可以通過樹木的年輪和生物的甲殼進行推算，而氣溫則可以通過冰芯進行推算，因為不同溫度下形成的雪存在可被測量的差異。
這些證據所繪制出的圖景令人感到不安。與工業時代之前相比，燃燒化石燃料所產生的二氧化碳已經使全球氣溫上升了大約1.18攝氏度，而2016—2020年更是成了有記錄以來最熱的時期。格陵蘭和南極的冰蓋以及全球的冰川都在加速消融，北冰洋海冰的面積和厚度也在過去幾十年間快速下降。不僅如此，人類產生的二氧化碳還會被海洋吸收形成碳酸，導致海水酸化，對珊瑚等生物的生存環境造成威脅。
目前，世界各國正在努力將相比工業時代前的氣溫上升水平控制在2攝氏度以內，這需要在2050年前減少80%的二氧化碳排放，這是一個十分艱巨的任務。儘管如此，我們必須找到一種替代燃燒化石燃料產生水蒸氣推動汽輪機運動的發電方法，可能的選項包括通過光伏板直接利用太陽光發電以及利用風能和海浪發電。
然而，並不只有燃燒化石燃料產生的二氧化碳會導致全球變暖，用石灰岩生產水泥的過程也是二氧化碳排放的一種來源。此外，甲烷、一氧化氮等其他溫室氣體的濃度也在上升。一氧化氮的排放主要來自汽車尾氣，而甲烷的排放則主要來自農場中飼養的牲畜的代謝活動。
令人擔憂的是，我們可能早晚會迎來某個拐點，此時正反饋循環會讓問題進一步惡化。例如，海冰減少會讓反射回宇宙空間的太陽光減少，從而加速全球變暖。隨著永久凍土的融化，土壤會釋放出固定在其中的甲烷，它比二氧化碳的溫室效應更顯著，從而進一步加速全球變暖。
最諷刺的是，儘管人類造成的溫室效應正在威脅人類文明自身的存續，但正如之前所說，溫室效應其實是在過去40億年間維持地球宜居環境的功臣。自然界甚至存在一種調控大氣中二氧化碳濃度的機制，它能確保地球不會因為二氧化碳濃度過高而過熱，也不會因為二氧化碳濃度過低而過冷。二氧化碳會與岩石和水發生反應生成碳酸，形成石灰岩以及其他碳酸鹽。當板塊構造相互擠壓時，這些含有二氧化碳的岩石就會沈入地球內部（參見第6章）。通過火山活動等方式注入大氣的二氧化碳越多，這種碳循環就會以更快的速率將二氧化碳埋入地下。大自然就是通過這種方式來調節大氣中的二氧化碳濃度，維持全球氣溫的穩定。不幸的是，碳循環只能在長期尺度上發揮作用，並不足以在短期內去除人類以空前速率向大氣排放的二氧化碳。
儘管如此，碳循環本身在歷史上也曾發生過異常，分別在22億年前、7.46億年前和6.35億年前。這三次碳循環異常都表現為二氧化碳濃度過低，導致地球完全被厚厚的冰層覆蓋，直到火山活動噴出足夠的二氧化碳融化了冰層，才為“雪球地球”時代畫上了句號。
將地球與其最近的鄰居金星進行比較，更能體現出板塊構造和碳循環的重要性。金星和地球大小差不多，早期的金星上可能也有海洋和河流。然而，由於金星與太陽的距離比地球近30%，這使得金星中的海洋蒸發大量水蒸氣進入大氣層，導致熱量積蓄，讓氣溫進一步升高，形成了一種危險的正反饋循環。在大氣層頂部，水分子在太陽紫外線輻射的作用下被分解成氫原子和氧原子，逸散到宇宙空間中。不僅如此，氣溫的升高還導致二氧化碳從岩石中析出，現在金星大氣中二氧化碳濃度高達96%，其表面溫度超過了金屬鉛的熔點，其表面大氣壓強相当于地球上大约1000米深的海底的大氣壓強。
金星大氣中的二氧化碳總量與地球岩石中所固定的二氧化碳總量相當，因此，金星失控的溫室效應為我們敲響了警鐘。美國行星科學家卡爾·薩根(Carl Sagan)寫道：“不可控溫室效應很可能會出現，我們必須認真對待，全球溫度哪怕只提高一兩攝氏度，都會帶來災難性的結果。”
關於溫室效應，曾有一個謎團困擾了科學家很多年，它就是“黯淡太陽悖論”。太陽模型顯示，地球誕生之初，太陽的亮度只有現在的70%，按道理說，地球應該非常寒冷才對。然而，根據地球上保存至今最古老的岩石——鋯石所提供的證據，早在44億年前地球上就已經存在液態水了。對此，最好的解釋是原始地球擁有很厚的大氣層，且在火山活動的作用下含有高濃度的二氧化碳，其含量高達70%，而不是現在的0.04%。但僅靠這些似乎還不夠。
2021年，位於德國哥廷根的馬克斯·普朗克太陽系研究所的研究者勒內·海勒(René Heller)及其同事提出，地球誕生後不久曾遭到一個質量接近火星的天體的撞擊，月球便是由此誕生的。最初，月球與地球的距離可能只有現在的1/15，它在岩漿或液態海洋中引發了高達2千米的潮汐。潮汐是天體之間由引力作用引發的拉扯和擠壓。在第1章中提到過，潮汐效應使木衛一成了太陽系中火山活動最活躍的天體。在原始地球上可能也產生了類似的潮汐熱，潮汐熱與溫室效應疊加，才使得地球逃過了被冰凍的命運。
儘管溫室效應可能是地球在早期沒有被冰凍的主要原因，但“黯淡太陽悖論”對於火星來說是個更大的問題。大量證據表明火星表面曾存在液態水，而在火星誕生後的前5億年中，其表面甚至存在河流和海洋。問題是火星與太陽的距離是地球的1.5倍，這意味著它從太陽接受的熱量只有地球的一半。火星究竟是如何逃過被冰凍的命運的，至今依然是一個未解之謎。
[插圖]圖3-1 蓄熱原理
蓄熱：太陽加熱地表，然後地表輻射出的熱量被大氣中的水蒸氣、二氧化碳等“溫室氣體”吸收。
留言
張貼留言