更溫暖的天空下：全球變暖研究170年

全球變暖作為一種警示，應當說是20世紀70年代才提出的想法，然而作為一門純科學，它的歷史可以追溯到更早以前。

丁鐸爾：率先對大氣層的運行方式做出準確的描述

在19世紀50年代晚期，一位名叫約翰·丁鐸爾的愛爾蘭物理學家便開始著手研究不同氣體的吸收性能。他的發現使其率先對大氣層的運行方式做出了準確的描述。

1820年，丁鐸爾出生在卡洛郡。他十七八歲就離開了學校，在英國政府擔任測量員。丁鐸爾利用晚上的時間自學，隨後成為一名數學老師。雖說他不會講德語，卻啟程去了馬爾堡，師從羅伯特·威廉·本生（「本生燈」就是用他的名字命名的）。丁鐸爾取得博士學位（其時這一學位剛剛設立）之後，便遭遇了生計之憂，直到1853年，他應邀去倫敦的皇家科學院作了一場演講，那裡是當時英國最重要的科學中心之一。

這次成功演講之後，丁鐸爾獲得了一個又一個的演講邀請。幾個月後，他當選為自然哲學教授。他的演講非常受歡迎，很多後來都結集出版了。這既證明了丁鐸爾擁有極高的演講才能，也證明了維多利亞時代中產階級對知識的興趣。丁鐸爾後來又到美國做了一次演講旅行，收入豐厚；他把所得款項委託給一家信託機構代管，用於發展美國的科學事業。

丁鐸爾的研究範圍從光學到聲學再到冰川運動，其多樣與廣博程度令人難以置信。（他是一個狂熱的登山愛好者，經常去阿爾卑斯山研究冰雪。）他最為持久的興趣之一便是熱學，而這門學科在19世紀中期發展迅速。

1859年，丁鐸爾製造出世界上第一台比分光光度計（ratio spectrophotometer），這台儀器使得他能夠對不同氣體吸收和傳輸熱輻射的方式進行比較。丁鐸爾在檢驗空氣中最常見的兩種氣體（氮氣和氧氣）時發現，無論是可見光還是紅外線，都可以透過這兩種氣體。而二氧化碳、甲烷和水蒸氣等其他氣體，卻不是如此。就二氧化碳和水蒸氣來說，光譜中的可見光是可以穿透的，但紅外線不能穿透。丁鐸爾很快意識到自己上述發現的意義：他宣布，選擇性透光的氣體，在很大程度上是行星氣候的決定要素。他把這些氣體的作用比作攔河大壩：正如大壩「會帶來水流局部的加深，大氣層作為攔截地球熱輻射的一道關卡，也會導致地球表面溫度的局部上升」。

丁鐸爾認識到的這種現象，正是今人所說的「自然的溫室效應」。這一現象無可爭議地存在；事實上，這一現象也被看作是地球生命存在的基本條件。要想弄清楚溫室效應的運作機制，我們不妨想像一下，如果沒有溫室效應，世界將會怎樣？

在這種情況下，地球將會持續不斷地吸收太陽光的能量，但與此同時，它也不間斷地將能量反射回宇宙空間。所有的熱物體都放射光熱，而它們放射光熱的總量由各自的溫度決定。

[斯特藩玻爾茲曼定律最為準確地表述了這種關係。這一定律指出，一個物體發出的熱輻射與物體絕對溫度的4次方成正比。P／A ＝σT⁴(P代表能量，單位為瓦特；A代表面積，單位為平方米；T代表溫度，單位是開氏度；σ是斯特藩玻爾茲曼常數5.67×10-⁸W／m²K⁴）]。

地球為了保持能量均衡，其放射到太空中的能量總和必須等於它所吸收的總能量。一旦這種平衡由於某種原因被打破，行星就會變熱或者變涼，直至溫度再一次讓這兩股能量流相抵平衡。

世界上第一台比分光光度計是丁鐸爾製造的，用來測量各種氣體的吸收性能。

引自《哲學學報》，第151卷（1861）

如果大氣中沒有溫室氣體的話，那麼從地球表面放射出的能量會毫無阻擋地流逝。在這種情況下我們將很容易計算出，當地球向太空放射的能量與其從太陽吸收的能量完全相等時，地球的熱量和溫度將會是多少。（當然，對於不同的位置和時令節氣來說，能量的差別甚大。如果我們取所有緯度和季節的平均數，那麼這一數值大約是每平方米235瓦特，大致等於4隻家用白熾燈泡的功率。）

丁鐸爾計算出來的結果是0華氏度（約-17.8攝氏度），非常寒冷。用丁鐸爾帶有維多利亞風格的語言來表達，如果空氣中不再含有保溫的氣體，「土地和花園中的熱量將會不求回報地將自己注入太空，而太陽將會在一個禁錮於嚴寒中的島嶼上升起」。

由於溫室氣體具備選擇性吸收的特性，它也就改變了地球的環境。太陽光主要是以可見光的形式照射到地球上的，因此溫室氣體可以讓太陽光的輻射自由地通過。但是地球輻射是以紅外線的方式發出的，所以一部分的地球輻射就被溫室氣體阻擋了。溫室氣體吸收了紅外輻射，隨後又重新發射這部分光，其中一部分射向太空，一部分放射回地球。於是，這一吸收和再放射的過程就起到了限制能量外流的作用。其結果就是，地表及低層大氣的實際溫度必須比前面提及的溫暖得多，才能向外發射每平方米235瓦特熱量。溫室氣體的存在很好地說明了全球平均溫度為什麼是更為舒適的57華氏度（約13.9攝氏度），而不是刺骨的0華氏度。

丁鐸爾患有失眠症，並且年紀越大癥狀越嚴重。1893年，他死於水合氯醛（chloral hydrate，一種早期的安眠藥）過量，那天是妻子給他用的葯。（據傳，他臨死之前對妻子說：「我可憐的寶貝，你殺死你的約翰啦。」）

《災異手記：人類、自然和氣候變化》，譯林出版社2022年10月出版，[美]伊麗莎白·科爾伯特（Elizabeth Kolbert）著，何恬 譯。

阿列紐斯：好奇地探究二氧化碳對全球溫度的影響

就在丁鐸爾中毒身亡的同一時期，瑞典化學家斯萬特·阿列紐斯，在丁鐸爾停下腳步的地方繼續推進著這項研究。

阿列紐斯最終成了19世紀的科學巨人之一，但他和丁鐸爾一樣，人生的開始也並不如意。1884年，當阿列紐斯還是烏普薩拉大學的學生時，他撰寫了有關電解質特性的博士論文。（後來他於1903年因為這項工作獲得諾貝爾獎，其研究對象即是今日所說的電離作用理論。）大學的考試委員會並未被這篇文章打動，只給它評了個第四等級（non sine laude）的分數。接下來的幾年裡，阿列紐斯在國外換了一個又一個的職位，最終在家鄉瑞典獲得教職。直到獲得諾貝爾獎前不久，他才入選瑞典科學院，而且即便如此，他的當選仍需面對強大的反對聲浪。

阿列紐斯之所以會好奇地探究二氧化碳對全球溫度的影響，其中的確切原因尚不清楚。他似乎尤其對「二氧化碳水平的降低是否導致冰期形成」的問題感興趣。[一些傳記作者注意到，雖然很難找到什麼確實的聯繫，但他對此問題展開研究之時，正是他和妻子（也是他曾經的學生）分手的那段時間，而她帶走了他們唯一的兒子。]

事實上，在他之前，丁鐸爾早就意識到了溫室氣體水平對氣候的影響，甚至（有先見之明地，但不是完全正確地）推測：溫室氣體水平的變化，將導致「地質學家的研究所披露的各種氣候突變」。但是，丁鐸爾的研究從未超越這種定性推測的範疇。

而阿列紐斯則下決心計算出：地球溫度到底是如何受到二氧化碳水平變化之影響的。他後來將這項工作形容為自己人生中最單調乏味的事情之一。1894年的平安夜，他開始了這項工作。雖然他每天有規律地苦幹14個小時，但也還是一直忙了將近一年才接近尾聲。他在寫給朋友的信中說：「我自從攻讀學士學位以來，還從未這樣努力地工作過。」1895年12月，他最終向瑞典科學院遞交了他的研究結論。

用今天的標準來看，阿列紐斯的研究看起來原始而粗糙。他所有的計算都是用筆和紙完成的。他遺漏了有關光譜吸收的重要信息，也忽視了若干潛在的重要的回饋作用。然而，這些缺陷差不多都互相抵消了。阿列紐斯追問道，如果二氧化碳水平減半或者加倍，地球氣候將會發生什麼樣的變化？就加倍的情況來說，他確定全球的平均溫度將會上升9到11華氏度，這一結果接近如今最為精密的氣候模型的估測。

阿列紐斯還取得了一大概念性的突破。其時，整個歐洲的工廠、鐵路和發電站都在燃燒煤炭、噴出濃煙。阿列紐斯意識到，工業化和氣候變化密切相關，礦物燃料的消耗日積月累，終將導致氣候變暖。當然，他並沒有意識到這一問題的嚴重性。由於深信海洋將像一個巨大的海綿那樣吸收額外的二氧化碳，阿列紐斯認為空氣中二氧化碳的累積速度將極其緩慢。根據他的某次估計，煤炭燃燒再持續3000年，大氣中的二氧化碳水平才會增加一倍。或許由於他所生活的年代，又或許因為他是個北歐人，阿列紐斯預期的氣候變化的結果從整體上來說有益於人類的生存。

在向瑞典科學院發表演講時，阿列紐斯宣稱，其時被稱為「碳酸」（carbonic acid）的二氧化碳水平日益升高，將會讓未來的一代代人「生活在更溫暖的天空下」。之後，他又在自己撰寫的眾多科普著作之一《正在形成的世界》中，詳細說明了這一觀念：

「由於大氣中碳酸比重的增加，人類將能享受到更為溫和也更為宜人的氣候，對生活在地球寒冷地區的人來說尤其如此。到那時，地球將能生產出更為充足的農作物來養活人口快速增長的人類。」

阿列紐斯在1927年去世後，人們對氣候變化的興趣減少了。很多科學家堅持認為，即便二氧化碳水平真的在升高，增速也非常緩慢。

基林：研究更準確測量大氣中二氧化碳含量的新方法

20世紀50年代中期，不知出於什麼原因，一個名叫查爾斯·戴維·基林的年輕化學家，決心研究更為準確地測量大氣中二氧化碳含量的新方法。（後來，他將這一決定的理由歸結為他覺得裝配這些必要的設備「非常有趣」。）1958年，基林說服美國氣象局在新氣象台使用他的技術來監測二氧化碳。這一氣象台的海拔高達11000英尺，位於夏威夷島上的莫納羅亞山側翼。從那時起，這種二氧化碳的測量工作就在莫納羅亞山延續至今。這些被稱作「基林曲線」的測量結果，也許可以稱得上是迄今為止最為廣泛發行的一套自然科學數據了。

從圖形上看，基林曲線像是一段傾斜的鋸齒邊。每一個鋸齒對應一年。二氧化碳的水平在夏季降到最低點，此時北半球的樹木因為光合作用而吸收它；二氧化碳又在冬季增長到最高，其時樹木都處於休眠狀態。（南半球的森林較少。）同時，曲線的傾斜向上表明了年平均值的增長。

基林曲線表明，從20世紀50年代開始，二氧化碳的水平一直在穩步上升。

引自斯克里普斯海洋學研究所

莫納羅亞山二氧化碳水平的第一次全年監測是在1959年，當年的平均值為316ppm。接下來的一年，這一平均值達到了317ppm。這一結果促使基林發現，學界目前有關海洋吸收二氧化碳的假設有可能是錯誤的。到1970年，二氧化碳水平已經達到325ppm，1990年上升至354ppm。2005年夏天，二氧化碳的水平已經達到了378ppm。如今，已經差不多上升到了380ppm。按照這一速度，到21世紀中葉，這一數值將達到500ppm，差不多是前工業化時代的兩倍。也就是說，比阿列紐斯的預言提前了將近2850年。

（作者伊麗莎白•科爾伯特，系美國記者，《紐約客》特約撰稿人和環境評論員，常年行走在世界環境變化的報道一線，以驚心動魄的文字和嚴謹科學的考據，為世人傳來冰川消融、物種滅絕和氣候變遷的消息。因收錄在《災異手記》中的「全球變暖」系列報道獲美國全國期刊獎，因《大滅絕時代》獲普利策非虛構作品獎，她與比爾•蓋茨和阿爾•戈爾一起，位列我們這個時代最重要的環境觀察員和行動者。本文摘自《災異手記》一書，澎湃科技獲授權轉載。）