人類(lèi)何時(shí)開(kāi)始研究地球變暖

陸凡

2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給兩位研究地球氣候變暖的科學(xué)家，其實(shí)，全球變暖并不是近幾十年才被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的，早在19世紀(jì)就有科學(xué)家預(yù)見(jiàn)，二氧化碳終有一天會(huì)改變地球溫度。

傅里葉：最早研究氣候變暖的科學(xué)家

19世紀(jì)初，科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，催生了人類(lèi)對(duì)氣候問(wèn)題的早期研究。其中一位是法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家約瑟夫·傅里葉，他窮盡畢生精力研究控制熱量傳遞的力學(xué)原理以及方程式，但他一直被一個(gè)問(wèn)題所吸引：為什么地球能夠如此溫暖？因?yàn)楦鶕?jù)他估算出的太陽(yáng)照射到地球的能量，地球的溫度照理應(yīng)該比實(shí)際低很多。

1807年，傅里葉寫(xiě)成關(guān)于熱傳導(dǎo)的論文《熱的傳播》，為了解熱傳導(dǎo)方程，他才創(chuàng)立了傅里葉分析理論。1820年，傅里葉計(jì)算出，一個(gè)物體假設(shè)有地球那樣的大小，到太陽(yáng)的距離和地球一樣，如果只考慮太陽(yáng)輻射的熱效應(yīng)，那么這個(gè)物體應(yīng)該比地球?qū)嶋H的溫度更低。因此，必然有其他熱源。雖然傅里葉認(rèn)為，星際輻射或許占了其他熱源的一大部分，但是他第一次提出，地球大氣層可能是一種隔熱體，大氣層像溫室一樣，保存了從太陽(yáng)輻射進(jìn)來(lái)的一部分熱量，使得地球不至于像沒(méi)有大氣層的月球一樣，被太陽(yáng)照射時(shí)溫度急劇升高，不受太陽(yáng)照射時(shí)溫度急劇下降。

傅里葉提出了以下預(yù)言：“人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，加上大自然力量的作用，可能在地球的廣泛地區(qū)引起地表狀態(tài)、水資源分布以及大氣運(yùn)動(dòng)等方面的顯著變化。在幾個(gè)世紀(jì)后，這樣的變化一定會(huì)使那些地區(qū)的平均氣溫發(fā)生變化。”這是人類(lèi)對(duì)地球可能發(fā)生氣候變化做出的最早預(yù)測(cè)之一—盡管當(dāng)時(shí)，人類(lèi)尚未弄清氣候變化的原因、氣候?qū)?huì)如何變化以及究竟是何種氣體會(huì)對(duì)氣候造成影響。

尤尼斯·牛頓·富特：最早發(fā)現(xiàn)“溫室氣體”

19世紀(jì)20年代，法國(guó)數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家約瑟夫·傅里葉提出了“大氣層像溫室一樣”的假設(shè)，30多年之后，美國(guó)業(yè)余科學(xué)家、杰出的婦女參政論者尤尼斯·牛頓·富特用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傅里葉的假設(shè)。

富特出生于1819年，17歲時(shí)，富特進(jìn)入當(dāng)?shù)匾凰麨椤鞍敗ね隆钡呐訉W(xué)校學(xué)習(xí)，如今這所女子學(xué)院被譽(yù)為“女性教育的圣地”。富特在學(xué)校的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中完成了研究項(xiàng)目所需要的規(guī)劃，且熟練掌握了化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的使用和操作技能。

1856年，富特對(duì)不同氣體的吸熱能力進(jìn)行了測(cè)試，這是人類(lèi)歷史上首次進(jìn)行此類(lèi)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)，她的研究工作只使用了一些簡(jiǎn)單的儀器，包括兩個(gè)長(zhǎng)76厘米、直徑10厘米的玻璃瓶，每個(gè)玻璃瓶裝有一支溫度計(jì)。她在這兩個(gè)玻璃瓶中加入了不同的氣體，并通過(guò)溫度變化比較氣體對(duì)太陽(yáng)光照射的熱效應(yīng)。富特發(fā)現(xiàn)，潮濕的空氣比干燥的空氣能吸收更多的太陽(yáng)輻射。與一般的空氣相比，二氧化碳吸收的太陽(yáng)輻射更多。同時(shí)，她還發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，充滿(mǎn)二氧化碳的玻璃瓶，比充滿(mǎn)氫氣或氧氣的玻璃瓶要熱得多。由此，富特揭示了二氧化碳和水蒸氣在溫室效應(yīng)中的重要作用。富特將實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫(xiě)進(jìn)了論文，并提出了一個(gè)驚人的預(yù)言：“發(fā)生在裝滿(mǎn)二氧化碳的玻璃瓶里的事情，同樣也可能發(fā)生在我們的星球上……如果大氣層中充滿(mǎn)了這類(lèi)氣體，地球的溫度將會(huì)升到很高。”這篇論文發(fā)表在1856年的美國(guó)《科學(xué)》雜志上。當(dāng)時(shí)，全球的氣候變化并不明顯，但富特前瞻性地預(yù)測(cè)，二氧化碳濃度的改變會(huì)影響全球溫度。

這是氣候物理學(xué)史上第一個(gè)真正的實(shí)驗(yàn)，但不幸的是，她的實(shí)驗(yàn)后來(lái)被人們遺忘了。而且，當(dāng)她要在當(dāng)時(shí)美國(guó)最著名的科學(xué)組織—美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)面前展示她的研究成果時(shí)，協(xié)會(huì)不允許女性發(fā)言，因此，她的研究報(bào)告是由一名男性同事宣讀的。

一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，尤其是早期主要集中在歐洲的氣候科學(xué)家，似乎都沒(méi)有討論或引用過(guò)富特的研究成果。直到21世紀(jì)，退休的石油地質(zhì)學(xué)家雷蒙德·索倫森在他搜集的《科學(xué)發(fā)現(xiàn)年鑒》舊版本1857年卷中，意外地看到了關(guān)于富特工作的描述。他立刻意識(shí)到，這是第一篇將二氧化碳與氣候聯(lián)系起來(lái)的論文。2011年，他公開(kāi)發(fā)表了他的發(fā)現(xiàn)。隨后越來(lái)越多的科學(xué)家和歷史學(xué)家開(kāi)始發(fā)現(xiàn)富特研究的價(jià)值。

約翰·廷德?tīng)枺菏状巫C明了大氣中的二氧化碳與溫室效應(yīng)之間的聯(lián)系

愛(ài)爾蘭物理學(xué)家、氣象學(xué)家約翰·廷德?tīng)柦?jīng)過(guò)多年的觀(guān)察與研究，于1859年得出結(jié)論：水蒸氣對(duì)保持地球大氣的溫度十分重要，其他氣體（如二氧化碳和氧氣）也起到同樣的作用。他開(kāi)始進(jìn)行大量計(jì)算，通過(guò)改變公式中這些氣體的值來(lái)得出不同的結(jié)果，最后的結(jié)論是：增加像二氧化碳這樣的氣體會(huì)對(duì)氣候產(chǎn)生十分顯著的影響。這就是我們現(xiàn)在所說(shuō)的全球變暖，亦稱(chēng)之為溫室效應(yīng)。廷德?tīng)柊l(fā)現(xiàn)，二氧化碳在吸收熱量上具有非常強(qiáng)的能力。

廷德?tīng)栆彩堑谝粋€(gè)提出天空藍(lán)色理論的人，他的理論被稱(chēng)為“廷德?tīng)栃?yīng)”。當(dāng)時(shí)人們用廷德?tīng)栃?yīng)來(lái)解釋天空的顏色，認(rèn)為是由于大氣中存在大量的灰塵、小水滴、冰晶等眾多的小微粒，而太陽(yáng)光在通過(guò)大氣時(shí)，會(huì)不可避免地遇到這些微粒，將太陽(yáng)光中波長(zhǎng)較短的藍(lán)色光散射到整個(gè)天空當(dāng)中，因此整個(gè)天空才會(huì)呈現(xiàn)藍(lán)色。這種說(shuō)法流行一時(shí)，直到1900年英國(guó)物理學(xué)家瑞利勛爵發(fā)現(xiàn)了瑞利散射現(xiàn)象，天空的“藍(lán)色之謎”才被真正揭開(kāi)。

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斯凡特·阿倫尼烏斯：創(chuàng)建了世界上第一個(gè)氣候變化模型

人類(lèi)在氣候科學(xué)方面的最終進(jìn)步出現(xiàn)在1896年，那一年瑞典物理學(xué)家斯凡特·阿倫尼烏斯創(chuàng)建了世界上第一個(gè)氣候變化模型。

1896年，阿倫烏尼斯發(fā)表了“大氣中的二氧化碳對(duì)地球溫度的影響”的論文，在論文中，他不僅提出了“人類(lèi)向大氣排放二氧化碳將使地球表面不斷升溫”這樣一個(gè)觀(guān)點(diǎn)，還給出了計(jì)算公式。他提出，如果大氣中的二氧化碳含量增加1倍，地球表面溫度會(huì)升高5℃或6℃，這跟后來(lái)一些氣候?qū)W家的計(jì)算模型差別不大。1908年，阿倫尼烏斯又寫(xiě)出了另一篇論文《形成的世界》，進(jìn)一步指出，由于工業(yè)的迅速發(fā)展，大氣中二氧化碳的比重在未來(lái)幾個(gè)世紀(jì)中會(huì)增加到令人矚目的程度。但是他判斷要經(jīng)過(guò)3000年不斷燃燒化石燃料，大氣中的二氧化碳含量才會(huì)翻番。阿倫尼烏斯計(jì)算出了地球溫度上升的速率，但沒(méi)有考慮到人類(lèi)文明演進(jìn)的速度—隨著科技的進(jìn)步，越來(lái)越多的在地下埋藏了千萬(wàn)年的煤被挖掘出來(lái)，填入了工業(yè)文明這臺(tái)巨大的發(fā)動(dòng)機(jī)里去。

說(shuō)到災(zāi)難，令阿倫尼烏斯和他同時(shí)代的科學(xué)家更為擔(dān)心的是，火山爆發(fā)可能會(huì)嚴(yán)重?cái)_亂世界氣候。19世紀(jì)的科學(xué)家知道氣候突然發(fā)生變化會(huì)對(duì)人類(lèi)造成致命威脅，但是他們想象不到氣溫的逐漸升高會(huì)帶來(lái)什么樣的危險(xiǎn)。他們沒(méi)有預(yù)見(jiàn)到，全球變暖將給人類(lèi)帶來(lái)很多嚴(yán)重的問(wèn)題，例如，氣候變暖對(duì)遷徙入侵物種造成的各種挑戰(zhàn)、冰川消失后出現(xiàn)的復(fù)雜的生物圈反饋現(xiàn)象等。實(shí)際上，阿倫尼烏斯認(rèn)為一個(gè)更暖和的地球會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)更多好處。

蓋伊：第一次提出氣候變暖與人類(lèi)活動(dòng)有關(guān)

盡管早在18世紀(jì)之前就建立了氣象學(xué)，但是我們看到，發(fā)現(xiàn)全球變暖與人類(lèi)有關(guān)的科學(xué)家大多是其他領(lǐng)域的科學(xué)家，蓋伊也不例外。蓋伊是發(fā)動(dòng)機(jī)工程師，但他有收集天氣數(shù)據(jù)的愛(ài)好。在收集天氣數(shù)據(jù)的過(guò)程中，他觀(guān)察到全球的溫度在近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)有所上升。由于好奇全球變暖的成因，蓋伊利用業(yè)余時(shí)間，一共花了上千個(gè)小時(shí)跟世界各地的科學(xué)家和研究人員進(jìn)行通信交流，并從數(shù)百個(gè)氣象站收集了大量的證據(jù)。蓋伊在考慮了各種能導(dǎo)致全球氣溫升高的因素之后，還進(jìn)行了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的手工計(jì)算，最后他發(fā)現(xiàn)，大氣中二氧化碳的含量已從19世紀(jì)的274～292ppm，上升到1937年的300ppm。二氧化碳含量的增長(zhǎng)不僅和全球氣溫上升呈高度相關(guān)，而且還能直接歸因于人類(lèi)日益增加的生產(chǎn)活動(dòng)。

蓋伊在1937年發(fā)表了論文《二氧化碳的人工生產(chǎn)及其對(duì)溫度的影響》，這篇論文發(fā)表一年后被更為專(zhuān)業(yè)的人士所注意。蓋伊得以在6位氣象學(xué)專(zhuān)家面前介紹他的研究成果。遺憾的是，盡管蓋伊的結(jié)論是建立在嚴(yán)格的科學(xué)程序上的，但是專(zhuān)家們首先質(zhì)疑的是蓋伊論文中二氧化碳和溫度的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而不是選擇檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，并直接忽略蓋伊的發(fā)現(xiàn)。其中一位專(zhuān)家還直言：“蓋伊并不是氣象學(xué)專(zhuān)家。”因此蓋伊的論文沒(méi)有被廣泛地宣傳。但蓋伊并沒(méi)有氣餒，他不斷地發(fā)表更為全面的論文，直到1964年去世之前，仍在進(jìn)行相關(guān)的研究。

查爾斯·基林：為人類(lèi)活動(dòng)“干預(yù)”自然界提供了最有說(shuō)服力的科學(xué)證據(jù)

蓋伊的努力并非是徒勞的，總有科學(xué)家會(huì)對(duì)蓋伊的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生興趣，美國(guó)地球化學(xué)家查爾斯·基林就是其中一員。基林從蓋伊的經(jīng)歷中吸取了教訓(xùn)，他收集地球二氧化碳的數(shù)據(jù)所使用的是自己參與研制的、精確度享譽(yù)整個(gè)科學(xué)界的儀器。

基林于1958年開(kāi)始在夏威夷莫納羅亞觀(guān)測(cè)站測(cè)量大氣中的二氧化碳濃度。他的初步測(cè)量結(jié)果顯示，二氧化碳濃度有很強(qiáng)的季節(jié)循環(huán)特性，每年夏天都會(huì)隨著植物吸收二氧化碳而降低。不過(guò)，到了1961年，他的結(jié)論是二氧化碳濃度確實(shí)在穩(wěn)定地上升中。著名的“基林曲線(xiàn)”就是基林的研究成果之一。基林曲線(xiàn)是一幅圖，該圖準(zhǔn)確地顯示了地球上逐年增加的二氧化碳含量。基林的研究表明，正是由于人類(lèi)日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)活動(dòng)，造成了地球大氣二氧化碳含量的增加，從而導(dǎo)致全球變暖和溫室效應(yīng)。