實驗室制取二氧化碳【失控的二氧化碳】

　　鱷魚在北極暢游?你最好相信這一點,900萬年前,地球非常暖和,以至于鱷魚這樣的熱帶生物曾經(jīng)在北極圈內(nèi)生存和繁衍。當然,地球并不總是那么炎熱,在某些時候,它也異常寒冷,冰塊覆蓋了大半個地球。
　　為什么地球會在兩種極端的氣候之間徘徊?科學界的主流意見是,二氧化碳是主導(dǎo)者。過去10億年中,伴隨著炎熱的氣候的是大氣中高含量的二氧化碳,反之亦然。當然,凡事總有例外,極少量的研究證明,在某些時期,二氧化碳含量高時,氣候也極其寒冷;而氣候變得炎熱時,二氧化碳的含量反而異乎尋常地高。
　　是什么因素引起了這一奇怪的現(xiàn)象?面對這道氣象難題,我們漏掉了點什么嗎?
　　研究人員希望盡快解開這一謎題,他們回顧過去億萬年中的氣候變遷,這有助于預(yù)測在未來的一段時期內(nèi),隨著大氣中二氧化碳的迅速增長,氣候會發(fā)生什么樣的變化。
　　對過去的氣候的研究的難點在于,億萬年前地球上究竟發(fā)生了什么。幸運的是,我們有不少可以參照的線索。巖石會告訴我們,它形成時的情況。舉個例子,某些種類的巖石只能在地球上有液體水的時候形成。對冰川遺跡的研究和鑒定,也有助于了解古氣候變化規(guī)律。
　　綜合了各種不同的證據(jù)和線索,一幅連續(xù)的地球溫度變化圖形成了。冰川期偶爾出現(xiàn),在地球發(fā)展史上冰期的時間只占整個地球歷史時期的十分之一左右,而絕大部分時間是處于溫暖期。實際上,在地球的歷史中,曾經(jīng)存在著比現(xiàn)在更炎熱的時期。
　　這讓人感到驚奇,因為太陽變得越來越熱了。和40億年前比起來,它所釋放的能量多了三分之一。如果地球的氣候全部取決于太陽,地球應(yīng)該是變得越來越熱。
　　1981年,賓夕法尼亞州立大學的吉姆•卡斯汀(Jim Kasting)提出,地球的氣候保持相對的穩(wěn)定,要歸因于二氧化碳――地球的溫度調(diào)節(jié)器。地球存在一個漫長的碳循環(huán):一些二氧化碳,以有機物或碳酸鹽巖的形式,埋在地表的深處一段時間,最終通過火山爆發(fā)釋放到大氣中。
　　碳循環(huán)的第一步是碳酸鹽巖石的形成,當二氧化碳和硅酸鹽巖石發(fā)生反應(yīng)時,碳酸鹽巖石就形成了,這個過程被稱為侵蝕或風化�？ㄋ雇≈赋�,風化的進度取決于溫度。當這個星球很炎熱時,風化的速度加快,將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)移到地表深處,讓大氣中的二氧化碳含量下降,地球的溫度也就隨之下降。當整個星球陷入嚴寒時,風化變得很慢,但是火山會將埋在地表的二氧化碳釋放到大氣中,所以二氧化碳的含量最終還是在上升。
　　當然,二氧化碳這個溫度調(diào)節(jié)器并不是你家里的空調(diào)或是冰箱,能在一夜之間,將液態(tài)水變成冰塊,它需要數(shù)十萬年,才能起到一個重要的影響。所以地球的氣候還是會在炎熱和寒冷的兩極搖擺。當然,它還是有助于解釋為什么地球的溫度始終能維持在保持有液態(tài)水的溫度。
　　
　　氣候謎團?
　　
　　盡管任何因素都可能影響到氣候的變遷,從地球軌道的變動到大陸板塊位置的變化,但溫室氣體的含量尤其是二氧化碳含量是最為重要的因素。為了驗證這一點,我們需要回顧二氧化碳含量在過去的歲月中是如何變化的。
　　最好的辦法便是測量格陵蘭島與南極洲冰川中被困住的小氣泡中的二氧化碳含量,它們記載著過去的大氣環(huán)境情況。但這并不能幫助我們回溯得很遠,大約只能看到1億年前。加州大學洛杉磯分校的阿拉達•崔帕提(Aradhna Tripati)說:“地球上最古老的冰川大約有1億年的歷史�！�
　　為了了解在更遙遠的過去二氧化碳的含量,研究人員不得不使用較為間接的方法。方法之一便是模擬影響二氧化碳濃度的長期過程,如化石燃料的形成速度。地質(zhì)學家?guī)资�年來一直在改善這些模型,它們能夠提供長期以來二氧化碳濃度變化的粗略狀況,卻無法描述短期二氧化碳含量的變動。
　　還有一種方法是觀察樹葉化石中氣孔的密度。植物的氣孔一方面是吸收二氧化碳的通道,另一方面也是排放水汽的通道,“我們發(fā)現(xiàn)當二氧化碳增多后,很多植物的氣孔密度就會降低,這是物種的特定反應(yīng)�！笨的�狄格州米德爾敦衛(wèi)斯理大學的德納•羅耶(Dana Royer)如是說。羅耶與其他研究者通過研究植物葉子如銀杏葉的氣孔密度,估算出過去的二氧化碳的濃度并沒有改變太多。
　　通過測量海底沉積物中土壤和貝殼化石中的碳同位素比例也能大致描述二氧化碳含量的變化。在地球超過40億年的歷史中,從大約33億年到29億年間,以及從3500年前到現(xiàn)階段,當?shù)厍蛴兄鴱V闊的冰原時,二氧化碳含量相比較低。而除此之外的其他時候,二氧化碳含量就高很多。
　　盡管如此,在如此漫長的時間跨度中隱藏著些令人費解的不一致。以中新世為例,從2300萬年前到500萬年前,那時南極的冰川在增加。而在中新世中期,大約1500萬年前,出現(xiàn)了相對溫暖的時期。然而,氣候模型則顯示這一階段的二氧化碳含量仍然處于較低的階段,低于300ppm。
　　存在的這些不一致也不能證明二氧化碳引發(fā)變暖的想法就是錯誤的,就如在陽光明媚的日子里,你的房子的溫度在上升,這并不能說明當你使用暖氣時,它不會變暖一樣。而是說,這些不一致意味著其他因素導(dǎo)致了變暖。理論上,中新世中期的反�？赡芘c太陽溫度升高有關(guān),比如,除了眾所周知的太陽的輸出功率會逐漸增強之外,別的變化就不足為道了。
　　荷蘭烏得勒支大學的沃爾夫蘭•克施奈(Wolfram Kerschner)和其同事決定核對那些使用氣孔密度測量二氧化碳濃度變化的早期研究。在仔細核查了三種植物樹葉化石標本之后,克施奈的團隊于2008年報告,在中新世伊始,二氧化碳含量從600ppm下降到300ppm,而在中新世的溫暖中期,大氣中二氧化碳的含量在再次下降之前先是上升到500ppm。
　　與此同時,崔帕提和她的同事找到一種新的方法來揭示過去的二氧化碳含量的變化情況。他們使用的技術(shù)包括研究生活在地表水中的貝類生物化石中的硼鈣比例。這一比例和當時貝類生長時海洋的酸度相關(guān),而這轉(zhuǎn)而牽涉到大氣中的二氧化碳含量。這一團隊使用來自兩個熱帶西太平洋觀測站的深海沉積物化石來重建過去數(shù)百萬年中的二氧化碳歷史。崔帕提的團隊說,用他們的方法計算出來的在過去80萬年中二氧化碳含量,與冰芯中的測量數(shù)據(jù)相符,這就能證明他們使用的技術(shù)的精確性。回溯得更遙遠點,他們也發(fā)現(xiàn),與如今的380ppm的二氧化碳的濃度相比,中新世中期在350ppm到500ppm間波動的二氧化碳含量是比較高的。
　　和中新世中期二氧化碳含量和地球溫度的不一致性類似的是奧陶紀晚期,在4.4億年前的奧陶紀晚期,地球進入了冰河世紀造成了大滅絕,即使那時二氧化碳含量似乎一直很高。然而,盧明頓的印第安納大學的楊賽思(Seth Young)更為細致的研究表明,在冰河世紀早期,二氧化碳濃度是處于下降通道的,但當風化速度變得緩慢時,二氧化碳含量隨后就上升了,這也最終導(dǎo)致了冰河世紀的終結(jié)。
　　崔帕提說:“越研究過去,我們就越能找到更多的證據(jù),來證明二氧化碳對于影響地球氣候的重要性。”
　　那么接下來會發(fā)生什么呢?那些基于過去氣候變遷的研究結(jié)果和計算機模型作出的氣候預(yù)言相比,哪一種更加精確?“這些都不是地球的完美表述。”崔帕提說,“但我們能用過去的氣候反應(yīng)來更好地理解地球溫度對于溫室氣體含量的敏感度�！�
　　人們把大氣中的二氧化碳濃度翻番而導(dǎo)致的地球溫度的增量稱之為“氣候敏感度”,所有的一切都取決于這一數(shù)據(jù)。當我們向大氣中排放更多的二氧化碳時,更高的地球氣候敏感度意味著,更高的氣溫和海平面將上升,這對我們的文明和生態(tài)系統(tǒng)會造成更大的干擾。
　　“如果有人想要反駁二氧化碳對氣候的影響,那么他們應(yīng)該去關(guān)注氣候敏感度的高低�！币�魯大學的馬克•帕加尼(Mark Pagani)說。
　　
　　越來越敏感的地球
　　
　　大氣物理學告訴我們,大氣中的二氧化碳含量每一次翻番,地球的溫度都會上升1℃。理想情況下,如果地球上的所有事物都不發(fā)生變化,大氣中二氧化碳的含量從280ppm上升到560ppm時,地球的溫度上升1℃,從280ppm上升到1120ppm,地球的溫度上升2℃。
　　但實際上,當我們所處的星球的溫度升高時,一切會發(fā)生改變。比如,當大氣的溫度升高時,它會保有更多的水蒸氣―一種潛在的溫室氣體,讓地球的溫度升得更高。全球變暖還會降低星球被海冰覆蓋的面積,這就意味著更少的能量被反射回天空,這又會導(dǎo)致變暖的進一步加劇。
　　考慮到以上反應(yīng),聯(lián)合國政府間氣候變化問題研究小組(IPCC),根據(jù)氣候模型推導(dǎo),到2100年,全球氣溫將升高2攝氏度到4.5攝氏度,而全球的海平面將上升0.5米到1.4米。
　　不幸的是,在某種意義上,這個數(shù)據(jù)可能具有誤導(dǎo)性,導(dǎo)致這個數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差的因素不僅僅是氣候模式的不確定性,更深層的問題是,當前的氣候模型只包括地球在變暖過程中馬上會顯現(xiàn)出來的效應(yīng)。一些要過上幾十年甚至一個世紀才會顯現(xiàn)出來的效應(yīng),比如陸地上冰川的面積(相對于海冰),就被遺忘了。
　　所以,真實的氣候敏感度,或者稱之為地球的敏感度比我們先前預(yù)想的要更加強烈,因為現(xiàn)有的氣候模型不夠精密,沒有包含那些長期的、慢性的影響。想要了解地球系統(tǒng)的敏感度,唯一的方法就是,回顧過去的歲月里二氧化碳含量的增加帶來的變化。羅耶和他的同事根據(jù)過去的二氧化碳的重塑影響,對過去4億年間地球的敏感性作了一個大概的評估。他們的結(jié)論是,大氣中二氧化碳的含量每一次翻番,地球的溫度都會上升3℃。
　　賓夕法尼亞州立大學的理查德•艾里(Richard Alley)說,“如果認為大氣中二氧化碳的濃度翻番時,地球溫度只會上升1℃未免太樂觀了,但如果推導(dǎo)出地球溫度會升高11℃,那也太高了,3℃應(yīng)該是比較合理的數(shù)字。”
　　羅耶的觀點也有一些問題,那就是氣候的敏感度并不總是持續(xù)的。它們不時顯現(xiàn)――在冰川期的末期,冰川開始膨脹,只要一點點溫度的升高,就會帶來夸張的全球變暖。如果沒有大型冰川的參與,氣候的敏感性會降低很多。
　　為了獲得更加精確的結(jié)論,研究人員回顧了歷史上和當前非常類似的時期。這個時期是早期的上新世,大概是450萬年以前,那時候大氣中的二氧化碳的濃度是400ppm――只比現(xiàn)在的二氧化碳濃度高一點兒――然而,地球的溫度卻比現(xiàn)在高3℃,還有更小面積的冰川和更高的海平面,高達25米。
　　最近有關(guān)中新世的研究發(fā)現(xiàn),當時地球系統(tǒng)的敏感度是,大氣中的二氧化碳每增加一倍,地球溫度就上升4.5℃。另一項研究,由帕加尼和他的同事完成,使用了另外一套完全不同的方法,發(fā)現(xiàn)大氣中的二氧化碳每增加一倍,地球溫度就上升7℃。
　　還有一些研究同樣也指出,地球的敏感度比現(xiàn)有的氣候模型預(yù)測的要高得多。這并不是意味著,到2100年,地球一定會比我們原先預(yù)測的要炎熱。一些關(guān)于過去的氣候變化的研究透露,許多個世紀以后,二氧化碳對氣候的影響仍然會存在。它提出,在達到根據(jù)現(xiàn)有的氣候模型預(yù)期的最高溫度之后,地球還會在很長一段時間內(nèi)持續(xù)炎熱,如果二氧化碳的含量仍熱保持在高位的話�！叭绻�地球確實有很高的敏感性,它會承受更多的壓力�！绷_耶說。
　　所以,二氧化碳仍然是影響這個星球氣候的最重要的因素。如果我們?nèi)祟惖幕顒訉?dǎo)致二氧化碳含量的翻倍,可以預(yù)期的是,地球的溫度將會在短期內(nèi)上升3℃,并且在未來的幾個世紀內(nèi)繼續(xù)攀升。

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