正如福爾摩斯探案需要一系列證據(jù)鏈才能令人信服地找出兇手，理解全球是否變暖以及變暖是否由人類造成，也需要一系列科學(xué)事實(shí)和因果邏輯的支撐，從而形成有說服力的證據(jù)鏈。因此，本文將順著全球變暖的物理基礎(chǔ)、事實(shí)、影響、未來這個邏輯順序，一起探一探全球變暖是否存在、“真兇”是誰以及這個 “兇手” 造成的后果。 

1. 溫室效應(yīng)與被打破的能量平衡

海納百川、風(fēng)雨雷電、冷暖交替、氣象萬千，這些都描述了不斷變動中的天氣和氣候。氣候系統(tǒng)運(yùn)作的主要能量來源是太陽：地球吸收來自太陽的短波輻射，這些能量驅(qū)動了大氣和海洋環(huán)流、促成了光合作用、推動了地球的水分和物質(zhì)循環(huán)。

在吸收太陽輻射的同時，地球也在向太空中散失能量（主要為長波輻射），從而使地球系統(tǒng)進(jìn)和出的能量基本保持一致，這就是地球系統(tǒng)的能量平衡（Trenberth等，2014）（圖1）。地球系統(tǒng)的能量平衡維持了氣候系統(tǒng)處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，不至于不斷系統(tǒng)性的變冷或變熱。

維持地球系統(tǒng)的能量平衡離不開大氣中的溫室氣體。溫室氣體能夠強(qiáng)烈地吸收地面釋放出的長波輻射（圖1），像 “棉被” 一樣保持住地球系統(tǒng)的能量，使近地表附近是一個溫暖的環(huán)境。目前全球地表平均溫度約為15℃，如果沒有溫室氣體，地表溫度可能比現(xiàn)在低約30℃。這種 “保溫” 的效應(yīng)被稱為 “溫室效應(yīng)”。大氣中起溫室作用的氣體稱為溫室氣體，主要有二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、臭氧（O3）、一氧化二氮（N2O）、氟里昂以及水汽等。 

對溫室效應(yīng)的認(rèn)識可以追溯到19世紀(jì)的著名數(shù)學(xué)家傅里葉，他描述到：大氣層就像一個玻璃罩子一樣，對太陽光透明，但對長波輻射有阻擋作用（胡永云，2017）。到上世紀(jì)五六十年代，隨著物理學(xué)對氣體分子結(jié)構(gòu)及其吸收譜的理解、氣象學(xué)對大氣基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動的了解以及計(jì)算機(jī)科學(xué)中第一臺計(jì)算機(jī)的誕生，日裔美國科學(xué)家Manabe等人在普林斯頓大學(xué)用理論模型首次模擬出較為真實(shí)的地球系統(tǒng)輻射平衡，為全球變暖的提出奠定了理論基礎(chǔ)（Manabe 和 Wetherald，1967）。Manabe 等所構(gòu)建的模型也是現(xiàn)代氣候模型的基礎(chǔ)，用于氣候模擬和預(yù)估。

地球經(jīng)過了長期的演化，形成了較為穩(wěn)定的大氣成分。近80萬年以來，大氣中的CO2 僅在170~300ppm之間波動，高值從未超過300ppm（圖2），該波動主要受到地球軌道變動的影響：軌道變動導(dǎo)致地球接收的太陽輻射發(fā)生微小變化，改變了大氣和海洋溫度，由于CO2在海洋中的溶解度與海水溫度密切相關(guān)，CO2在大氣和海洋中分配的動態(tài)平衡因此不斷發(fā)生改變，海洋或從大氣吸收CO2，或向大氣釋放CO2，由于溫室效應(yīng)的存在，大氣中CO2的增減會對地表溫度產(chǎn)生提升或降低的作用，大氣和海洋溫度因此被進(jìn)一步改變，大氣和海洋中CO2的濃度也會相應(yīng)變化，如此循環(huán)直到重新達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

工業(yè)革命前（約1750-1850年），全球平均的CO2濃度僅為約280ppm（圖2）。在這之后，大量化石燃料和有機(jī)質(zhì)的燃燒造成大氣中溫室氣體的濃度不斷上升（圖2）。2019年5月，大氣中的CO2濃度超過415ppm，比工業(yè)革命前增加了約48%。這種增加的幅度和速率，至少在地球近80萬年的歷史中是前所未有的。以化石燃料為代表的工業(yè)革命，推動了人類歷史上最為快速的發(fā)展階段，極大地豐富了生產(chǎn)力，但也不可逆轉(zhuǎn)地改變了大氣成分，改變了地球環(huán)境。 

以CO2為代表的溫室氣體濃度增加使得地球系統(tǒng)“保溫”能力越來越強(qiáng)，向外釋放的長波輻射不斷減少，然而太陽輻射在百余年變動不大，這就導(dǎo)致了地球系統(tǒng)的能量平衡被打破，造成地球系統(tǒng)有凈能量攝入，結(jié)果就是地球的平均溫度正變得越來越高。  2. 失衡的氣候系統(tǒng)與氣候敏感度

地球系統(tǒng)的能量失衡驅(qū)使了氣候系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，來達(dá)至新的平衡。這種調(diào)整過程涉及到很多氣候要素的反饋和調(diào)整。最直接的反饋為全球地表溫度上升（圖3a），因?yàn)闇囟容^高的物體釋放的長波輻射更強(qiáng)，可以將過剩的輻射釋放出地球，這個過程使得能量失衡得到緩解（負(fù)反饋）。

其余的反饋包括：更暖的地表加劇了水分蒸發(fā)，使得大氣中水汽含量增加，由于水汽也是主要溫室氣體，其會加劇 “保溫” 效應(yīng)，加劇能量失衡（正反饋）。再比如，地球能量增加會加熱冰川和冰蓋，使之融化，由于冰雪表面近乎白色，就像鏡面一樣，能比普通陸地和海洋表面更有效率地反射太陽輻射能量到太空中，一旦其開始消融，地球反射的能量將減少，吸收的太陽輻射將增多，加劇氣候系統(tǒng)的能量失衡（正反饋）。另外，由于海洋比熱容比空氣和土地大，其儲熱能力是陸地和空氣的上千倍，體量龐大的海洋因此吸收了絕大多數(shù)地球系統(tǒng)接收的凈能量，這使得海洋變暖，而較暖的海洋吸收CO2能力減弱，從而加劇能量失衡（正反饋）。

由于氣候系統(tǒng)調(diào)整和反饋的復(fù)雜性——各個反饋或者疊加、或者部分抵消——科學(xué)家們抽象出一個量值來量化地表溫度對溫室氣體的凈響應(yīng)幅度：如果大氣中的CO2濃度加倍，地表將會升溫多少？這個數(shù)值我們簡單稱之為 “氣候敏感度”。

自上世紀(jì)60年代以來，眾多研究通過古氣候?qū)W、現(xiàn)代觀測記錄、氣候模型等多種方法尋找 “氣候敏感度”（圖3）。基于大量研究，2013年聯(lián)合國發(fā)布的《國際政府間氣候變化專門委員會第五次評估報(bào)告》（IPCC-AR5）認(rèn)為，氣候敏感度在1.5~4.5℃范圍內(nèi)（IPCC, 2013）：即如果大氣中的CO2相對于工業(yè)革命前濃度加倍，全球平均氣溫會上升1.5~4.5℃（圖3）。 

基于對氣候系統(tǒng)內(nèi)部規(guī)律和反饋的理解，科學(xué)家們建立起了以CO2為代表的溫室氣體與地表溫度上升的因果關(guān)系。與此同時，科學(xué)家們也排除了其余因素的影響：太陽輻射變化、火山爆發(fā)、地球系統(tǒng)自然波動、人類活動排放的大氣氣溶膠等等，這些因素在一定程度上可調(diào)節(jié)地表溫度，但都不足以解釋百年來的全球不斷變暖現(xiàn)象（IPCC, 2013）。2013年發(fā)布的IPCC-AR5指出：1951年來，至少一半以上的地表氣溫上升可以歸因于人類影響。 

3. 全球變暖：系統(tǒng)性的氣候變異

大氣中越來越多的溫室氣體導(dǎo)致的地球能量失衡，是百年以來全球氣溫上升的主要驅(qū)動力。然而，氣溫僅僅是氣候系統(tǒng)的一個要素，溫室氣體其實(shí)驅(qū)動了氣候系統(tǒng)的系統(tǒng)性變異，了解這些系統(tǒng)性變異才能知曉全球變暖的全貌：

海洋變暖。海洋儲熱力更強(qiáng)，地球凈能量攝入一定會主要儲存在海洋中。近幾十年的觀測證實(shí)（圖4d），海洋儲存了90%以上的凈能量攝入（Rhein等2013），表現(xiàn)為海水溫度加速上升：1993-2018年的海洋變暖速率是1970-1993年期間的至少2倍！極端熱浪事件加劇。變暖導(dǎo)致發(fā)生在陸地和海洋中（圖4c）的極端熱浪事件都已經(jīng)加劇，1982年以來海洋熱浪頻率增加了2倍！大氣中水汽含量增加。變熱導(dǎo)致蒸發(fā)加劇使大氣中水汽含量增加：氣溫每升高1℃，大氣水汽含量約升高7%。和水相關(guān)的極端事件也因此加重：干旱的區(qū)域?qū)⒏鼮楦珊担瑵駶櫟牡貐^(qū)將更為濕潤，極端降水、洪水等都會加劇。冰雪消融。格陵蘭冰蓋、南極冰蓋、凍土和山地冰川已經(jīng)開始加速消融（圖4e-g，j-i）。2007-2016年南極冰蓋的質(zhì)量損失量是1997-2006年間的3倍。格陵蘭冰蓋質(zhì)量損失是1997-2006年間的2倍。極地已經(jīng)是全球氣候變暖最為劇烈的地區(qū)：近幾十年來北極表層氣溫上升趨勢是全球平均的2倍！海平面上升。我們已經(jīng)觀測到了海平面在加速上升：2006-2015年間全球海平面上升趨勢是1901-1990年間速度的2.5倍（圖4m）。總海平面上升的30%~40%由海水升溫膨脹引起；另外60%~70%是因?yàn)橄诒w和冰川使得淡水流入大海導(dǎo)致。海水酸化。人類排放在大氣中的CO2，其實(shí)有約20~30%將溶解入海洋，這雖然在客觀上降低了大氣中溫室氣體的濃度，緩解了全球氣候變化，但卻使海水酸化。目前已經(jīng)觀測到了海水的持續(xù)酸化：1980年之后海表pH值平均每十年下降0.017~0.027個pH單位（圖4h），由于pH是負(fù)對數(shù)值，這意味著海洋的酸度平均每十年會增加約4%~6%。海水中的氧含量降低。變暖的海水使得海水中溶解的氧釋放，1970年之后海洋溶解氧下降了約0.5~3.3%，而海水溶解氧是絕大部分海洋生物賴以生存的生命之源（圖4i）。 雖然并不能面面俱到，但上述例子體現(xiàn)了氣候系統(tǒng)變異的一些側(cè)面，這些事實(shí)組成了環(huán)環(huán)相扣的自恰的證據(jù)鏈，提供了全球變暖的系列證據(jù)。事實(shí)上，到目前為止，除了溫室氣體導(dǎo)致全球變暖這一理論以外，沒有任何一個別的理論可以完整解釋工業(yè)革命以來觀測到的氣候系統(tǒng)變異（USGCRP, 2017；IPCC）。 

圖4. 觀測到的（紫色）和氣候模型模擬的（黃色）1950-2018年部分氣候要素的變化。

基于未來的大氣溫室氣體濃度，氣候模型也可給出未來氣候變化的預(yù)估。這里給出在低溫室氣體濃度情景下（RCP2.6，藍(lán)色）和高溫室氣體濃度情景下（RCP8.5，紅色）的未來氣候變化。在RCP2.6情景下，人類可將21世紀(jì)大氣CO2濃度控制在450ppm以內(nèi)；RCP8.5情景下，由于沒有氣候政策，大氣CO2濃度不斷增加，在2100年達(dá)到約900ppm。圖中陰影為誤差范圍。圖來自IPCC(2019)。

 4. 全球變暖，好事還是壞事？

全球變暖不僅僅是 “變暖”，而且是全球多圈層的系統(tǒng)性氣候變異，是可波及地球每一個生命體、每一個角落的快速環(huán)境變化。其帶來的最大的問題是：變化太快而超過了人類和很多生命的適應(yīng)速度。

目前已經(jīng)觀測到了全球變暖對人和生態(tài)系統(tǒng)造成的眾多負(fù)面影響（IPCC，2019）。在空調(diào)不普及的法國，2019年夏天的熱浪造成了上千人喪生；由于極端高溫，2014-2017年間，全球70%以上的珊瑚礁都受到了破壞，珊瑚大規(guī)模白化事件已經(jīng)屢見不鮮（IPCC，2018；2019）。珊瑚礁雖然只占了全球海洋面積的0.1%，但其是25%的海洋生物賴以生存的環(huán)境，是海洋中的 “熱帶雨林”。珊瑚礁系統(tǒng)的破壞會對海洋生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性造成毀滅性的打擊。

由于全球變化增加了大氣中的水汽、提高了海洋溫度，使得臺風(fēng)的能量和水汽供應(yīng)更加充足，其降水更多、強(qiáng)度也更強(qiáng)。2017年登陸美國東海岸的颶風(fēng)“哈維”，造成了美國本土有史以來最強(qiáng)的降水。同時由于應(yīng)對不完善，損失達(dá)數(shù)千億美元，超過百人喪生（Trenberth等，2018）。不僅如此，海平面上升、極端氣候事件和人類不合理的開發(fā)建造活動還使得近岸洪水發(fā)生頻次顯著增加，就在2019年11月，威尼斯發(fā)生了史上最嚴(yán)重的洪水。

對于廣大的干旱和半干旱地區(qū)，增溫和人類活動對植被的破壞會抑制土壤碳儲力，釋放更多CO2 進(jìn)入大氣，同時加劇區(qū)域干旱化，未來干旱半干旱區(qū)將加速擴(kuò)張（Huang等，2016）。此外，冰川融化和多年凍土融化會釋放污染物（尤其是汞），這會對山地和高緯度區(qū)域的水質(zhì)造成直接影響（IPCC，2019）。

不可否認(rèn)，對于一些群體或區(qū)域，全球變化可能帶來一些益處。例如：北極夏季海冰消失后，打開了“北極航道”，降低了國際貿(mào)易和航運(yùn)成本；隨著海洋變暖和洋流的變化，一些魚類種群的棲息地發(fā)生了改變，這會增加一些區(qū)域的捕漁量，從而開辟新的漁場；對許多植物來說，大氣中CO2的增加在一定范圍內(nèi)會促進(jìn)生長。

盡管如此，眾多研究和綜合評估報(bào)告表明：全球變暖的負(fù)面影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正面影響（IPCC報(bào)告;USGCRP, 2017；歷次《氣候變化國家評估報(bào)告》），地球生命共同體正在面臨氣候危機(jī)。

 5. 未來將如何？

對氣候變化規(guī)律的認(rèn)識使得科學(xué)家們可以預(yù)估未來的氣候變化，圖4也給出了用全球幾十個氣候模型預(yù)估的21世紀(jì)氣候要素。可以看到，隨著溫室氣體增加，未來氣候系統(tǒng)將持續(xù)的變化，且變化幅度基本取決于未來的溫室氣體濃度。未來如果能控制溫室氣體排放（即圖4中藍(lán)色RCP2.6情景），氣候變化幅度將會比維持高溫室氣體排放（圖4紅色RCP8.5情景）小得多。因此，未來減排越多，氣候變化幅度將越小，負(fù)面影響也會越小。

正因?yàn)榭茖W(xué)界基本厘清了全球變暖的起因、影響和未來，2015年，包括中國在內(nèi)的170多個國家政府共同審議通過了《巴黎協(xié)定》：目標(biāo)是努力把全球平均氣溫上升幅度控制在2℃以內(nèi)（即圖4藍(lán)色的線展示的未來），并為全球平均溫升控制在1.5℃以內(nèi)付出努力。工業(yè)革命至今，地球平均氣溫已經(jīng)上升了約1℃，如果要實(shí)現(xiàn)2℃控溫目標(biāo)，未來我們僅有1℃的變暖額度。

1℃的變暖額度對應(yīng)于只能再排放約1170 Gt的碳（IPCC, 2018）。所以，《巴黎協(xié)定》事實(shí)上已經(jīng)限定了在目前未對溫室氣體進(jìn)行處理的發(fā)展方式下，未來人類能夠用掉多少化石燃料，排放多少碳，限定了未來人類基于化石燃料的經(jīng)濟(jì)發(fā)展量。

正因?yàn)榇耍驓夂蜃兣巡皇菃渭兊目茖W(xué)問題（事實(shí)上在科學(xué)上早就沒有爭議了），而是成為國際社會和各國政府所關(guān)心的政治問題——各個國家有各自的政治立場以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。因此從人類發(fā)展的角度來看，《巴黎協(xié)定》的意義在于將世界上幾乎所有國家都納入了呵護(hù)地球生態(tài)、確保人類發(fā)展的命運(yùn)共同體當(dāng)中。

然而，較為悲觀的是，即使在21世紀(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)《巴黎協(xié)定》使地表氣溫增長不超過2℃的目標(biāo)，海洋和冰雪圈的變化依然會繼續(xù)：海洋會持續(xù)變暖、海平面會不斷上升、兩極冰蓋會繼續(xù)縮小（圖4），這是由于海洋和冰雪圈對溫室氣體的響應(yīng)具有 “延遲” 和 “緩慢” 的特性（IPCC，2019）。

盡管人類對地球系統(tǒng)的影響事實(shí)上已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)，但 “減排越多，變化越小，影響越低” 的原則依然適用，適應(yīng)變化和降低風(fēng)險(xiǎn)將會成為未來的主旋律。同時，積極進(jìn)行經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和政策調(diào)整，加強(qiáng)對溫室氣體的再利用、吸收和封存，加強(qiáng)對化石燃料更加精細(xì)的生產(chǎn)加工，也是未來發(fā)展的主要方向。 不論如何，全球變暖已不可逆轉(zhuǎn)，其影響和風(fēng)險(xiǎn)仍將持續(xù)至少數(shù)千年的時間，人類已經(jīng)處于需要不斷適應(yīng)氣候變化的 “人類世”，地球各個圈層的生命也將在急速變異的 “人類世” 環(huán)境下求生存、求發(fā)展。作為地球生物鏈頂端的人類，是否應(yīng)該承擔(dān)對人類個體和群體、對其他生命體的義務(wù)，構(gòu)建 “地球生命共同體” 呢？

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