更温暖的天空下：全球变暖研究170年

全球变暖作为一种警示，应当说是20世纪70年代才提出的想法，然而作为一门纯科学，它的历史可以追溯到更早以前。
丁铎尔：率先对大气层的运行方式做出准确的描述
在19世纪50年代晚期，一位名叫约翰·丁铎尔的爱尔兰物理学家便开始着手研究不同气体的吸收性能。他的发现使其率先对大气层的运行方式做出了准确的描述。
1820年，丁铎尔出生在卡洛郡。他十七八岁就离开了学校，在英国政府担任测量员。丁铎尔利用晚上的时间自学，随后成为一名数学老师。虽说他不会讲德语，却启程去了马尔堡，师从罗伯特·威廉·本生（“本生灯”就是用他的名字命名的）。丁铎尔取得博士学位（其时这一学位刚刚设立）之后，便遭遇了生计之忧，直到1853年，他应邀去伦敦的皇家科学院作了一场演讲，那里是当时英国最重要的科学中心之一。
这次成功演讲之后，丁铎尔获得了一个又一个的演讲邀请。几个月后，他当选为自然哲学教授。他的演讲非常受欢迎，很多后来都结集出版了。这既证明了丁铎尔拥有极高的演讲才能，也证明了维多利亚时代中产阶级对知识的兴趣。丁铎尔后来又到美国做了一次演讲旅行，收入丰厚；他把所得款项委托给一家信托机构代管，用于发展美国的科学事业。
丁铎尔的研究范围从光学到声学再到冰川运动，其多样与广博程度令人难以置信。（他是一个狂热的登山爱好者，经常去阿尔卑斯山研究冰雪。）他最为持久的兴趣之一便是热学，而这门学科在19世纪中期发展迅速。
1859年，丁铎尔制造出世界上第一台比分光光度计（ratio spectrophotometer），这台仪器使得他能够对不同气体吸收和传输热辐射的方式进行比较。丁铎尔在检验空气中最常见的两种气体（氮气和氧气）时发现，无论是可见光还是红外线，都可以透过这两种气体。而二氧化碳、甲烷和水蒸气等其他气体，却不是如此。就二氧化碳和水蒸气来说，光谱中的可见光是可以穿透的，但红外线不能穿透。丁铎尔很快意识到自己上述发现的意义：他宣布，选择性透光的气体，在很大程度上是行星气候的决定要素。他把这些气体的作用比作拦河大坝：正如大坝“会带来水流局部的加深，大气层作为拦截地球热辐射的一道关卡，也会导致地球表面温度的局部上升”。
丁铎尔认识到的这种现象，正是今人所说的“自然的温室效应”。这一现象无可争议地存在；事实上，这一现象也被看作是地球生命存在的基本条件。要想弄清楚温室效应的运作机制，我们不妨想象一下，如果没有温室效应，世界将会怎样？
在这种情况下，地球将会持续不断地吸收太阳光的能量，但与此同时，它也不间断地将能量反射回宇宙空间。所有的热物体都放射光热，而它们放射光热的总量由各自的温度决定。
[斯特藩玻尔兹曼定律最为准确地表述了这种关系。这一定律指出，一个物体发出的热辐射与物体绝对温度的4次方成正比。P／A ＝σT⁴(P代表能量，单位为瓦特；A代表面积，单位为平方米；T代表温度，单位是开氏度；σ是斯特藩玻尔兹曼常数5.67×10-⁸W／m²K⁴）]。
地球为了保持能量均衡，其放射到太空中的能量总和必须等于它所吸收的总能量。一旦这种平衡由于某种原因被打破，行星就会变热或者变凉，直至温度再一次让这两股能量流相抵平衡。

世界上第一台比分光光度计是丁铎尔制造的，用来测量各种气体的吸收性能。
引自《哲学学报》，第151卷（1861）
如果大气中没有温室气体的话，那么从地球表面放射出的能量会毫无阻挡地流逝。在这种情况下我们将很容易计算出，当地球向太空放射的能量与其从太阳吸收的能量完全相等时，地球的热量和温度将会是多少。（当然，对于不同的位置和时令节气来说，能量的差别甚大。如果我们取所有纬度和季节的平均数，那么这一数值大约是每平方米235瓦特，大致等于4只家用白炽灯泡的功率。）
丁铎尔计算出来的结果是0华氏度（约-17.8摄氏度），非常寒冷。用丁铎尔带有维多利亚风格的语言来表达，如果空气中不再含有保温的气体，“土地和花园中的热量将会不求回报地将自己注入太空，而太阳将会在一个禁锢于严寒中的岛屿上升起”。
由于温室气体具备选择性吸收的特性，它也就改变了地球的环境。太阳光主要是以可见光的形式照射到地球上的，因此温室气体可以让太阳光的辐射自由地通过。但是地球辐射是以红外线的方式发出的，所以一部分的地球辐射就被温室气体阻挡了。温室气体吸收了红外辐射，随后又重新发射这部分光，其中一部分射向太空，一部分放射回地球。于是，这一吸收和再放射的过程就起到了限制能量外流的作用。其结果就是，地表及低层大气的实际温度必须比前面提及的温暖得多，才能向外发射每平方米235瓦特热量。温室气体的存在很好地说明了全球平均温度为什么是更为舒适的57华氏度（约13.9摄氏度），而不是刺骨的0华氏度。
丁铎尔患有失眠症，并且年纪越大症状越严重。1893年，他死于水合氯醛（chloral hydrate，一种早期的安眠药）过量，那天是妻子给他用的药。（据传，他临死之前对妻子说：“我可怜的宝贝，你杀死你的约翰啦。”）

《灾异手记：人类、自然和气候变化》，译林出版社2022年10月出版，[美]伊丽莎白·科尔伯特（Elizabeth Kolbert）著，何恬 译。
阿列纽斯：好奇地探究二氧化碳对全球温度的影响
就在丁铎尔中毒身亡的同一时期，瑞典化学家斯万特·阿列纽斯，在丁铎尔停下脚步的地方继续推进着这项研究。
阿列纽斯最终成了19世纪的科学巨人之一，但他和丁铎尔一样，人生的开始也并不如意。1884年，当阿列纽斯还是乌普萨拉大学的学生时，他撰写了有关电解质特性的博士论文。（后来他于1903年因为这项工作获得诺贝尔奖，其研究对象即是今日所说的电离作用理论。）大学的考试委员会并未被这篇文章打动，只给它评了个第四等级（non sine laude）的分数。接下来的几年里，阿列纽斯在国外换了一个又一个的职位，最终在家乡瑞典获得教职。直到获得诺贝尔奖前不久，他才入选瑞典科学院，而且即便如此，他的当选仍需面对强大的反对声浪。
阿列纽斯之所以会好奇地探究二氧化碳对全球温度的影响，其中的确切原因尚不清楚。他似乎尤其对“二氧化碳水平的降低是否导致冰期形成”的问题感兴趣。[一些传记作者注意到，虽然很难找到什么确实的联系，但他对此问题展开研究之时，正是他和妻子（也是他曾经的学生）分手的那段时间，而她带走了他们唯一的儿子。]
事实上，在他之前，丁铎尔早就意识到了温室气体水平对气候的影响，甚至（有先见之明地，但不是完全正确地）推测：温室气体水平的变化，将导致“地质学家的研究所披露的各种气候突变”。但是，丁铎尔的研究从未超越这种定性推测的范畴。
而阿列纽斯则下决心计算出：地球温度到底是如何受到二氧化碳水平变化之影响的。他后来将这项工作形容为自己人生中最单调乏味的事情之一。1894年的平安夜，他开始了这项工作。虽然他每天有规律地苦干14个小时，但也还是一直忙了将近一年才接近尾声。他在写给朋友的信中说：“我自从攻读学士学位以来，还从未这样努力地工作过。”1895年12月，他最终向瑞典科学院递交了他的研究结论。
用今天的标准来看，阿列纽斯的研究看起来原始而粗糙。他所有的计算都是用笔和纸完成的。他遗漏了有关光谱吸收的重要信息，也忽视了若干潜在的重要的回馈作用。然而，这些缺陷差不多都互相抵消了。阿列纽斯追问道，如果二氧化碳水平减半或者加倍，地球气候将会发生什么样的变化？就加倍的情况来说，他确定全球的平均温度将会上升9到11华氏度，这一结果接近如今最为精密的气候模型的估测。
阿列纽斯还取得了一大概念性的突破。其时，整个欧洲的工厂、铁路和发电站都在燃烧煤炭、喷出浓烟。阿列纽斯意识到，工业化和气候变化密切相关，矿物燃料的消耗日积月累，终将导致气候变暖。当然，他并没有意识到这一问题的严重性。由于深信海洋将像一个巨大的海绵那样吸收额外的二氧化碳，阿列纽斯认为空气中二氧化碳的累积速度将极其缓慢。根据他的某次估计，煤炭燃烧再持续3000年，大气中的二氧化碳水平才会增加一倍。或许由于他所生活的年代，又或许因为他是个北欧人，阿列纽斯预期的气候变化的结果从整体上来说有益于人类的生存。
在向瑞典科学院发表演讲时，阿列纽斯宣称，其时被称为“碳酸”（carbonic acid）的二氧化碳水平日益升高，将会让未来的一代代人“生活在更温暖的天空下”。之后，他又在自己撰写的众多科普著作之一《正在形成的世界》中，详细说明了这一观念：
“由于大气中碳酸比重的增加，人类将能享受到更为温和也更为宜人的气候，对生活在地球寒冷地区的人来说尤其如此。到那时，地球将能生产出更为充足的农作物来养活人口快速增长的人类。”
阿列纽斯在1927年去世后，人们对气候变化的兴趣减少了。很多科学家坚持认为，即便二氧化碳水平真的在升高，增速也非常缓慢。
基林：研究更准确测量大气中二氧化碳含量的新方法
20世纪50年代中期，不知出于什么原因，一个名叫查尔斯·戴维·基林的年轻化学家，决心研究更为准确地测量大气中二氧化碳含量的新方法。（后来，他将这一决定的理由归结为他觉得装配这些必要的设备“非常有趣”。）1958年，基林说服美国气象局在新气象台使用他的技术来监测二氧化碳。这一气象台的海拔高达11000英尺，位于夏威夷岛上的莫纳罗亚山侧翼。从那时起，这种二氧化碳的测量工作就在莫纳罗亚山延续至今。这些被称作“基林曲线”的测量结果，也许可以称得上是迄今为止最为广泛发行的一套自然科学数据了。
从图形上看，基林曲线像是一段倾斜的锯齿边。每一个锯齿对应一年。二氧化碳的水平在夏季降到最低点，此时北半球的树木因为光合作用而吸收它；二氧化碳又在冬季增长到最高，其时树木都处于休眠状态。（南半球的森林较少。）同时，曲线的倾斜向上表明了年平均值的增长。

基林曲线表明，从20世纪50年代开始，二氧化碳的水平一直在稳步上升。
引自斯克里普斯海洋学研究所
莫纳罗亚山二氧化碳水平的第一次全年监测是在1959年，当年的平均值为316ppm。接下来的一年，这一平均值达到了317ppm。这一结果促使基林发现，学界目前有关海洋吸收二氧化碳的假设有可能是错误的。到1970年，二氧化碳水平已经达到325ppm，1990年上升至354ppm。2005年夏天，二氧化碳的水平已经达到了378ppm。如今，已经差不多上升到了380ppm。按照这一速度，到21世纪中叶，这一数值将达到500ppm，差不多是前工业化时代的两倍。也就是说，比阿列纽斯的预言提前了将近2850年。
（作者伊丽莎白•科尔伯特，系美国记者，《纽约客》特约撰稿人和环境评论员，常年行走在世界环境变化的报道一线，以惊心动魄的文字和严谨科学的考据，为世人传来冰川消融、物种灭绝和气候变迁的消息。因收录在《灾异手记》中的“全球变暖”系列报道获美国全国期刊奖，因《大灭绝时代》获普利策非虚构作品奖，她与比尔•盖茨和阿尔•戈尔一起，位列我们这个时代最重要的环境观察员和行动者。本文摘自《灾异手记》一书，澎湃科技获授权转载。）