目前地球到底是在變冷還是變暖,這一直是個爭論不休的問題,而且在中文論壇,我似乎注意到了一個怪現像,就是支持地球變暖的人以傳統意義上的“右派”居多,支持地球變冷的則以“左派”居多 ---- 這其中的緣由不外乎是從政治或者經濟角度去考慮問題所致,例如若承認了地球在變暖,這就等價於承認了中國有責任拿出一部分錢出來用於減少二氧化碳等的排放上去,而這對發展中國家的發展 (例如航空公司價格上的競爭) 是不利的;例如美國施加壓力給中國要求減少碳排放,因為中國已經成了世界上的頭號二氧化碳排放國,另一方面中國卻指責美國的人均碳排放是中國的三倍,等。
所以我們的討論得排除這種干擾,不討論中國是不是應該參與以及怎麼樣參與控制碳排放,只討論現在地球是不是在確實變暖;以及,如果地球確實在變暖 (或者甚至在變冷),那麼我們人類自身的 contribution 占據多少份量。比較明顯的是,如果人類自身的 contribution (特別是工業化帶來的部分) 所占據的比重很小,那麼除非咱們的 contribution 是壓垮駱駝的最後一根稻草,那麼什麼里約熱內盧公約、京都協議就沒多大的意義。
美國今年夏天比去年冷,中國比去年熱,這就表明在局部時間局域地區討論地球氣溫的變化沒多大的意義;咱們只能從全球範圍較長時間跨度下去考查。從這個意義而言,地球的氣溫確實是上升的,這可以從下面的觀測圖中清楚地看出。其中第一個圖是過去一千年的氣溫變化圖 (不同的顏色表示數據取自不同的來源),第二圖描述了自 1880 年以來的全球氣溫變化,取自 NASA-GSFC。
從圖中可以看出,若不考慮過去 100 年,地球的氣溫其實是緩慢下降的,儘管一千年下來也大約只降低了半攝氏度;從 1900 年附近開始,這個總的變化趨勢就改變了,變成了上升,過去一百年內全球氣溫大約上升了 0.7-0.8 攝氏度。
好,真正的爭論來了 ---- 這裡我總結一下來自論壇的爭論,儘管可能有掛一漏萬之嫌,但是好在網絡上比較好的綜述文章不少,例如 wiki 百科的介紹,大家可以參考: wiki: 全球變暖
1) 地球的溫度確實在升高,主要因素是工業文明帶來的溫室效應,它不但抵消/扭轉了百年之前的溫度下降趨勢,而且還使得全球溫度明顯升高;
2) 地球實際上在繼續變冷,小冰河時期 (Little Ice Age) 即將來臨,地球過去一百年的溫度升高只是小冰河時期來臨的前奏曲。
1)
目前是主流,被大部分人 (>= 75%)
所承認,其中包括幾乎所有的政府 (儘管可能有少數政府是因為“大勢所趨”而被綁架的)。這也是過去里約熱內盧公約、京都協議等能簽訂的原因。自然,這裡的“溫室效應”只是個籠統的說法,牽涉的原因很多,例如主因二氧化碳的排放,還有甲烷,森林和植被的破壞、太陽的周期活動 (周期大約 11 年,以著名的黑子為代表),等。上面給出的溫度變化曲線自然支持 1),因為過去一千年來溫度是下降的,但是最近一百年來它卻突然明顯上升,而且幅度很大,你不能假設這和地球的工業化無關,將這些解釋為巧合。
2)
其實依賴一個假設:假設人類的活動 (例如溫室效應) 和大自然相比,其實是微不足道的,所以有些人 (特別是“左派”) 聲稱“氣候變暖是炒作、作秀”等。不過現在的研究似乎否定了這點,儘管也承認非人類行為 (例如太陽變化理論) 有時也可能起重要作用。拋開這點,我們可以繼續追問:
2a) 有證據表明“地球開始冷化 北極冰層一年擴張六成” (見 example link ),儘管這是局域地區局域時間的結果,沒多大的統計意義,但“地球變暖”能否就此現象給個折衷的解釋?
2b) 為啥過去一千年來的總趨勢是溫度下降?
我看這可以從地球的黃赤交角的改變作出些定性的說明。這個解釋沒有在我上面列舉的 wiki 詞條里出現,我有些不解,因為這是個比較明顯的因素。適才不死心狗了 狗 黃赤交角的改變對地球變冷變暖的影響,好像是難以明着找到,所以我這裡羅嗦幾句,試圖就上述“詰難”給個大體上的解釋。
眾所周知,咱們這個地球之所以有春夏秋冬四季,根源在於赤道面 (自轉平面) 和黃道面 (公轉平面) 是不一致的,它們之間有個夾角,稱為黃赤交角,目前這個夾角大約是 23 ° 26'。現在太陽還在北半球上空,但是再過十來天就是秋分,秋分那天太陽就會在赤道正上空傻呆着......
為啥上面咱們說“目前這個夾角大約是 23 °2 6'” 或者 23.44 ° 呢?這是因為受地球的章動 (Nutation) 等影響, 黃赤交角是變化的 ,在 22.1°至 24.5°之間變化,周期是41,000年, 目前正在減少 。我們可以很粗地用線性估值來看黃赤交角什麼時候會變得最小 ( 22.1°),隨後開始變大:
T = 20,500 * (23.44 - 22.1)/(24.5 - 22.1) = 11,446
也就是說,以後大約一萬一千多年中黃赤交角都會逐漸變小,直到達到最小值 22.1°。 一萬一千多年 對地球而言,不過是彈指瞬間,但對於人類文明史而言,已經算很長了。誰能想像地球一萬年後會被我們折騰成什麼樣子麼?
黃赤交角正在減少意味着啥?很明顯,它直接帶來兩個後果:
1) 太陽輻射向赤道集中,所以赤道和低緯度地區會更熱,南北兩極和高緯度地區會更冷;
2) 地球的平均溫度將降低。
1) 幾乎是不言而喻的,無須解釋,2) 稍微難理解點。通常,地球的大氣層類似個灰體,地表的熱量主要來自太陽的輻射,大氣的熱量則主要來自於地面。考慮極端情形,如果黃赤交角是零,太陽永遠照在赤道上空,這時赤道附近地表的輻射最強,地球將損失最多的熱量;但若黃赤交角很大,例如 90 度 (例如像金星或者天王星) ,地球吸收的太陽輻射就會比較均衡,而更均衡意味着地表總輻射減少。
假設將黃赤交角的改變 (不是黃赤交角本身的大小) 記為 a 這樣個小量,那麼地球上某點的溫度改變有可能是 O(a) 或者 O(a^2),等,而地球整體上的平均溫度的改變,應該是 a 的更小一階的量,例如 O(a^2) 或者 O(a^3),等 ---- 當然這只是無關宏旨的估測,即使錯了也無傷大雅。當然,這方面若能得到氣象專家 (例如 coolboy) 的評論,即使是數理級別的那種很粗略的估算,也無疑是很不錯的。
所以,大家看到了麼,黃赤交角的減少恰好表明了:1) 地球整體溫度應該下降;2) 赤道和低緯度地區會更熱,南北兩極和高緯度地區會更冷。
比較幸運的是,我們的工業革命恰好發生在黃赤交角變小這個時期,所以因它導致的地球整體溫度應該下降,部分抵消了二氧化碳等帶來的溫室效應,使得我們能多喘一口氣。如果不幸我們的工業化 發生在 黃赤交角增加這個時期,那麼 黃赤交角增加 會造成地球的平均溫度升高,所以我們會覺得這是雪上加霜,苦不堪言,我們就能看到網絡上的左派和右派就會斗得更甚。
文章評論
作者:小思
留言時間:2013-09-17 23:13:22
科學性強,來此學習了。由於影響因素太多,而且那個最重要不明確,不過讀後還是搞不懂將來究竟是變得怎樣。
作者:coolboy
留言時間:2013-09-17 20:41:14
再說金星及全球變暖: 上世紀三十年代及六十年代初,就有知名學者根據溫室效應模式及金星大氣主要成分是二氧化碳而預測金星表面的溫度會很高,會有600K。六十年代初又根據金星微波輻射的觀測而證實金星表面的高溫。六十年代中後期又通過宇宙飛船開始對金星大氣及表面進行實地觀測。但就在晚至1968年,也還有不承認或不懂溫室效應的一些科學家在《Science》上互發論文爭辯這金星地表的極地冰蓋到底是只延伸到高緯的60度呢還一直延伸到中緯的45度?可笑吧?
作者:coolboy
留言時間:2013-09-17 17:58:36
我對天王星知道的沒有你多,不敢在此多說,呵呵。 上面我提到的上世紀五十年代末遙感測出金星表面大氣赤道與極地的溫度差約為30K是錯誤結果。實際溫差是3K,即後來的測量證實G.S.Golitsyn的理論預測反而是對的。沿緯圈方向的溫度變化也是差不多3K或更小。從而水平方向的風場不強,微風。金星表面溫度分布很均勻的原因就是它的大氣很厚實(93個大氣壓)及很慢的自轉(243地球日)。如此厚實的大氣,其主要成分又是二氧化碳(97%),很強的溫室效應使得其表面溫度達750K。你那石頭房子(all-brick house)十有八九一會兒就化了。
作者:紫荊棘鳥
留言時間:2013-09-17 15:14:32
金星的那個例子不算數,是我記錯了公轉面和自轉面的夾角。說輻射均勻的例子,只能是天王星。 不過這裡你恰好拿金星作輻射不均勻的例子倒是蠻好的。若金星赤道和極地氣溫僅僅相差 30 度 (應該是攝氏度或者 Kelvin 吧),那還不足地球赤道和極地的溫差。 金星和地球差不多大,但是金星和地球一個最大的區別是它幾乎不自轉。所以它晝夜收到的輻射很不均勻,白天會很熱,晚上則會很冷。如果極地和赤道的溫差小,那只能是因為空氣對流厲害,金星上的石頭房子十有八九會被風颳走:)
作者:coolboy
留言時間:2013-09-17 14:35:29
紫鳥在上面提到“若黃赤交角很大,則地球吸收的太陽輻射就會比較均衡”從而地表的溫度分布也會比較均衡。但金星的黃赤交角是 -2.7 度,太陽幾乎永遠照耀在赤道上空。這時,憑直覺想象,或憑邏輯推理,則金星赤道處的地表溫度應該要比其高緯極地處的地表溫度高出很多。上世紀五十年代末從地球不同研究單位不同方法(好像是無線電波段)遙感測出金星大氣赤道與極地的溫度差約為30度。人們提出了不同的理論來解釋這30度的溫度差。當時前蘇聯有一大氣科學家叫G.S.Golitsyn,他用流體力學中的相似理論根據已知的物理參數估算出金星表面大氣赤道和極地之間的溫度差僅為3度。這主要是因為金星非常厚實的大氣能有效地輸運熱(能)量從而減小了赤道和極地之間由於接收太陽輻射能不同而引起的溫度差。因為這觀測的30度與理論的3度差太大了,當時曾引起較大的爭論或注目。後來更進一步的觀測及現代公認的結果認為G.S.Golitsyn用相似理論估算出的值是正確的,G.S.Golitsyn也以此成果成名。
作者:coolboy
留言時間:2013-09-17 13:37:29
記得許多年前修了一門《行星大氣》的課,在講到地球大氣演變史時有一類似的圖。中間除了總體上逐漸變小的二氧化碳,大致不變的溫度及氮氣之外,還有從無到有的氧氣及臭氧,等等其它元素及變量。其中有一要點是說,假如地球的軌道離太陽再近一點,或早年的太陽光同現今的一樣強的話,則由於一開始從地殼中逃逸出來的大氣中二氧化碳的含量很高,則很強的溫室效應會使得地表溫度太高從而進一步使得所有的海水通通地蒸發成水汽,最後地球就會象金星那樣,表面的溫度很高,無海洋,無生物,大氣主要成份則是二氧化碳。早年太陽輻射強度只是目前強度的70%左右,但二氧化碳的含量很高,很強的溫室效應仍然使得地表的溫度(在太陽輻射很弱的條件下)不至於太低而使得地球變成一個冰球。後來太陽輻射強度漸漸增強,剛好大氣中二氧化碳的含量也漸漸降低,所以整個演變時期地表溫度一直維持在一個適宜的範圍內,有助於生物的演變,發展,阿門!
作者:紫荊棘鳥
留言時間:2013-09-17 07:24:11
這個圖比較有意思,大體上標誌了地球上有生命以來 ( up to 6 億年前) 地球大氣 CO2 的變化。歷史上地球溫度和現在差不多的時期,還得追溯到 3 億年前,大體對應二疊紀。 <img src=http://deforestation.geologist-1011.net/PhanerozoicCO2-Temperatures.png>
作者:coolboy
留言時間:2013-09-17 05:23:26
一般說到氣候變暖就說是“溫室效應”。溫室的玻璃可讓太陽光透過加熱地面,但玻璃阻止了地面的紅外輻射(或其它過程)的散熱。故溫室內的溫度要比溫室外的溫度高。地球大氣層就相當一玻璃層。當然主要成分的氮氣、氧氣並不起玻璃層的作用,是大氣中的二氧化碳,水汽、臭氧、雲等在起玻璃層的作用。若沒有地球大氣,則地球表面平均溫度應該是255K,並不適合人類居住。目前實際觀測到的地球表面平均溫度是280K。這多出來的25度,就是地球大氣“溫室效應”的效果。若大氣中的二氧化碳倍增,則也就是相當於“溫室效應”增強,地球表面平均溫度在原已增加25度的基礎上,還會增加2到4度。
作者:coolboy
留言時間:2013-09-16 20:34:54
Correction: "nine planets" rather than "nice planets".
作者:coolboy
留言時間:2013-09-16 13:09:18
We used to have nice planets. Among those, three planets had retrograde rotations, i.e., they rotated in an opposite direction to that of Earth or other planets. Those three planets were Venus, Uranus and Pluto.
作者:紫荊棘鳥
留言時間:2013-09-16 11:25:27
You are right, my bad. The axial tilt angle of the Venus is almost 180 degree, not 90. I just checked the data for the 8 planets, only Uranus has an axial tilt angle near 90 degrees...
作者:coolboy
留言時間:2013-09-16 10:40:42
紫鳥:“但若黃赤交角很大,例如 90 度 (例如像金星或者天王星),地球吸收的太陽輻射就會比較均衡” 天王星的黃赤交角是 -82 度,確實是接近你所說的 90 度,從而吸收的太陽輻射會比較均衡。但金星的黃赤交角是 -2.7 度,太陽幾乎永遠照在赤道上空。上面的負號表示行星的自轉方向與地球的自轉方向相反,即金星和天王星是自東向西而自轉。
作者:coolboy
留言時間:2013-09-16 08:16:47
我猜測大致上是這麼一回事: 慶承瑞從事過高能粒子物理研究,好像在歐洲的一個研究宇宙射線與氣候變化關係的單位短期訪問過。我們從目前的討論中已看出太陽輻射變化對百、十年時間跨度的氣候變化的影響是次要的(紫荊棘鳥:“太陽活動年只對氣候的改變起一定的作用,而不是主因”)。這宇宙射線的貢獻又比太陽輻射的貢獻小了很多倍。尤其重要的一點是這宇宙射線在到達地球環境的過程中一路上受到了“太陽風”磁場及其變化的影響。也就是說,在地球環境所觀測到的宇宙射線的變化完全體現了太陽輻射(或即太陽風)的變化。多年前,有幾個歐洲人根據宇宙射線同某些大氣物理量的相關就提出這宇宙射線的變化能導致地球氣候變化的理論。儘管圈內大氣科學的專業人員多認為那是扯蛋,但這所謂的“偽科學”或“quasi-偽科學”的流行也並非是中國的特色。這慶承瑞則在從事此糊塗研究的基礎上又向前垮了一步:她又感到自己儘管本行是高能物理但只因為從事了“宇宙射線同氣候變化這一專題的研究”,其實對全球變化的整個領域也十分了解,可對各種信息做出正確的判斷。其結果,當然就是出亂子了。
作者:紫荊棘鳥
留言時間:2013-09-16 06:16:14
有意思。慶承瑞不是何夫人麼,怎麼也研究起氣象來了?
作者:coolboy
留言時間:2013-09-15 18:47:51
紫鳥的這篇博文已經在如下的兩個專業帖子中被引用了: 關於全球氣候變暖 http://bbs.lasg.ac.cn/bbs/thread-42150-12-1.html 慶承瑞:全球變暖與反變暖之爭和病態科學 http://www.cfluid.com/bbs/viewthread.php?tid=84936&extra=page%3D1&page=5
作者:山哥
留言時間:2013-09-15 05:17:33
作者:山哥
留言時間:2013-09-15 05:17:20
作者:老冬兒
留言時間:2013-09-14 09:52:44
作者:coolboy
留言時間:2013-09-14 07:25:50
補充說明一下,上面所提的下面鏈接中不同圖的比較以及爭論即是關於北極冰蓋變化與全球變暖的關係: ++++++++++++++ 也是專家!你信誰? [王曉鋼] http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=286500 ++++++++++++++
作者:深山蘭
留言時間:2013-09-14 06:39:14
對不起,我最後的第二句話的本意是百、千、萬年的尺度上,不是指千萬年,那是少了一個頓號。那個尺度恰好是我們最關心的尺度。
作者:深山蘭
留言時間:2013-09-14 06:28:46
地球傾角的變小,部分抵消了人類排放的二氧化碳溫室效應的效果。這個結論是沒有錯的。但未來的走勢還和其它參數密切相關。眼光敏銳的科學家們曾對此作出過明確的結論的。 我曾在此問題上花費了若干時間。過幾天,我碼一篇短文,把那些結論拿來獻醜。把你的結論加以引申。 簡單一點說,地球的氣溫在大尺度上講,是變冷的,但在未來幾千年的尺度上,結果很複雜。最糟糕的一點是,在千萬年及更大的尺度上講,二氧化碳是對地球的天文參數引起的地球氣溫的變化起正反饋的作用。這是這個問題異常複雜的根本所在。 但願我碼的字能把它扯幾分清楚。
作者:coolboy
留言時間:2013-09-14 06:12:54
大家看一看下面鏈接中不同圖的比較以及爭論就應該清楚是怎麼回事了: ++++++++++++++ 也是專家!你信誰? [王曉鋼] http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=286500 ++++++++++++++ 從紫鳥博文中第二張圖的橙色線也可看出:全球地面平均溫度也並非單調上升的,它是“鋸齒型”地上升着的。上面一直說着近一百年來,全球地面平均溫度上升了約1度,但從上圖中顯然可找到某兩年的時段,一年中的全球地面平均溫度就下降了0.2度。若我們忽略了紫鳥關於“咱們只能從全球範圍較長時間跨度下去考查”的觀點,而是老耵着某兩年的狀態進行比較,我們就不可能得出關於全球變暖的全面性的正確結論。
作者:森林
留言時間:2013-09-14 05:59:21
紫鳥:我說的是鹽度梯度造成的深層全球尺度的大洋環流,它應該可以當作變量、不是因變量。它對氣候的影響是非常重要的,這學地球物理包括氣象和海洋的專業人士應該清楚。
作者:紫荊棘鳥
留言時間:2013-09-14 04:38:00
森林,那個圖片傳得比較廣,我比較相信拿上ps的,一則冰雪面積一年增加了50%,你不覺得匪夷所思了點。主要的,你能給這個圖片找到比較權威的出處嗎? 洋流確實影響氣候,但它是因變量,不是變量啊。
作者:森林
留言時間:2013-09-13 21:09:15
不要忘了大洋深層洋流的變化是影響大氣溫度長期變化的一個主要因素。
作者:森林
留言時間:2013-09-13 19:55:49
我提到的關於北極冰蓋明顯變大是指大約1一2星期前在這萬維上有人放了兩張NASA的對比照片, here it is: http://blog.creaders.net/Gezhifu/user_blog_diary.php?did=160145
作者:紫荊棘鳥
留言時間:2013-09-13 15:54:12
Ha. I know why.... Shod be 對流層,not 平流層,a big typo
作者:紫荊棘鳥
留言時間:2013-09-13 15:01:31
看,看,班門弄斧的下場......俺是不是喝高了? 好像現在大家只是覺得太陽活動年只對氣候的改變起一定的作用,而不是主因。再說,20、30 年下來,太陽活動的效應平均下來,就和熱噪聲類似了...... 現在溫度的升高的主因,應該很清晰了:工業化帶來的溫室效應。
作者:coolboy
留言時間:2013-09-13 13:19:04
紫鳥越說越專業,越說越高深了。現在都引入“平流層”的概念了,還是不再瞎問瞎猜的好。 :) 不過,你上面最後的一句話挺有意思的:“地表輻射的強度是和溫度的四次方成比例的”。如果S~T^4,則log(S)~4*log(T),從而dS/S~4*dT/T,你上面提到“因為現在當太陽處於活動年份時(例如周期11年左右的太陽黑子和耀斑的爆發),據說太陽的輻射強度增加0.1%左右”,也即dS/S~0.1%,從而可得dT/T~0.025%,也即dT~0.025%*300度~0.075度。可見,在百、十年的時間跨度上,太陽輻射變化引起的地表溫度變化(~0.075)應該是遠遠地要小於所觀測到的1度的溫度變化。
作者:紫荊棘鳥
留言時間:2013-09-13 12:03:16
哈哈,這和數學好不好倒關係不大,現在的狀態是,只考慮某個 factor 作最初步的定性分析,並祈求不出大差錯而已。 就離心率這個 factor 而言,近日點和遠日點輻射量的差別是 O( delta e ^2) 是比較明顯地,輻射量大時地表的反射、自身的紅外線輻射也大,所以將這些因素考慮進來,和 e = 0 (正圓形軌道) 比較起來,地表積蓄的熱量差值就是 O ( delta e ^3),這和你用折線去逼近曲線作數值估算是類似的,假設你都取折線的左端點的值去逼近曲線,得到的結果是 O(步長) 的誤差,那麼你用左右端點的平均值去估算,誤差通常就只有 O(步長 ^2)。 當然氣象模型肯定極其複雜,地表某個地方可以和周圍進行對流式的熱交換 (這個應該是次因),地表本身還可以反射和輻射。反射應該只改變 O ( delta e ^3) 的係數 (猜想),而大氣,特別是最底下的平流層,對地表的紅外線輻射不像可見光那麼透明 (灰塵也應該主要集中在平流層),所以它應該是維持地表溫度的主因。所以這時若不考慮溫度,而只考慮能量/熱量,無論平流層吸收多少地表輻射,基本上它也只改變O ( delta e ^3)的係數,或者加一些更低階的附加項,但是總的說來,對地球總的“熱量”的影響,是 O ( delta e ^3) 級別的。 但是溫度的改變通常不會和 O ( delta e ^3) 成正比,因為溫度和能量不成線性關係。特別是,如果假設地球是個黑體 (儘管不是),地表輻射的強度是和溫度的四次方成比例的。