目前地球到底是在变冷还是变暖,这一直是个争论不休的问题,而且在中文论坛,我似乎注意到了一个怪现像,就是支持地球变暖的人以传统意义上的“右派”居多,支持地球变冷的则以“左派”居多 ---- 这其中的缘由不外乎是从政治或者经济角度去考虑问题所致,例如若承认了地球在变暖,这就等价于承认了中国有责任拿出一部分钱出来用于减少二氧化碳等的排放上去,而这对发展中国家的发展 (例如航空公司价格上的竞争) 是不利的;例如美国施加压力给中国要求减少碳排放,因为中国已经成了世界上的头号二氧化碳排放国,另一方面中国却指责美国的人均碳排放是中国的三倍,等。
所以我们的讨论得排除这种干扰,不讨论中国是不是应该参与以及怎么样参与控制碳排放,只讨论现在地球是不是在确实变暖;以及,如果地球确实在变暖 (或者甚至在变冷),那么我们人类自身的 contribution 占据多少份量。比较明显的是,如果人类自身的 contribution (特别是工业化带来的部分) 所占据的比重很小,那么除非咱们的 contribution 是压垮骆驼的最后一根稻草,那么什么里约热内卢公约、京都协议就没多大的意义。
美国今年夏天比去年冷,中国比去年热,这就表明在局部时间局域地区讨论地球气温的变化没多大的意义;咱们只能从全球范围较长时间跨度下去考查。从这个意义而言,地球的气温确实是上升的,这可以从下面的观测图中清楚地看出。其中第一个图是过去一千年的气温变化图 (不同的颜色表示数据取自不同的来源),第二图描述了自 1880 年以来的全球气温变化,取自 NASA-GSFC。
从图中可以看出,若不考虑过去 100 年,地球的气温其实是缓慢下降的,尽管一千年下来也大约只降低了半摄氏度;从 1900 年附近开始,这个总的变化趋势就改变了,变成了上升,过去一百年内全球气温大约上升了 0.7-0.8 摄氏度。
好,真正的争论来了 ---- 这里我总结一下来自论坛的争论,尽管可能有挂一漏万之嫌,但是好在网络上比较好的综述文章不少,例如 wiki 百科的介绍,大家可以参考: wiki: 全球变暖
1) 地球的温度确实在升高,主要因素是工业文明带来的温室效应,它不但抵消/扭转了百年之前的温度下降趋势,而且还使得全球温度明显升高;
2) 地球实际上在继续变冷,小冰河时期 (Little Ice Age) 即将来临,地球过去一百年的温度升高只是小冰河时期来临的前奏曲。
1)
目前是主流,被大部分人 (>= 75%)
所承认,其中包括几乎所有的政府 (尽管可能有少数政府是因为“大势所趋”而被绑架的)。这也是过去里约热内卢公约、京都协议等能签订的原因。自然,这里的“温室效应”只是个笼统的说法,牵涉的原因很多,例如主因二氧化碳的排放,还有甲烷,森林和植被的破坏、太阳的周期活动 (周期大约 11 年,以著名的黑子为代表),等。上面给出的温度变化曲线自然支持 1),因为过去一千年来温度是下降的,但是最近一百年来它却突然明显上升,而且幅度很大,你不能假设这和地球的工业化无关,将这些解释为巧合。
2)
其实依赖一个假设:假设人类的活动 (例如温室效应) 和大自然相比,其实是微不足道的,所以有些人 (特别是“左派”) 声称“气候变暖是炒作、作秀”等。不过现在的研究似乎否定了这点,尽管也承认非人类行为 (例如太阳变化理论) 有时也可能起重要作用。抛开这点,我们可以继续追问:
2a) 有证据表明“地球开始冷化 北极冰层一年扩张六成” (见 example link ),尽管这是局域地区局域时间的结果,没多大的统计意义,但“地球变暖”能否就此现象给个折衷的解释?
2b) 为啥过去一千年来的总趋势是温度下降?
我看这可以从地球的黄赤交角的改变作出些定性的说明。这个解释没有在我上面列举的 wiki 词条里出现,我有些不解,因为这是个比较明显的因素。适才不死心狗了 狗 黄赤交角的改变对地球变冷变暖的影响,好像是难以明着找到,所以我这里罗嗦几句,试图就上述“诘难”给个大体上的解释。
众所周知,咱们这个地球之所以有春夏秋冬四季,根源在于赤道面 (自转平面) 和黄道面 (公转平面) 是不一致的,它们之间有个夹角,称为黄赤交角,目前这个夹角大约是 23 ° 26'。现在太阳还在北半球上空,但是再过十来天就是秋分,秋分那天太阳就会在赤道正上空傻呆着......
为啥上面咱们说“目前这个夹角大约是 23 °2 6'” 或者 23.44 ° 呢?这是因为受地球的章动 (Nutation) 等影响, 黄赤交角是变化的 ,在 22.1°至 24.5°之间变化,周期是41,000年, 目前正在减少 。我们可以很粗地用线性估值来看黄赤交角什么时候会变得最小 ( 22.1°),随后开始变大:
T = 20,500 * (23.44 - 22.1)/(24.5 - 22.1) = 11,446
也就是说,以后大约一万一千多年中黄赤交角都会逐渐变小,直到达到最小值 22.1°。 一万一千多年 对地球而言,不过是弹指瞬间,但对于人类文明史而言,已经算很长了。谁能想像地球一万年后会被我们折腾成什么样子么?
黄赤交角正在减少意味着啥?很明显,它直接带来两个后果:
1) 太阳辐射向赤道集中,所以赤道和低纬度地区会更热,南北两极和高纬度地区会更冷;
2) 地球的平均温度将降低。
1) 几乎是不言而喻的,无须解释,2) 稍微难理解点。通常,地球的大气层类似个灰体,地表的热量主要来自太阳的辐射,大气的热量则主要来自于地面。考虑极端情形,如果黄赤交角是零,太阳永远照在赤道上空,这时赤道附近地表的辐射最强,地球将损失最多的热量;但若黄赤交角很大,例如 90 度 (例如像金星或者天王星) ,地球吸收的太阳辐射就会比较均衡,而更均衡意味着地表总辐射减少。
假设将黄赤交角的改变 (不是黄赤交角本身的大小) 记为 a 这样个小量,那么地球上某点的温度改变有可能是 O(a) 或者 O(a^2),等,而地球整体上的平均温度的改变,应该是 a 的更小一阶的量,例如 O(a^2) 或者 O(a^3),等 ---- 当然这只是无关宏旨的估测,即使错了也无伤大雅。当然,这方面若能得到气象专家 (例如 coolboy) 的评论,即使是数理级别的那种很粗略的估算,也无疑是很不错的。
所以,大家看到了么,黄赤交角的减少恰好表明了:1) 地球整体温度应该下降;2) 赤道和低纬度地区会更热,南北两极和高纬度地区会更冷。
比较幸运的是,我们的工业革命恰好发生在黄赤交角变小这个时期,所以因它导致的地球整体温度应该下降,部分抵消了二氧化碳等带来的温室效应,使得我们能多喘一口气。如果不幸我们的工业化 发生在 黄赤交角增加这个时期,那么 黄赤交角增加 会造成地球的平均温度升高,所以我们会觉得这是雪上加霜,苦不堪言,我们就能看到网络上的左派和右派就会斗得更甚。
文章评论
作者:小思
留言时间:2013-09-17 23:13:22
科学性强,来此学习了。由于影响因素太多,而且那个最重要不明确,不过读后还是搞不懂将来究竟是变得怎样。
作者:coolboy
留言时间:2013-09-17 20:41:14
再说金星及全球变暖: 上世纪三十年代及六十年代初,就有知名学者根据温室效应模式及金星大气主要成分是二氧化碳而预测金星表面的温度会很高,会有600K。六十年代初又根据金星微波辐射的观测而证实金星表面的高温。六十年代中后期又通过宇宙飞船开始对金星大气及表面进行实地观测。但就在晚至1968年,也还有不承认或不懂温室效应的一些科学家在《Science》上互发论文争辩这金星地表的极地冰盖到底是只延伸到高纬的60度呢还一直延伸到中纬的45度?可笑吧?
作者:coolboy
留言时间:2013-09-17 17:58:36
我对天王星知道的没有你多,不敢在此多说,呵呵。 上面我提到的上世纪五十年代末遥感测出金星表面大气赤道与极地的温度差约为30K是错误结果。实际温差是3K,即后来的测量证实G.S.Golitsyn的理论预测反而是对的。沿纬圈方向的温度变化也是差不多3K或更小。从而水平方向的风场不强,微风。金星表面温度分布很均匀的原因就是它的大气很厚实(93个大气压)及很慢的自转(243地球日)。如此厚实的大气,其主要成分又是二氧化碳(97%),很强的温室效应使得其表面温度达750K。你那石头房子(all-brick house)十有八九一会儿就化了。
作者:紫荆棘鸟
留言时间:2013-09-17 15:14:32
金星的那个例子不算数,是我记错了公转面和自转面的夹角。说辐射均匀的例子,只能是天王星。 不过这里你恰好拿金星作辐射不均匀的例子倒是蛮好的。若金星赤道和极地气温仅仅相差 30 度 (应该是摄氏度或者 Kelvin 吧),那还不足地球赤道和极地的温差。 金星和地球差不多大,但是金星和地球一个最大的区别是它几乎不自转。所以它昼夜收到的辐射很不均匀,白天会很热,晚上则会很冷。如果极地和赤道的温差小,那只能是因为空气对流厉害,金星上的石头房子十有八九会被风刮走:)
作者:coolboy
留言时间:2013-09-17 14:35:29
紫鸟在上面提到“若黄赤交角很大,则地球吸收的太阳辐射就会比较均衡”从而地表的温度分布也会比较均衡。但金星的黄赤交角是 -2.7 度,太阳几乎永远照耀在赤道上空。这时,凭直觉想象,或凭逻辑推理,则金星赤道处的地表温度应该要比其高纬极地处的地表温度高出很多。上世纪五十年代末从地球不同研究单位不同方法(好像是无线电波段)遥感测出金星大气赤道与极地的温度差约为30度。人们提出了不同的理论来解释这30度的温度差。当时前苏联有一大气科学家叫G.S.Golitsyn,他用流体力学中的相似理论根据已知的物理参数估算出金星表面大气赤道和极地之间的温度差仅为3度。这主要是因为金星非常厚实的大气能有效地输运热(能)量从而减小了赤道和极地之间由于接收太阳辐射能不同而引起的温度差。因为这观测的30度与理论的3度差太大了,当时曾引起较大的争论或注目。后来更进一步的观测及现代公认的结果认为G.S.Golitsyn用相似理论估算出的值是正确的,G.S.Golitsyn也以此成果成名。
作者:coolboy
留言时间:2013-09-17 13:37:29
记得许多年前修了一门《行星大气》的课,在讲到地球大气演变史时有一类似的图。中间除了总体上逐渐变小的二氧化碳,大致不变的温度及氮气之外,还有从无到有的氧气及臭氧,等等其它元素及变量。其中有一要点是说,假如地球的轨道离太阳再近一点,或早年的太阳光同现今的一样强的话,则由于一开始从地壳中逃逸出来的大气中二氧化碳的含量很高,则很强的温室效应会使得地表温度太高从而进一步使得所有的海水通通地蒸发成水汽,最后地球就会象金星那样,表面的温度很高,无海洋,无生物,大气主要成份则是二氧化碳。早年太阳辐射强度只是目前强度的70%左右,但二氧化碳的含量很高,很强的温室效应仍然使得地表的温度(在太阳辐射很弱的条件下)不至于太低而使得地球变成一个冰球。后来太阳辐射强度渐渐增强,刚好大气中二氧化碳的含量也渐渐降低,所以整个演变时期地表温度一直维持在一个适宜的范围内,有助于生物的演变,发展,阿门!
作者:紫荆棘鸟
留言时间:2013-09-17 07:24:11
这个图比较有意思,大体上标志了地球上有生命以来 ( up to 6 亿年前) 地球大气 CO2 的变化。历史上地球温度和现在差不多的时期,还得追溯到 3 亿年前,大体对应二叠纪。 <img src=http://deforestation.geologist-1011.net/PhanerozoicCO2-Temperatures.png>
作者:coolboy
留言时间:2013-09-17 05:23:26
一般说到气候变暖就说是“温室效应”。温室的玻璃可让太阳光透过加热地面,但玻璃阻止了地面的红外辐射(或其它过程)的散热。故温室内的温度要比温室外的温度高。地球大气层就相当一玻璃层。当然主要成分的氮气、氧气并不起玻璃层的作用,是大气中的二氧化碳,水汽、臭氧、云等在起玻璃层的作用。若没有地球大气,则地球表面平均温度应该是255K,并不适合人类居住。目前实际观测到的地球表面平均温度是280K。这多出来的25度,就是地球大气“温室效应”的效果。若大气中的二氧化碳倍增,则也就是相当于“温室效应”增强,地球表面平均温度在原已增加25度的基础上,还会增加2到4度。
作者:coolboy
留言时间:2013-09-16 20:34:54
Correction: "nine planets" rather than "nice planets".
作者:coolboy
留言时间: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:紫荆棘鸟
留言时间: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
留言时间:2013-09-16 10:40:42
紫鸟:“但若黄赤交角很大,例如 90 度 (例如像金星或者天王星),地球吸收的太阳辐射就会比较均衡” 天王星的黄赤交角是 -82 度,确实是接近你所说的 90 度,从而吸收的太阳辐射会比较均衡。但金星的黄赤交角是 -2.7 度,太阳几乎永远照在赤道上空。上面的负号表示行星的自转方向与地球的自转方向相反,即金星和天王星是自东向西而自转。
作者:coolboy
留言时间:2013-09-16 08:16:47
我猜测大致上是这么一回事: 庆承瑞从事过高能粒子物理研究,好像在欧洲的一个研究宇宙射线与气候变化关系的单位短期访问过。我们从目前的讨论中已看出太阳辐射变化对百、十年时间跨度的气候变化的影响是次要的(紫荆棘鸟:“太阳活动年只对气候的改变起一定的作用,而不是主因”)。这宇宙射线的贡献又比太阳辐射的贡献小了很多倍。尤其重要的一点是这宇宙射线在到达地球环境的过程中一路上受到了“太阳风”磁场及其变化的影响。也就是说,在地球环境所观测到的宇宙射线的变化完全体现了太阳辐射(或即太阳风)的变化。多年前,有几个欧洲人根据宇宙射线同某些大气物理量的相关就提出这宇宙射线的变化能导致地球气候变化的理论。尽管圈内大气科学的专业人员多认为那是扯蛋,但这所谓的“伪科学”或“quasi-伪科学”的流行也并非是中国的特色。这庆承瑞则在从事此糊涂研究的基础上又向前垮了一步:她又感到自己尽管本行是高能物理但只因为从事了“宇宙射线同气候变化这一专题的研究”,其实对全球变化的整个领域也十分了解,可对各种信息做出正确的判断。其结果,当然就是出乱子了。
作者:紫荆棘鸟
留言时间:2013-09-16 06:16:14
有意思。庆承瑞不是何夫人么,怎么也研究起气象来了?
作者:coolboy
留言时间:2013-09-15 18:47:51
紫鸟的这篇博文已经在如下的两个专业帖子中被引用了: 关于全球气候变暖 http://bbs.lasg.ac.cn/bbs/thread-42150-12-1.html 庆承瑞:全球变暖与反变暖之争和病态科学 http://www.cfluid.com/bbs/viewthread.php?tid=84936&extra=page%3D1&page=5
作者:山哥
留言时间:2013-09-15 05:17:33
作者:山哥
留言时间:2013-09-15 05:17:20
作者:老冬儿
留言时间:2013-09-14 09:52:44
作者:coolboy
留言时间:2013-09-14 07:25:50
补充说明一下,上面所提的下面链接中不同图的比较以及争论即是关于北极冰盖变化与全球变暖的关系: ++++++++++++++ 也是专家!你信谁? [王晓钢] http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=286500 ++++++++++++++
作者:深山兰
留言时间:2013-09-14 06:39:14
对不起,我最后的第二句话的本意是百、千、万年的尺度上,不是指千万年,那是少了一个顿号。那个尺度恰好是我们最关心的尺度。
作者:深山兰
留言时间:2013-09-14 06:28:46
地球倾角的变小,部分抵消了人类排放的二氧化碳温室效应的效果。这个结论是没有错的。但未来的走势还和其它参数密切相关。眼光敏锐的科学家们曾对此作出过明确的结论的。 我曾在此问题上花费了若干时间。过几天,我码一篇短文,把那些结论拿来献丑。把你的结论加以引申。 简单一点说,地球的气温在大尺度上讲,是变冷的,但在未来几千年的尺度上,结果很复杂。最糟糕的一点是,在千万年及更大的尺度上讲,二氧化碳是对地球的天文参数引起的地球气温的变化起正反馈的作用。这是这个问题异常复杂的根本所在。 但愿我码的字能把它扯几分清楚。
作者:coolboy
留言时间:2013-09-14 06:12:54
大家看一看下面链接中不同图的比较以及争论就应该清楚是怎么回事了: ++++++++++++++ 也是专家!你信谁? [王晓钢] http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=286500 ++++++++++++++ 从紫鸟博文中第二张图的橙色线也可看出:全球地面平均温度也并非单调上升的,它是“锯齿型”地上升着的。上面一直说着近一百年来,全球地面平均温度上升了约1度,但从上图中显然可找到某两年的时段,一年中的全球地面平均温度就下降了0.2度。若我们忽略了紫鸟关于“咱们只能从全球范围较长时间跨度下去考查”的观点,而是老耵着某两年的状态进行比较,我们就不可能得出关于全球变暖的全面性的正确结论。
作者:森林
留言时间:2013-09-14 05:59:21
紫鸟:我说的是盐度梯度造成的深层全球尺度的大洋环流,它应该可以当作变量、不是因变量。它对气候的影响是非常重要的,这学地球物理包括气象和海洋的专业人士应该清楚。
作者:紫荆棘鸟
留言时间:2013-09-14 04:38:00
森林,那个图片传得比较广,我比较相信拿上ps的,一则冰雪面积一年增加了50%,你不觉得匪夷所思了点。主要的,你能给这个图片找到比较权威的出处吗? 洋流确实影响气候,但它是因变量,不是变量啊。
作者:森林
留言时间:2013-09-13 21:09:15
不要忘了大洋深层洋流的变化是影响大气温度长期变化的一个主要因素。
作者:森林
留言时间:2013-09-13 19:55:49
我提到的关于北极冰盖明显变大是指大约1一2星期前在这万维上有人放了两张NASA的对比照片, here it is: http://blog.creaders.net/Gezhifu/user_blog_diary.php?did=160145
作者:紫荆棘鸟
留言时间:2013-09-13 15:54:12
Ha. I know why.... Shod be 对流层,not 平流层,a big typo
作者:紫荆棘鸟
留言时间:2013-09-13 15:01:31
看,看,班门弄斧的下场......俺是不是喝高了? 好像现在大家只是觉得太阳活动年只对气候的改变起一定的作用,而不是主因。再说,20、30 年下来,太阳活动的效应平均下来,就和热噪声类似了...... 现在温度的升高的主因,应该很清晰了:工业化带来的温室效应。
作者:coolboy
留言时间:2013-09-13 13:19:04
紫鸟越说越专业,越说越高深了。现在都引入“平流层”的概念了,还是不再瞎问瞎猜的好。 :) 不过,你上面最后的一句话挺有意思的:“地表辐射的强度是和温度的四次方成比例的”。如果S~T^4,则log(S)~4*log(T),从而dS/S~4*dT/T,你上面提到“因为现在当太阳处于活动年份时(例如周期11年左右的太阳黑子和耀斑的爆发),据说太阳的辐射强度增加0.1%左右”,也即dS/S~0.1%,从而可得dT/T~0.025%,也即dT~0.025%*300度~0.075度。可见,在百、十年的时间跨度上,太阳辐射变化引起的地表温度变化(~0.075)应该是远远地要小于所观测到的1度的温度变化。
作者:紫荆棘鸟
留言时间:2013-09-13 12:03:16
哈哈,这和数学好不好倒关系不大,现在的状态是,只考虑某个 factor 作最初步的定性分析,并祈求不出大差错而已。 就离心率这个 factor 而言,近日点和远日点辐射量的差别是 O( delta e ^2) 是比较明显地,辐射量大时地表的反射、自身的红外线辐射也大,所以将这些因素考虑进来,和 e = 0 (正圆形轨道) 比较起来,地表积蓄的热量差值就是 O ( delta e ^3),这和你用折线去逼近曲线作数值估算是类似的,假设你都取折线的左端点的值去逼近曲线,得到的结果是 O(步长) 的误差,那么你用左右端点的平均值去估算,误差通常就只有 O(步长 ^2)。 当然气象模型肯定极其复杂,地表某个地方可以和周围进行对流式的热交换 (这个应该是次因),地表本身还可以反射和辐射。反射应该只改变 O ( delta e ^3) 的系数 (猜想),而大气,特别是最底下的平流层,对地表的红外线辐射不像可见光那么透明 (灰尘也应该主要集中在平流层),所以它应该是维持地表温度的主因。所以这时若不考虑温度,而只考虑能量/热量,无论平流层吸收多少地表辐射,基本上它也只改变O ( delta e ^3)的系数,或者加一些更低阶的附加项,但是总的说来,对地球总的“热量”的影响,是 O ( delta e ^3) 级别的。 但是温度的改变通常不会和 O ( delta e ^3) 成正比,因为温度和能量不成线性关系。特别是,如果假设地球是个黑体 (尽管不是),地表辐射的强度是和温度的四次方成比例的。