快船vs黄蜂人类的达摩克利斯之剑—“热室地球”-科学有温度

 
人类的达摩克利斯之剑—“热室地球”-科学有温度
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古希腊的传说中,作为朝臣的达摩克利斯有一天终于可以体会一把做国王的感觉,在欢愉的晚宴中,他发现头顶王座上方悬挂一柄仅用一根马鬃系着的利剑,顿时惊出一身冷汗,对国王、美女和美食失去了兴趣。
如今,在进入“人类世”以后,人类享受着史无前例的对于地球的开发,飞速发展、繁荣昌盛,在地球历史一眨眼都不到的时间里,快速改变着地球的面貌,在这一过程中,一把达摩克利斯之剑被人类系在了自己的头顶,这把剑就是“热室地球”,如果按照目前的发展,人类将要不可避免的滑入“热室地球”的深渊。
在进入“人类世”的前几十到几百年里,人类始终生活在“热室地球”的达摩克利斯之剑的阴影之下。
注:此前发文中,将Hothouse Earth翻译为“温室地球”,然而经过与业内几位大牛老师的讨论,意识到这是一个全新的概念,用“热室地球”才能把握词汇的精髓,各位的理解呢?欢迎留言讨论。
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“人类世”的到来
在2000年一个国际会议上,大气化学家诺贝尔奖获得者Paul Crutzen(保罗·克鲁岑),受不了主讲人反复说地球现在处于全新世(Holocene)的看法,提出了“人类世”(Anthropocene)的概念。2002年,Nature杂志发表了他的文章《人类地理学》(Geology of mankind),在这篇文章里,他具体阐述了人类世的概念。
“The Anthropocene could be said to have started in the latter part of the eighteenth century, when analyses of air trapped in polar ice showed the beginning of growing global concentrations of carbon dioxide and methane. This date also happens to coincide with James Watt's design of the steam engine in 1784”
“人类世”的概念核心在于,人类活动的影响已经大大超过了自然变化的影响,尤其是自工业革命以来,人类在土地利用、建坝挖河、水资源利用等方面大大待变了地球的面貌和环境,最为重要的是,人类活动改变了大气成分,化石燃料巨量燃烧造成了大气中温室气体浓度飙升,改变了气候变化的方式,从此地球的历史演变进入了全新的阶段。

人类的各项活动,深刻地影响着地球的演变
在过去300年赵世永,地球面貌发生了翻天覆地的变化。全球人口增长了10倍以上,克鲁岑在2002年发表文章的时候,全球人口为60亿左右,而2018年初,全球人口已经飙升到了74.4亿以上。因为化石燃料燃烧引起大气中温室气体增加,2002年,大气中CO2浓度达到370ppm,这比工业革命前高30%,到2018年中期二十二条军规,大气中CO2浓度达到410ppm以上,这比工业革命前高45%以上,比过去80万年任何时候都高,甚至会是过去300~500万年以来的最高值。

2018年4月,大气中CO2浓度达到410ppm以上,这比工业革命前高45%以上,比过去80万年任何时候都高。数据来自于美国斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography葆婴有限公司,https://scripps.ucsd.edu/programs/keelingcurve/)

仅仅考虑自然因子(蓝色)和同时考虑人类活动(红色)的全球海表温度与陆面温度的异常变化,图片来自于政府间气候变化委员会第五次气候变化评估报告。
保罗·克鲁岑把人类世的起始地质年代精确定为1784年,即瓦特发明蒸汽机开始。而人类世的最后时限,应当是到人类自然消亡的那一天,这个时间目前未知,保守估计至少应该有数万年。按照克鲁岑的说法,除非发生全球巨灾,例如小行星撞击、世界大战、全球性瘟疫,从而彻底改变全球的演变历程,否则人类未来将始终是影响环境的最主要因子,这一影响也许会持续数千年,因此在“人类世”里,全球科学家和工程师们任务艰巨,需要为人类寻找一条可以保持环境继续稳定发展的新路,在人类世里,一切都是未知,在地球历史上没有过去的记录可以借鉴。
尽管围绕着“人类世”的概念还有很多学术争议,但是人类世的概念深刻地影响了全球各界看待世界的方式。我国“黄土学之父”著名地质学家刘东生院士指出:“人类世的提出是一个值得考虑的问题,因为它不仅是一个地质学分期的问题,同时还涉及到人在自然界的地位的问题,和人类认识自己的问题”(《中国三千年气象记录总集》序,2004年)。2011年5月,约20名诺贝尔奖得主向联合国提交了《斯德哥尔摩备忘录》,建议将人类现在所处的地质年代改为“人类世”。

人类活动给湖底的沉积物留下了与全新世截然不同的物质,包括塑料、煤灰、核试验和核泄漏的放射性元素、金属、杀虫剂、活性氮及温室气体增加导致的结果封神归真录,图片来自于Science杂志综述文章(Waters et al.,2016)
2016年《Science》发表了综述文章“The Anthropocene is functionally and stratigraphically distinct from the Holocene”,来自英国地质调查局的Colin Waters等提供了大量的数据,他们指出人类世应该被认作是一个新的地质时间单位,其开始的时间应该为20世纪中期,即1950年左右,当时核能时代开始、人口膨胀、工业急剧发展、矿产和能源加快使用。人类活动给地球留下了无处不在而且持久的印记,与之前的全新世(Holocene)截然可分。
2016年第35届国际地质大会在南非召开,会议正式通过人类纪(period)、人类世(epoch)和人类期(stage),随着地质年表的修订,被世界公认的“人类世”彻底到来。

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“人类世”的气候挑战
根据对两极冰芯的分析,自从进入第四纪(Quaternary)以来,随着地球轨道参数的变化,地球大概维持着10万年左右的周期,进行冰期-间冰期-下一个冰期-…的循环。自从1.2万年前进入的全新世(Holocene)以来,地球进入温暖的间冰期,高纬度冰雪消融,海平面上升,农业和生产工具的不断进步,促进了人类社会的繁荣发展。
在“人类世”里,人类成为地球系统演变里不可忽视的力量,甚至成为重要的改变因子。人类活动已经改造了至少50%的陆地表面,对生物多样性、土壤结构和气候都造成了重大影响。人类每年向大气排放1.6亿吨二氧化硫,这是所有自然排放量的两倍以上。人类化石燃料的燃烧产生的氮氧化物总量,远远超过自然过程的排放量。人类活动引发的风化率比自然风化率高出一个数量级。最重要人类活动引起大气中温室气体量飙升,目前大气中CO2浓度达到410ppm,这比过去80万年任何时候都高,目前的地球气温几乎和第四纪里间冰期的历史最高温度一样高。

2018年8月6日,澳?利亚国?大学、瑞典斯德哥尔摩大学、丹?哥本哈根大学和德国波茨坦气候影响研究所等研究机构的科学家在《美国国家科学院学报》发表文章,分析了“人类世”里地球气候系统的可能演变轨迹。他们指出,在全球变暖的过程中,地球系统存在不少的临界点,如果超过这些临界点东方雪人,会容易引起“多米诺”骨牌式的正反馈过程,突破一个个临界点,会使得地球气候系统脱离冰期-间冰期的循环,最终导致“热室地球”(Hothouse Earth)时代的到来。在“热室地球”的状况下,全球平均气温较工业革命前高4-5度,这将超过数百万年间冰期的最高温,甚至比中新世时期温度还高,海平面比今天高10-60米。

在人类世里,在不进行大规模减排及积极应对的状况下,全球温度的升高可能会导致地球气候系统摆脱第四纪冰期-间冰期的周期变化,持续的温度升高和海平面升高,使得地球进入“热室地球”(Hothouse Earth)状态,全球应该共同努力避免这一结局,控制全球升温在1.5-2℃之间,进入到“稳定地球”(Stabilized Earth),图片来自于Steffen et al. (2018)
研究人员提出了至少10个可能加剧全球变暖的地球系统变化,包括:
1)高纬度永冻土消融释放甲烷和二氧化碳
2)海底甲烷水合物中的甲烷逸出
3)陆地和海洋储存碳能力削弱
4)海洋微生物呼吸作用增强
5)亚马孙雨林退化
6)北半球中高纬针叶林退化
7)格陵兰岛冰盖消融
8)北极夏季海冰丧失
9)南极海冰减少
10)南极冰盖消退
按照触发以上过程的难易程度,可以分为三个档次:
1)1℃~3℃,在全球增温的这个范围内,容易引起夏季北极海冰消融、格陵兰岛冰盖消融、阿尔卑斯山冰川消亡、南极洲西部冰盖消融和珊瑚礁的白化。
2)3℃~5℃,当增温达到这个强度时,可能会导致亚马逊雨林像草原退化、北半球中高纬针叶林退化、季风区变化、全球海洋温盐环流变化。
3)>5℃,当增温超过5℃时候,很有可能引起北极冬季冰雪量减少、高纬度永冻土消融释放温室气体、南极洲东部冰盖消融等。
地球系统本身的演变包含着众多的正负反馈机制,人类每年通过燃烧化石燃料排放400亿吨二氧化碳,其中大约一半被海洋、树木和土壤吸收并储存。然而,我们正通过砍伐过多的树木、大量土壤退化、超量使用水资源,排放过量的二氧化碳,把自然系统的调节潜力推到极限,而一旦约过极限,自然过程的作用有些可能会发生逆转。

1970年以来,25%的亚马逊雨林已经消失,图片来自于http://www.japantimes.co.jp
大规模热带雨林的存在,本身能够调整湿度和降水分布,即使短暂脱离平衡,也可以通过自身的调整恢复过来,使得自身的生态系统保持平衡。然而如果持续升温,这种机制就会慢慢变弱,一旦全球升温3摄氏度,可能使40%的亚马孙雨林“顶梢枯死”,这一过程一旦开始河童哪里多,就无法恢复,热带雨林会逐渐退化成稀树草原,在这一过程中释放出大量的碳,进一步加剧温室效应海亮国际学校。
冰雪在地球气候系统中起到重要的作用,南北极海上浮冰的存在,反射了80%的太阳短波辐射,调控着进入地球系统的能量,然而如果增温导致浮冰融化消失,太阳辐射会直接进入海洋,使得海水温度升高,进一步引起更高的全球温度升温,更高的升温反过来引起更严重的冰雪消融,通过冰雪-辐射的正反馈机制,加剧全球增温。据估计,到本世纪中叶,北冰洋夏季将出现没有浮冰的状况,届时冰雪-辐射的正反馈机制会推高全球温度的走势。
在俄罗斯、加拿大、欧洲北部等地区永久冻土层内封存大量甲烷和二氧化碳,甲烷所产生的温室效应能力大约是二氧化碳的25倍,一旦地球温度升高,导致寒冷地区的冻土融化,就会导致甲烷释放,而随着全球增温的加剧,高纬度的野火发生频次也进一步增加,在极端情况下,也有可能导致大面积过火,从而引起冻土融化,释放甲烷,加强火势并进入大气层,引起更强的温室效应。
森林和植物一直被看做是碳汇,随着大气CO2浓度的升高,会使得植物生长更为茂盛,进而吸收更多的二氧化碳,然而这个关系并不稳固,随着温度的增加,过高的植物叶面温度会导致光合作用效率降低,并且随着温度增加,土壤中微生物的呼吸作用会增强,这会把更多的土壤碳释放进大气。对于植物更大的风险在于,随着温度增加、副热带地区降水减少及干旱区的扩展,北半球中纬度森林的南部区域容易受干旱的影响,从而导致植被的退化,从针叶林转变为干旱的草原,这些都会降低森林和植物作为碳汇的作用,甚至作用会反过来,成为碳排放的来源之一。
这些正反馈机制的临界点可能并不相同,有高有低,然而当一个临界点被触发之后,可能会像多米诺骨牌一样吴玫萱,一旦一张牌被推翻,就会推动地球系统倒向另外一张牌,而要阻止整排多米诺骨牌的倒下将会异常困难,甚至是不可能的任务(Mission Impossible),当最终地球气候系统滑向“热室地球”时,地球上许多地方的宜居性将大打折扣。洪涝地区的暴风雨强度和频次将大大增强,而全球范围内的干旱和酷暑的也会更加剧烈,如果西南极洲和格陵兰的冰盖将会融化,大量淡水注入海洋,会导致全球海平面上升13米;而一旦东南极洲的冰盖融化,海平面还会再上升12米,这种结果是毁灭性的,因为全球三分之二的特大城市处于海拔低于10米的区域,全球80%的人口生活在距离海岸线100公里之内。
一个可怕的前景。

海平面上升将引会使得全球三分之二的特大城市处于危险之中,图片来自于电影《后天》(The day after tomorrow)
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如何应对?
如果全球温室气体排放继续“一切照旧”(business as usual),那随着全球温度的持续升高,气候系统的关键临界点必然会被一一触发,从而最终导致“热室地球”的悲惨命运。因此,应对之策首先就是要改变“一切照旧”的发展方式和生活方式,采取更加积极的应对策略。
地球温度已经比工业革命前高1.1摄氏度,并且依然保持加速升温的势头,这已经使得气候系统再难以回复第四纪冰期-间冰期的周期循环,另外一方面我们要努力避免“热室地球”这个平衡状态,而让气候平衡到“稳定地球”(Stabilized Earth)可能是唯一的选择,虽然这个状态也许不是气候系统内在的平衡态,但是在“人类世”人类活动的参与下,有可能会实现这样一个稳定状态,在这个稳定状态里,温度和海平面温度几乎是冰期间-冰期循环里最高的数值,但是却避免了触发各种气候临界点,从而保持气候的稳定性。
以《美国国家科学院学报》这篇文章来看,全球气候系统陷入气候临界点的逐级崩塌,大概在升温到约2摄氏度,在此之前气候的演变经过分叉点,一条路通往“热室地球”的深渊,一条路可以走向“稳定地球”,这取决于人类如何应对,应对措施有效是在分叉点之前,一旦气候越过分叉点,应对的难度就非常大,甚至是无能为力的。要尽可能提高避免进入这种“温室”状态的可能性,人类对待地球的态度必须有根本改变——从“过渡开采”模式转为“有效管理”模式。

全球温度增加是的“人类世”的气候系统摆脱了第四纪的冰期-间冰期循环,然而如果应对不及时出云阿国,气候系统可能会滑向“热室地球”的深渊,“热室地球”和“稳定地球”之间的分叉点大概在地球增温2℃左右。
人类当然不会坐以待毙,应对的策略在过去30年里被反复讨论,基本为以下几个思路:
1)大幅度减少全球温室气体排放。
2)增强或者创造碳汇,这可以通过保护并增强全球生物圈,或者发展碳回收技术来实现。快船vs黄蜂
3)在有必要的时候,通过气候工程减少气候系统的太阳辐射量。
在上面三种思路里,第一思路是最优先的选择,即大幅度减少温室气体的排放,同时兼顾第二种思路,保护热带雨林、保护森林和海洋生物多样性,第三种思路的气候工程大都得失参半,副作用明显。例如,往平流层播撒硫酸盐气溶胶,理论上可以降低到达地表的太阳辐射可米酷漫画,但是很有可能引起全球水循环的改变、造成海洋和生物圈的损失与蜕化,并且很有可能引起臭氧损耗,使得到达地表面紫外辐射增强,这也是严重的气候灾害,而且还无法抵消温室气体升高造成的海洋酸化,另外全球范围内的气候工程,一般都规模巨大,经济和环境上并不可行。
大幅度减排并不是一件容易的事情,需要在全球范围内构建共同的价值观、原则和框架,甚至需要教育体系,从本质上讲,人类社会构建有效的地球系统管理是实现“稳定地球”的基础。
当然这将会一个非常复杂与综合的变革,除了全球治理层面上制度和社会创新以外,还需要全球范围内人口、消费、教育、行为等的变革,郝璐璐这需要数十年才会取得效果。例如,过去几十年里,随着妇女地位的改善、教育机会增加以及收入水平提高,生育率开始下降,这会减缓人口增长的压力。另外全球低碳化发展,需要技术进步的加速发展,太阳能和可再生能源的在一次能源消费中的比例增加,也使得未来低碳发展的能力增强,然而这距离大幅度减少碳排放还有很大的距离。
目前全球的经济发展是建立在高碳排放量和开发性资源利用的基础上的,为了远离气候系统的众多临界点,低碳发展和循环经济成为必由之路。减少碳排放的第一目标应该是到2050年完全停止碳排放,并在此基础上做的更多。不仅要减少温室气体排放,还要创造新的碳储存方式,比如,通过改善和种植森林、改良农业和土壤管理方式、保护生物多样性和开发新技术来消除空气中的二氧化碳;并研发将二氧化碳从大气中去除并储存在地下的技术。但是当各个国家都打着自己的“小算盘”的时候,这就成了几乎不可能完成的任务(Mission Impossible)。
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不确定性
目前预估未来气候变化主要利用气候数值模式,在假定的未来温室气体排放情景下,讨论气候系统的未来状态。这就包含了预估未来的三大主要的不确定性来源:1)未来温室气体排放情景的不确定性,2)数值模式的不确定性,3)气候系统本身内部变率的不确定性。此前关注点主要在前两个不确定性上,一方面设计更合理的未来温室气体排放情景,另一方面努力提高数值模式的模拟性能,然而关于临界点的研究揭示了地球气候系统本身的不确定性。

全球温度增幅与CO2累积排放总量之间保持准线性关系,大概每累积排放500GtC的二氧化碳旺家小农女,全球温度增加1℃。图中各曲线为各RCP情景,图片来自于第五次IPCC报告
经过30多年的发展,气候科学的研究基本上建立起了合理与可靠的预估未来的方法和数值模式,在全球未来温度升高幅度与累积的碳排放之间建立起准线性的关系,21世纪末期及以后的平均地表变暖主要取决于累积CO2的排放量。考虑到气候系统临界点的问题,当温室气体增加,温度增加引起临界点的突破及相应多个临界点的连锁反应,将给以上的线性关系带来极大的不确定性,而这种不确定更有可能体现为:温室气体增加带来更剧烈的气候变化。
如果随着温度增加,发生以下情况,例如,生物圈的退化,引起生物圈碳汇能力的降低,甚至成为碳排放源,或者温度变化引起海洋微生物呼吸作用的增强,从而减少海洋碳汇的能力,或者发生冰雪减少-反照率降低的冰雪-辐射的正反馈作用,那必然会引起非线性的反馈过程,甚至会变成主宰气候系统走向的主要因子,这就会给未来的预估带来极大的不确定性。
在这种不确定与非线性存在的情况下,为了避免临界点的突破以及规避不确定性的风险,全球升温幅度控制在2度甚至更低就成了必然的选择,这要求人类在面临全球变暖挑战时,采取更有作为的应对思路。
结语
“人类世”概念的确定,标志着地球气候系统的演变再也不是纯“自然”的过程,人类活动参与气候系统的演变并起到重要作用,这样的系统包含众多的临界点懒尊邪少,一旦越过临界点,有可能引发多米诺骨牌式的反应,使得地球系统不可避免地滑入“热室地球”的深渊,届时全球温度比工业革命前高4-5度,海平面比今天高10-60米。进入“人类世”,人类的第一生存要义,就是摆脱“热室地球”的命运。
推荐延伸阅读
Crutzen P J. 2002. Geology of mankind [J]. Nature, 415, 23.
Steffen W, Rockstrom J, Richardson K, et al. 2018. Trajectories of the Earth System in the Anthropocene [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 115, 8252-8259, doi: 10.1073/pnas.1810141115.
Waters C N, Zalasiewicz J, Summerhayes C, et al. 2016. The Anthropocene is functionally and stratigraphically distinct from the Holocene [J]. Science, 351.