气候科学
2398字
2020-09-07 21:14
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火星译客

但研究人员正在尽其所能

世界上的气候科学家肩负着一项艰巨的任务:创造一个水晶球,用它来掠过一个有望比今天更热的未来。但温度到底升高多少取决于无数因素,既有自然因素,也有人类因素。因此,创造水晶球是一个分两个阶段的过程。首先,你必须建立一个地球气候如何运作的模拟模型。然后,你试着用看似合理的未来人类行为来扰乱这个拟像,看看会出现什么画面。

现代魔术是这样的,水晶球实际上是运行1百万或更多行代码的程序的超级计算机。这些计划是将地球的大气、海洋和陆地表面划分成数以百万计的细胞网格的模型。陆地单元是平坦的。大气和海洋单元是三维的,它们堆叠成列,以考虑海拔和深度的影响。模型计算了每个细胞内部发生的物理和化学变化,以及这将如何影响该细胞的邻居,无论是横向的,如果合适的话,也会影响到上面和下面的。然后它会再做一次。再来一次。再来一次。

这是一个复杂的过程。模型的代码必须代表从热力学定律到空气分子如何相互作用的错综复杂的一切。运行它意味着每秒执行数万亿次数学运算-因此需要超级计算机。使用它进行预测意味着要做数千次这样的操作,每次运行的输入略有不同,以了解哪些结果是可能的,哪些不太可能但可能,哪些在极端情况下是不可信的。

即便如此,这样的模式还是粗制滥造的。数百万个网格单元听起来可能很多,但这意味着从上面看,单个单元的面积约为1万平方公里,而一个空气或海洋单元的体积可能高达10万千米。把这些巨大的面积和体积当作点来对待,会遗漏很多细节。例如,云给建模师带来了特殊的挑战。根据它们的形成方式和地点,它们可以使气候变暖或变冷。但是,即使是最小的网格单元,云层也要小得多,所以无法捕捉到它的单独效应。地形特征或岛屿等因素造成的地区性影响也是如此。

由于缺乏对碳-二氧化碳和甲烷分子中的中心原子-除了水蒸气之外的主要温室气体-在环境中移动的方式的了解,建立模型也很困难。了解地球的碳循环对于了解气候变化至关重要。但是,这种元素的大部分运动都是由活的有机体推动的,这些比物理过程更难理解。

植物在光合作用过程中从空气中吸收碳,然后在呼吸作用中将其返还。吃这些植物的动物也会呼吸。细菌和真菌类似地分解死亡的动植物,掠夺它们的物质和能量,在这样做的同时向大气中释放二氧化碳和甲烷。然而,一些有机物被掩埋而不是分解,因此被排除在气候考虑之外。但是,随着时间的推移,这种埋藏的物质会在热量和压力的作用下转化为石油、天然气和煤炭--在一种特定的生物制剂--智人的背景下,这些物质与气候有关。这个物种利用它们来驱动它的文明,仅仅用了几十年的时间,空气中就充满了耗时数亿年才在地下积累的碳。

有机质也可能被困在冰中:在永久冻土区的陆地上,以及在海底被称为笼状结构的分子结构中。最重要的是,海洋本身含有大量溶解的二氧化碳,许多海洋生物利用这些储备用碳酸钙建造贝壳和甲壳。并不是所有这些材料都被回收利用。一些最终落到了海床上,最终变成了石灰岩。

温度的变化也是一个考虑因素。气温和大气中二氧化碳浓度之间的关系是双向的。温水比冷水含有更少的气体。因此,在过去的冰河时期,海洋在冷却时将二氧化碳从大气中吸走,放大了冷却过程。今天变暖的海洋总体上仍然充当二氧化碳的汇。然而,他们变得越暖和,这种情况就越不真实。

建模中的另一个问题是,关于反馈回路的不确定性,比如海洋温度和二氧化碳吸收之间的反馈回路,也是一个名为气候敏感度的参数的不确定性的基础,而气候敏感度对模型的预测至关重要。这是一种衡量气候对大气中二氧化碳浓度变化的反应程度的指标。基础物理学表明,与工业化前相比,二氧化碳水平翻了一番,空气应该变暖约1摄氏度。(到目前为止,二氧化碳水平已经上升了约50%。)加上反馈环路,估计的升温幅度在1.5°C到4.5°C之间。此外,有人建议,气候敏感性本身可能会受到反馈环路的影响,导致气候在变暖时对二氧化碳变得更加敏感,从而进一步推动变暖。

要根据现实来检验这样的预测,并相应地调整模型,需要更好的数据,因为直到最近,全球大多数地区都缺乏像样的观测。例如,北极冰层覆盖区域的卫星记录只能追溯到1979年,直到2002年,研究人员才得以借助一些新卫星估计冰层厚度如何随时间和地点的变化而变化。应用于覆盖陆地的冰原和北冰洋的浮冰,这表明格陵兰每年正在失去200多立方公里的冰(尽管只占总体积的0.007%)-是之前估计的三倍。

全球其他地区也遭受着类似的缺乏观测的痛苦。例如,据估计,海洋吸收了超过90%的人为温室气体排放所产生的热量。但是,使用自主浮标网络,对支撑这一过程的海洋过程进行认真的数据收集,直到21世纪初才开始。南大洋的大片海域在储存热量和二氧化碳方面发挥着重要作用,但仍然没有得到监测,北冰洋的一些地区从来没有人涉足过,也没有人用机器安装传感器。

即使是来自世界上有人居住的地区的数据也可能是稀疏的,这会带来不幸的后果。西非的季风在20世纪70年代和80年代的失败导致了干旱和饥荒,但模型模拟得很差,导致对随着世界继续变暖它将如何变化的模糊预测。模型曾预测降雨量会增加的东非部分地区反而经历了降雨量的减少。热浪很少记录在那块大陆上,尽管预计会发生在那里。

另一个不确定性的来源是科学家所说的非线性效应。这些巨大而快速的转变是对微小变化的回应,可能是不可逆转的,至少在短期内是不可逆的。许多都涉及到冰变成液态水。格陵兰岛和南极洲部分地区的冰盖崩塌可能只需要几十年的变暖,但需要数千年的冷却才能逆转。永久冻土的融化可能会更糟:不仅不可逆转,而且会释放出大量的二氧化碳和甲烷来进一步提高气温。

洋流看起来也容易受到非线性效应的影响。这些洋流是由一种叫做温盐环流的现象推动的,顾名思义,这种环流取决于海水的盐度和温度,因此取决于海水的密度。冷水或咸水下沉,而温水或淡水上升,大量下沉或上升的水提供了推动世界各地水流的引擎。有迹象表明,驱动水在世界海洋深处循环的北大西洋传送带正在放缓-可能是由于格陵兰岛的冰融化使水变淡。由于洋流都是连通的,这种局部放缓也可能对远离西北欧(长期以来一直以变暖著称的地区)产生影响,比如给热带带来降雨的热带辐合区。

尽管存在所有这些不确定性,但气候模型在预测到目前为止发生的事情方面做得相当不错。但他们还必须应对最大的不确定性:人类对他们面临的威胁做出反应的速度和方式有多快(见图表)。

人类最重要的不确定性是,人们将以多快的速度和多彻底的速度停止使用化石燃料,从而停止将碳从地壳转移到空气中。这一转变将由经济、政治和技术变革的混合因素推动。一些国家(如英国)已经或多或少放弃了使用煤炭发电,煤炭是碳密集度最高的燃料。天然气的碳密集度较低,通常也更便宜,这一点是有帮助的。但在越来越多的地方,风能和太阳能的零碳发电也与煤炭竞争。再加上电动汽车,乐观主义者可能会说,“问题解决了”。

嗯,不完全是。尽管有利可图的技术变革可以很快发生(在美国,从马车到发动机驱动的汽车的转变发生在1903年至1913年之间的十年内),但在政府间气候变化专门委员会(IPCC)为消除人为温室气体排放而提出的2050年最后期限之前转换世界所有的电力生产(这将意味着放弃大量的装机容量)是有一定意义的。还需要其他手段。

2015年在巴黎举行的联合国气候变化会议上达成的目标是避免1.5摄氏度的变暖,而实现这一目标的大多数路线都涉及一定数量的“负排放”,即二氧化碳从大气中清除。这可以是像植树造林一样的低技术,也可以像使用化学工程来净化空气中不受欢迎的物质一样的高科技。也有一些想法是从源头上捕获水泥制造等过程释放的二氧化碳,其中气体是不可避免的化学副产品,然后以某种方式将其掩埋在地下-这一计划被称为碳捕获和储存。

负排放和碳捕获和封存原则上都可以奏效。但是,与其他发电方式不同,这些发电方式一旦掌握,就会有利可图,它们在没有补贴的情况下几乎没有盈利的希望。考虑到这种威胁,要求这样的补贴是完全合理的。纳税人被要求为对抗人类敌人的战争买单,因此可能会被期望为对抗一个看不见的敌人买单。但是,预测这样一场战争的现金将以多快的速度和多少数量到达,是一种徒劳无益的游戏。

其他人为因素造成的不确定性可能更大。例如,一些人谈论太阳地球工程-拦截来自太阳的部分传入能量,并在太阳有机会使大气变暖之前将其返回太空。有几种方法可以做到这一点,从在平流层部署微粒的细雾到在太空中建造镜子。可以想象,这样的方法可能会在几年内停止变暖,甚至会让事情降温。如果排放不能很快大幅减少,这对一些人来说可能看起来很有吸引力。

至于推动这一进程所需的政治意愿,以及为计划中那些不会为自己买单的部分安排付款,这可能是双向的。美国在气候政策和监管方面的做法,从乔治·W·布什(George W.Bush)的阻挠,到巴拉克·奥巴马(Barack Obama)与中国合作并引入国内政策和法规的努力,再到现在唐纳德·特朗普(Donald Trump)放弃这些立场,已经摇摆不定。然而,一些国家似乎已经达成了更多的内部共识。例如,今年早些时候,英国通过了一个它所说的具有法律约束力的目标,到2050年达到“净零”排放(尽管“具有法律约束力”实际上意味着什么并不完全清楚)。英国目前对温室气体排放的贡献率约为1%,因此,这本身不会有什么不同。但这可能会鼓励其他人。

法国是一个经济规模与英国相当的国家,它的目标也是在本世纪中叶实现净零,它也表示这一目标具有法律约束力。丹麦也加入了进来。德国和智利正在考虑这样做。加利福尼亚州和瑞典承诺到2045年达到净零,从而超过其他国家。这一切有多重要,很难猜测,也几乎不可能建模。然而,一些博弈论者正试图这样做。他们的游戏表明,在国际气候谈判中,一小部分国家可以创造一套“小费”,有能力(或许通过金融制裁)诱使其他国家的政府加入他们的行列,走上净零的道路。

最终,应对气候变化将需要所有这些方面-政治、经济、技术和社会-齐心协力。但如果他们这样做了,解决方案可能仍然是可能的。今年早些时候,英国气候变化委员会公布了他们自己的水晶球观测结果,这是一份关于净零英国可能是什么样子的报告。这个天堂的家庭将通过脱碳电力供暖。船只将由氨提供动力。人们会多吃蔬菜,少吃肉。该国的部分地区将再次被森林覆盖。将会有一个新的计划来捕获和储存二氧化碳。

作为一个目标,这一切听起来都很有吸引力--也许让人想起威廉·布莱克(William Blake)的愿景,即一个新耶路撒冷将从一片黑暗的撒旦磨坊中接管。但最终是否会建造这样的应许之地仍然是最大的不确定性。

本文发表在印刷版科技版面,标题为《掷骰子》(2019年9月21日)

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