地球正在变暖吗？是的。这是大气中增加的温室气体导致的吗？是的。全球变暖是气候系统自然变化的结果吗？不是。是人类排放的温室气体导致温度升高吗？是的。
这是2021年诺贝尔物理学奖官方介绍中的一段话。正是真锅淑郎（Syukuro Manabe）和克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）的科学贡献，让我们能够肯定地回答这些问题。
撰文 "王昱
审校 | 胡永云（北京大学教授、中国气象学会副理事长）
在介绍全球变暖之前，我们需要知道地球温度是由什么决定的。
表面温度约6000开尔文的太阳在一亿五千万千米外照耀着地球，太阳照射到地球的能量主要集中在可见光波段，而地球在吸收太阳辐射之后，在红外波段向外辐射能量。地球接收、释放能量的平衡确定了地球的温度范围：300开尔文左右，能让水以液态存在，能让生命逐步演化，直到人类诞生。但这只是界定了温度的大致范围，我们需要建立地球气候模型获得更高的精度。
地球温度
氮气和氧气是地球大气的主要成分，但由于其分子结构是对称的，在可见光和红外波段它们都是透明的。这一特性让地球大气的主要成分对地球温度影响不大。还有一类气体被称为“温室气体”，它们在可见光波段是透明的，在红外波段则不透明。太阳照到地球上的可见光能被地球吸收，温室气体又能吸收地球发出的红外辐射。温室气体会同时向太空和地表发射红外辐射，这部分发射回地表的红外辐射能量会让地球升温，这就是地球大气的温室效应。
大约200年前，法国物理学家约瑟夫·傅立叶（Joseph Fourier）就研究了这种现象，当时“温室效应”（greenhouse effect）这个词还没有出现，他用“暗热”（dark heat）来描述被温室气体吸收的红外辐射。
水汽、甲烷、二氧化碳等都是温室气体，它们对地球气候来说是不可或缺的。大气水汽含量本身受气温影响，甲烷在大气中含量较少，人类主要通过二氧化碳浓度影响温室效应。1896年，瑞典科学家斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）研究了二氧化碳对气温的影响，他的同事气象学家尼尔斯·古斯塔夫·埃克霍尔姆（Nils Ekholm）则在1901年首次用“温室”一词来描述这种现象。他发现温室效应对地球是不可或缺的，如果没有温室气体，地表气温几乎不会超过-18℃。
阿伦尼乌斯估计，如果二氧化碳浓度增加1倍，地表气温会升高5~6℃，这个结果比现在的估计高一些。但囿于时代的限制，他认为地表温度升高能让粮食增产，能让更多地方变得宜居，对人类是有益处的。面对越来越常见的极端天气，我们很容易就能知道，他还是太乐观了。
气候模型
2021 年诺贝尔物理学奖被授予“对我们理解复杂系统的开创性贡献”，一半授予真锅淑郎（Syukuro Manabe）和克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann），表彰他们“对地球气候的物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖”的贡献。
2021 年诺贝尔物理学奖得主：真锅淑郎（Syukuro Manabe），克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann），乔治·帕里西（Giorgio Parisi）。图片来源：nobelprize.org
真锅淑郎在20世纪60年代进一步完善了气候模型。为了研究方便，他从整个大气中切出来一根垂直的气柱，从地表一直延伸到40千米高。当地表温度升高时，水汽的浓度会增加，同时气体受热膨胀上升，产生对流运动。当热空气到达大气高层，气团本身携带的热量和水汽凝结放的热，共同加热了大气高层，这一对流效应将热量源源不断地从地表带到大气高层。真锅用这种方法估计，当二氧化碳浓度增加一倍时，全球气温上升约2.5 ℃。
真锅因此证实，气温的变化是由于二氧化碳含量增加；如果它是由太阳辐射增加引起的，那么大气层应整体变暖。图片来源：Manabe and Wetherald （1967） Thermal equilibrium of the atmosphere with a given distribution of relative humidity， Journal of the atmospheric sciences， Vol。 24， Nr 3， May
与气候的缓慢变化相比，混沌（chaos）则让短期的天气扑朔迷离。“一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀，可以导致一个月后得克萨斯州的一场龙卷风。”同样是在20世纪60年代，美国气象学家爱德华·洛伦兹（Edward Lorenz）就发现了天气系统的混沌现象，洛伦兹的理论被广泛应用到了各个科学领域。
而1980年前后，德国科学家克劳斯·哈塞尔曼找到了一种办法，将无序变化的天气现象描述为快速变化的噪声信号，从而为长期气候预测奠定了坚实的基础。在那之后，他又发现不同的现象都能在这些噪声信号中留下不同的痕迹。太阳辐射的变化、火山灰、温室气体的浓度变化都能造成温度变化，这些特定的痕迹被称为相应因素的“指纹”。
识别气候变化中的指纹：克劳斯·哈塞尔曼提出了区分大气升温的自然原因和人为原因（指纹）的方法。图为与 1901~1950年间平均温度（单位：°C）相比，黑色线表示观测的地表气温变化（单位：°C），蓝色线是气候模式模拟的仅受自然因素影响的变化（单位：°C），红色线是气候模式模拟的既包含自然因素、也包含人为因素共同影响下的气温变化（单位：°C）。图片来源：Hegerl and Zweirs （2011） Use of models in detection & attribution of climate change， WIREs Climate Change。
自1958年有观测记录以来，大气中的二氧化碳含量增加了40%，过去数十万年间，地球的大气层从未有过如此多的二氧化碳。相应地，温度测量表明在过去的 150年中，全球温度升高了 1°C。真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼的成果给出了相当明确的结论：
-地球正在变暖吗？
-是的。
-这是大气中增加的温室气体导致的吗？
-是的。
-全球变暖能够用自然变化解释吗？
-不能。
-是人类的排放导致温度升高吗？
-是的。
无法逃避的人类
诚然，在地球漫长的历史中，气温变化范围远超出了几摄氏度。我们可以通过不同地层中的同位素丰度分布推测数亿年前的地表温度，地球曾在“冰室”和“温室”之间反复转换。但这并不是忽略全球变暖的理由，因为地表气温在几亿年的时间尺度上升高几摄氏度与近百年来升高一度是完全不同的故事。
全球变暖已经给我们带来了相当程度的危害，如高温、干旱、暴雨、洪涝、严寒等极端灾害性天气，虽然我们很难将特定天气事件和气候变化联系起来，但气候变化确实让这些极端天气更加常见。如果全球变暖加剧，极端天气、气候将更加频繁，人类终究无法承受自然的怒火。
今年8月，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次气候变化评估报告中的第一工作组报告发布。报告显示，与工业化前的气温记录相比，目前全球平均升温估计为1.1℃。在未来20年内，全球升温或会超过1.5℃。该报告预估了五种不同的碳排放情况，在最糟糕的情况下，到本世纪中叶，变暖很可能达到2.4℃，并继续升温，到2100年可能升温高达5.7℃。该报告指出，除非迅速和大规模地减少温室气体排放，否则将升温幅度限制在1.5°C左右或2°C以内的《巴黎协定》是无法实现的。
报告指出，全球升温1.5℃时，高温热浪将增加，暖季将延长，而冷季将缩短；全球升温2℃时，极端高温将更频繁地达到农业生产和人体健康的耐受阈值。人类生活的陆地升温幅度大于全球平均水平，而北极地区升温幅度则是全球平均升温的两倍以上。在未来几十年里，所有地区的气候变化都将加剧。欧洲和亚洲发生洪水的频率会增加，美国西部和非洲出现干旱的频率会增加。在未来几十年或几个世纪，冰川、冰盖和多年冻土的融化都将不可逆转。全球海洋的变暖、酸化和缺氧现象将会持续数百年至数千年。
全球变暖之下，没人能独善其身。今年，我国定下了2030年碳达峰，2060年碳中和的宏伟目标，这是我们对构建人类命运共同体的庄严承诺。这并不是一个能轻易实现的目标，向绿色低碳的发展模式转型可能伴随着经济、金融、社会风险，但为了我们的永续发展，不论是植树造林，还是提高能源利用效率，又或者从根本上转向更环保的清洁能源，我们必须控制二氧化碳的排放。
特别感谢胡永云教授对撰写本文的帮助
参考链接：
https：//www.nobelprize.org/uploads/2021/10/popular-physicsprize2021.pdf
https：//en.wikipedia.org/wiki/History_of_climate_change_science#First_calculations_of_greenhouse_effect，_1896
https：//www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/#InteractiveAtlas
http://www.gov.cn/zhengce/2021-10/24/content_5644613.htm
本文转自环球科学
