什么是温室效应(碳中和笔记丨温室效应)

什么是温室效应
碳中和突然就成了一个滚烫的热词。那究竟什么是碳中和呢？
简单来说，碳中和是指，在一定时期内，某个主体的活动总体上不引起大气中二氧化碳浓度增加的状态。如果在一个地方引起了增加，得在另一个地方把增加的那些拿出去，这就是中和的含义。
碳中和的目的是为了避免引起气候变化。无论我们是否意识到，不管我们是否准备好，碳中和都将深刻地影响我们工作和生活的方方面面。
温室效应（Greenhouse Effect）是碳中和战略的理论基础。因此，要理解碳中和战略的来龙去脉，先得从温室效应说起。
那么，人类是如何发现温室效应，并一步步加深对它的认识的呢？
【1】什么是温室效应
所谓温室效应，是指被大气覆盖的地球表面，能较多地接收透过大气层的太阳短波辐射，但受热后的地表放出的大量长波辐射却被大气吸收，从而引起地表与低层大气温度升高的现象。
温室效应示意图（图片来自网络）
这一现象类似于被透明薄膜覆盖、用于栽培农作物的温室，因而被形象地称为温室效应。
【2】温室增暖现象的发现
人类对温室效应的最早认识源自玻璃的应用。
18世纪以来，欧洲的玻璃应用不断增加，人们逐渐认识到，阳光透过玻璃后，房间里的温度会更高。
1767年，瑞士博物学家索修尔（Horace Bénédict de Saussure）制作了一个五面隔热保温、一面覆盖玻璃的黑色木盒。他让阳光透过玻璃照射到木盒中，并通过事先放在木盒内的温度计测量其温度。
索修尔（1740-1799 | 图片来自网络）
这个实验是人类第一次定量测量温室增温效果。索修尔在他的热盒里，测到的最高温度达到了惊人的110°C，尽管当时的他还无法清楚地解释阳光透过玻璃加热盒子的原理。
顺便说一句，这个索修尔的主业是地质考察，写过《阿尔卑斯之旅》（Voyages dans les Alpes）一书，还被誉为现代登山运动创始人。
【3】大气温室效应的发现
第一个把温室增暖现象与大气变暖联系起来的人，是大名鼎鼎的法国物理学家和数学家傅里叶（Jean-Baptiste Joseph Fourier）。
傅里叶（1768-1830 | 图片来自网络）
1824年，傅里叶研究了地表温度的昼夜变化和季节变化。作为一个研究热传递的物理学家，傅里叶通过理论计算后发现，如果只考虑入射太阳辐射的加热效应，那么地表温度应该更冷才对。
傅里叶据此指出，地球的大气层具有保温作用，和温室玻璃一样，会产生相似的增温效果。
这是人类历史上第一次直接描述大气温室效应。当然，傅里叶当时并未使用温室效应这一表述。他可能把更多注意力放在捣鼓傅里叶变换和傅里叶级数上了吧。
1839年，英国著名科学家丁达尔（John Tyndall）测量了水汽和二氧化碳对红外辐射的吸收，揭示了大气中某些微量的气体对地球温度变化的特殊作用。
丁达尔（1820-1893|图片来自网络）
这些大气中会吸收和释放红外辐射的微量气体被称为温室气体。除了水汽和二氧化碳外，甲烷、氧化亚氮、臭氧、氢氟碳化合物、全氟碳化合物、六氟化硫等也是温室气体。
还记得一束光穿过胶体时在垂直方向看到一条光线的现象叫什么效应吗？丁达尔效应。没错，就是这哥们。
【4】温室效应的定量认识
1896年，瑞典科学家阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）发表了一篇重要论文，题为《论空气中碳酸对地面温度的影响》。这个碳酸在当时指的就是二氧化碳。
阿伦尼乌斯（1859-1927|图片来自网络）
而如果你还记得描述化学反应速率常数随温度变化关系的阿伦尼乌斯方程，你也不会对这位大神陌生。
阿伦尼乌斯的论文第一次对温室气体的增暖效应进行了定量计算和预测。计算结果认为，大气中二氧化碳浓度每增加50%，则全球温度增加3°C以上。
尽管存在一定程度的高估，阿伦尼乌斯在125年前的这项计算，仍然表现出了惊人的准确性。
阿伦尼乌斯这项研究的初衷，是想用大气中二化浓度的变化来解释历史上冰期和间冰期的产生机制。当然，现代理论认为，冰期和间冰期的产生主要是地球轨道参数的变化引起的。
根据当时人类活动向大气排放二氧化碳的速度，阿伦尼乌斯计算后认为，大气中二氧化碳浓度增加50%需要大约3000年的时间。
令阿伦尼乌斯始料未及的是，人类活动向大气中排放二氧化碳的速度后来急剧增加。目前，科学家认为全球温升的实际速度约为每十年0.2°C，是他当时预测的20倍。
1901 年，瑞典气象学家埃克霍尔姆（Nils Gustaf Ekholm）在英国皇家气象学会季刊上，发表了一篇著名的文章《地质历史时期的气候变化及其成因》。在这篇文章中，他首次使用了“温室效应”一词。
1938年，英国工程师、业余气象学家卡伦德尔（Guy Stewart Callendar）在英国皇家气象学会季刊上，也发表了一篇重要文章《人为产生的二氧化碳及其对温度的影响》。
卡伦德尔（1898–1964|图片来自网络）
卡伦德尔通过收集和分析数据后认为，在之前的半个世纪中，人类向大气中排放了1500亿吨二氧化碳，并引起全球气温以每年0.005°C的速度上升。
1967年，美国大气海洋管理局的日裔科学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）首次使用其所开发的全球大气辐射对流模型，模拟后认为大气中二氧化碳浓度增加一倍后会引起全球升温2.3°C。
1979年，麻省理工学院著名的气象学家查尼（Jule Charney）建立了一个特别工作组，对二氧化碳与气候变化的关系进行评估，并发表了著名的查尼报告。
查尼（1917-1981 |图片来自网络）
查尼报告认为，大气二氧化碳的浓度每增加一倍会引起3°C的温升，不确定性范围为上下各1.5°C，对应的升温范围在1.5-4.5℃。
现在，人们一般将大气中二氧化碳浓度增加一倍所引起的全球平均地表温度的年平均值的平衡变化称为平衡气候敏感度（equilibrium climate sensitivity）。
1990年，政府间气候变化专门委员会（IPCC）首次发布评估报告，认为平衡气候敏感度为3°C，不确定性范围为上下1.5°C，与查尼报告一致。
2014年，IPCC发布的第五次气候变化评估报告维持了这一结论。
【5】小结
自索修尔观测到光照热盒的增温现象以来，人类对温室现象的认识历史已经超过250年。
自傅里叶发现大气对地球的增温现象后，人类对温室效应的认识历史也已经接近200年。
众多著名科学家，也许只是在不经意间的研究工作，有力地推动了人类对温室效应认识的不断深化。
温室效应是引起全球变暖的主要机制，也是人类制定应对气候变化策略最重要的理论基础。
控制温室气体排放，积极应对气候变化，已经成为全人类的主流共识。