21世纪人类面临的气候危机

作者：倪光炯

科学 2007年09期

　　一个巨大的阴影正在向人类逼近。从2005年起，气象学家开始忧心忡忡地谈论，是不是气候变化快到了一个倾覆点(tipping point)？理由如下。

　　(1)西伯利亚地区的永久冻土带正在融化，将释放出下面冻结着的大量甲烷，它是比二氧化碳厉害20倍的温室气体，将使全球变暖(global warming)进一步加速。

　　(2)北冰洋冰盖面积2005年已缩小到500万平方公里，比1978年剧减了20％。

　　(3)大西洋传送带朝北流的暖水在过去十年中减少了30％。

　　大西洋传送带会关闭吗

　　全球最重要的洋流之一，大西洋传送带(又称墨西哥湾流)顺时针环绕大西洋流动，把亚热带洋面暖水送往北极地区，使欧洲和北美洲变暖，洋流在格陵兰海域冷却后，因含盐量高，密度大，便沉入深海折返朝南流，返回亚热带，如此循环。这一由温度和盐分密度差异驱动的洋流最早是1751年由英国船长埃利斯(H.Ellis)发现的。全球变暖会引起北极地区冰块融化，大量淡水注入北冰洋和北大西洋，有可能使大西洋传送带关闭。布赖登(H.Bryden)率队对大西洋22处的水温进行连续监测，通过比较2004年与1957、1981、1992、1998等年份的水温，发现本应朝北流的暖水竟在亚热带洋面陷住，折为往南流，这样在埃利斯首次测到洋流处的“反转”环流减少了30％。

　　上述结论引起剧烈争议。根据模型研究，全球温度要上升4～5℃，才会使大西洋环流关闭，现在仅上升了0.8℃，所以到21世纪末，环流至多减少25％。柯里(R.Curry)分析了1950—2005年的海水盐分，认为从1960年代以来，已有约4×10[12]立方米淡水注入格陵兰海域，使海水盐分密度降低，但还不足以对大西洋环流产生过分的影响。有人说，如果布赖登是对的话欧洲早已变冷了，而现在无论欧洲或大西洋面的温度仍是普遍的上升。

　　全球洋流-大气相互作用系统是一个高度复杂的非线性系统，气候变化本质上是一种混沌现象。因此布赖登的发现是否意味着全球气候在短期内就会突变？这需要进一步的测量和研究。但环流的削弱会减少海底营养物质上升，从而可能导致北大西洋生物系统崩溃，使可捕的鱼类减少。还可能破坏季风和降雨的规律，导致亚、非两洲干旱。环流削弱还会减弱海洋吸收二氧化碳的能力，加速全球暖化等。

　　全球变暖是“天灾”还是“人祸”

　　全球气候变化有9个征兆。

　　(1)全球温度持续上升。在过去100年上升了约0.8℃。[1]

　　(2)在全球变暖的大背景下，异常气候和大气事件的发生越来越多，也越来越强。特别是热带洋面上形成的气旋，其强度与海洋温度呈正关联。

　　(3)北极冰块缩小，南极大冰层加速融化，有崩溃的趋势。

　　(4)永久冻土带开始融化，这在12000年来还是第一次发生的现象。

　　(5)冰川退缩。对全球169条冰川长度进行测量，从1800年以来，平均已缩短了约1800米。

　　上述(3)，(4)，(5)都是“正反馈”过程，即一旦白色的冰雪和冻土带变为深色的海、沼泽或灌木丛之后，对阳光的吸收增强，从而使温度进一步上升，并释放出更多的二氧化碳和甲烷，加速全球变暖。从整体上看，全球庞大而复杂的气候系统因正反馈而显得十分脆弱，尤其是受到人类愚蠢行为伤害的时候。

　　(6)在20世纪，海平面每年上升0.178厘米，但从1993年开始加快到每年上升0.305厘米。

　　(7)从1750年以来，海水由于吸收二氧化碳而导致pH值下降了0.1，也就是说酸性增强了。

　　(8)有些地方的蝴蝶等动物正在迁移它们的聚居地，以适应急剧变化的地球环境。

　　(9)细菌和病毒也正在加快它们的变异，以力求适应在地球上生存和发展。这就是为什么人类刚于2002—2003年战胜了SARS，禽流感又开始袭来，并且逐渐感染人类。

　　关于全球变暖的争论有两个。首先，这种“变暖”是真实存在的吗？其次，它主要是由于自然原因还是由于人类活动所引起？近十多年来，已逐渐对变暖真实性形成共识，如美国国家科学院的总结是[2]：“过去50年所观察到的绝大多数变暖现象很可能是由于日益增强的温室气体浓度所引起的。”1988年，世界气象学协会和联合国环境项目联合发起成立了一个政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)，来评估气象科学的现状以作为政策行动的依据，代表100多个国家2000位科学家的汇总意见，在1990、1995、2001年进行了三次评估，2007年2月2日发表了第四份气候变化评估报告，结论是全球气候变暖有超过90％的可能是由人类活动造成的。

　　长期以来，科学家都以为相对于漫长的地质时间和巨大的自然威力，人是不重要的。正因为如此，许多人不愿接受“人类已经变成一种自然力量”的说法。洛夫乔伊(T.E.Lovejoy)在40年前便开始考察被称为“地球之肺”的南美洲亚马孙河流域的热带雨林。那时只有200万人居住和一条主要道路。现在人口剧增了10多倍，雨林被许多道路、新的居民点和经济开发区改变得面目全非，林木被过度砍伐，导致雨量大幅度减少，河流干涸，许多物种濒临灭绝。洛夫乔伊惊问：“这样一个系统是什么时候被你们毁坏的呢？”因此，各国科学家已发出“拯救亚马孙热带雨林”的紧急呼吁。同时巴西政府也已立法大力加强对雨林的保护。

　　温室效应失控可能引发巨大灾难

　　人对环境的要求是很高的，而地球环境在茫茫宇宙中可以说是一个绝无仅有的“伊甸园”。

　　二氧化碳在大气中占0.03％，甲烷只占0.0001％，刚好提供了人类所需的温室效应，若没有这些气体地球温度将降至0℃以下。在1750年之前，它们的浓度一直是相当稳定的，但这之后由于工业革命，200多年来二氧化碳剧增了36％，甲烷更是猛升了3倍！其后果就是全球变暖和气候恶化。

　　

　　为了进一步说明增大二氧化碳和甲烷浓度可能带来巨大灾难，让我们来看两个惊人发现。离地球最近的金星的大气压比地球高90倍，大气中98％是二氧化碳。通过20多次宇宙飞船观测发现，金星大气上层漂浮着几十公里厚的黄色硫酸云，飞快地绕着金星运动。在云层下面直到陆面，几乎没有水，风也很小。极端的温室效应使金星表面温度高达470℃！

　　距今2.5亿年前，即二叠纪末三叠纪初时地球上有过一次大规模的生物灭绝，90％以上的海洋生物和70％的陆栖生物都灭绝了。过去曾以为它和恐龙灭绝的原因相似，也是由于小行星撞击引起的。从1990年代直到最近，中、英两国科学家联合对中国浙江长兴煤山剖面进行研究，那里有记录这次大灭绝的最完整的化石层。从而肯定这次大灭绝呈现多阶段特点(时间跨度达5万～10万年之久)，主要的动因可以锁定在地球内部，狄更斯(G.Dickens)于1995年提出“甲烷打嗝(methane burp)”理论能较好地对此进行解释。

　　甲烷在目前的空气中含量很少，因为它不稳定，经10年左右会与氧发生反应。但大量的甲烷以冰状固态的水合物(methane hydrates)形式被压在冷而高压的海洋底部。一旦全球变暖，海洋温度上升到足够高，水合物便会融解而突然释放出大量甲烷气体，无数气泡冒出海面，像海洋“打嗝”那样，在短期内使全球变暖进一步加速。煤山化石显示当时全球温度上升了6℃，使全球生态系统崩溃，造成绝大多数物种灭绝，此后50万年内，在异常残酷的环境下，只有极少一些低等生物存活着。直到2000万～3000万年后，地球生态系统才慢慢恢复过来。

　　距今5500万年前，还有过一个古新世的极高温期，那时热带温度上升近6℃，而两极地区更剧增了8℃以上，导致又一次生物大灭绝。许多科学家相信，那也是由于甲烷水合物融解引起的。

　　最近沃德(P.D.Ward)介绍了孔普(L.R.Kump)和阿瑟(M.A.Arthur)的理论：火山爆发喷出大量的二氧化碳和甲烷，加速全球变暖，于是海洋开始进入缺氧状态，同时在海底由厌氧性细菌产生大量有毒的硫化氢气体，浓度不断增加并突然冒出海面，使大量海洋和陆栖生物先后窒息而死。硫化氢进入大气后，进一步破坏臭氧层，在强烈的太阳紫外线照射下，地球生物系统彻底崩溃。这三位科学家认为，除二叠纪末和古新世外，至少2.07亿年前三叠纪向侏罗纪转变时和3.74亿年前泥盆纪向石炭纪转变时的两次大灭绝也可能是由于上述温室效应失控而引发的。

　　虽然各种理论还有分歧，但已达成的共识是：第一，甲烷对导致温室效应失控的严重威胁在过去大大地被低估了。虽然地球上的大量甲烷还被压在海洋底下，但西伯利亚西部的永久冻土层开始融化，少量甲烷已释放出来，其在地表附近的浓度已超过高空浓度25倍，因此使该地区成为全球变暖最严重的“热点”(在过去40年中上升了3℃)。类似地，已有中国学者指出，2006年四川和重庆地区反常高温干旱，也很可能是由于局部甲烷浓度过高引起的。第二，当各次灭绝发生时，地球大气中二氧化碳浓度都达到一个峰值，约1000毫升/米[3]，并持续几十万年之久[4]。现在二氧化碳浓度为385毫升/米[3]，且以每年2～3毫升/米[3]的速率上升，由此推算，约200年后就可能逼近900毫升/米[3]，即相当于古新世灭绝时的水平了。

　　节能和开拓绿色能源

　　减少温室气体排放的途径是节能和开拓使用绿色能源。

　　

　　每1吨(这里1吨指与1吨粗油产生能量相当的燃料量)煤、石油或天然气燃烧所产生的二氧化碳重量分别为3.8、2.9或2.1吨。全球一年耗用能量超过100亿吨，排放的二氧化碳总量超过240亿吨。可见煤作为第一能源(占总能源的23％，在发电中占40％)是最“脏”的能源。此外，它最大的缺点是开采时的安全性差。而且电能转化效率太低，只有30％左右，而油气发电效率可达60％。为此，包括中国在内的一些国家正在加紧研究煤直接在地下气化或液化的新技术，这样不但可提高开采的安全性，还能提高电能转化时效率。

　　石油和天然气是目前最方便的能源，在全球能源中占57％，发电中占26％。但是分布极不均匀，沙特阿拉伯、伊朗、伊拉克、科威特、阿联酋、委内瑞拉、俄罗斯、利比亚和尼日利亚等9个国家拥有石油总储量近9×10[11]桶(1吨≈8桶)。美国和中国分居第10和11位，但美国在2006年发现了一个大油田，而中国也发现了大量的石油和天然气储藏。在天然气方面，俄罗斯、伊朗和卡塔尔三国就分别拥有全球储量的28％、16％和15％。

　　目前世界石油日产量为8.3×10[7]桶，而需求量为8.2×10[7]桶。石油(气)的问题首先是政治性的，能源安全已上升为国家安全问题。其次，石油需求量增加太快。从1986年的5.4×10[7]桶/天，剧增到今天的8.2×10[7]桶/天。照目前趋势，估计到2025年将达1.2×10[8]桶/天。然而，新发现的大油田数目在1964年已达顶峰，以后一直下降，2000年16处，2001年8处，2002年仅3处。今天每用掉6桶油，只能新发现1桶。专家预测：石油生产在2006年左右已达峰值，2010年以后将呈“永久性下降”。

　　用酒精代替石油。巴西石油蕴藏量少，只有8.5×10[9]桶，居世界第16位。现巴西酒精产量已达1200万吨，全国有34000个加油站同时供应汽油和酒精，70％的新售汽车能兼用这两种燃料。虽然从里程数看，酒精只及汽油的70％，但价格上却便宜一半，故总的看，用酒精可以比汽油省30％。更重要的是，以提炼于农作物的酒精作燃料，实现了二氧化碳的生物循环，有利于稳定大气中温室气体的浓度。

　　核能的好处是不排放二氧化碳。目前为全球提供总能量的7％，在发电中占16％。全球正在运行中的核反应堆共441座，主要在美国(103座)、法国(59座)和日本(55座)，法国电力的78％由核能提供，今后还要建造。美国已多年不建核电站，因为公众舆论的反对相当强烈。其实由于科技进步，如能严格按科学方法和操作规程办事，核电安全性是极可靠的。到2005年底，中国已建成核电站6座，共11台机组，装机容量8.7×10[9]瓦，占全国总电力的2.1％，计划到2020年，核能发电将达到4×10[10]瓦。

　　风能和太阳能是最好的可再生的绿色能源，不排放二氧化碳，又无放射性污染。风能发电的成本较低，虽然目前还不到总电力的1％，但正以每年38％的速度递增，2005年全球风力发电已达5.9×10[10]瓦，是1999年的5倍多。丹麦、西班牙和德国的风力发电分别占其总电力的23％、8％和4.3％。美国也从1998年的2.0×10[9]瓦剧增至2005年的9.0×10[9]瓦，中国1997年的风力发电为1.67×10[8]瓦，2005年为1.26×10[9]瓦，现正加速发展。目前德国风力发电量最多，达2.06×10[10]瓦，美国和西班牙分居第二和第三位。2006年全世界风力发电增加了1.5×10[10]瓦。美国(2.8×10[9]瓦)、印度(1.5×10[9]瓦)和中国(1.0×10[9]瓦)新建风力发电设备位居前三位。

　　太阳能转化为电能的成本还太高，但世界光能发电量已从1990年的4.7×10[7]瓦增加到2005年的1.73×10[9]瓦，日本和欧洲居于领先地位。中国在西藏的太阳能发电机容量已达9.0×10[6]瓦，太阳灶15万台，太阳能热水器20万米[2]。在新疆，5年来已建成了320座农村太阳能电站，解决了40万人的用电问题，敦煌的1.0×10[8]瓦太阳能电厂也正建造中。

　　许多专家指出：为减少二氧化碳排放，比造核电站和风力发电站更有效的办法是节能和提高利用效率。

　　美国加利福尼亚州电力研究所报告认为，美国可节省3/4电力。目前在美国和澳大利亚，每人每年平均排放20吨温室气体(以二氧化碳当量计算)，而英国人只有11吨。发达国家中温室气体的排放1/4来自交通，1/4来自家中，1/2则来自办公室和工厂。如能按新的生活方式，如推广节能光源，随时关掉灯和不用的电源，少开空调和取暖器，少乘汽车和飞机，多利用自行车和火车等，每人可减少60％的二氧化碳排放量。

　　严峻的考验

　　1997年7月，各国政府领导人在日本京都讨论如何减少温室气体排放量，通过了《京都议定书》，2005年2月起生效，要求到2012年的排放量比1990年减少5.2％。美、澳两国政府以影响经济为由拒绝签字，但后来与中国、印度、日本和韩国等国政府代表于2005年7月协议，共享清洁能源的新技术，而不致影响经济发展，以此作为对《京都议定书》的补充。

　　许多专家认为，《京都议定书》并没有落实，而且目标也太低了。IPCC也尖锐地指出，必须在2050年前把温室气体减少60％，才能把气候稳定下来而避免出现灾难性后果。

　　2006年8月1日，由世界上22个大城市的市长组成的“大城市气候领导小组(Large Cities Climate Leadership Group,LCCLG)”在美国洛杉矶市开会。美国前总统克林顿在会上提出“克林顿气候倡议”，目的是共享技术和资源，促进清洁燃料的利用和节能，减少温室气体的排放(城市排放量占75％)。LCCLG的主席、伦敦市长利文斯通(K.Livingstone)在会上说：“今天对人类来说，再也没有比防止气候突变的灾难更重要的任务了……这一新的合作旨在立即加速城市对全球变暖的反应。”

　　很明显，《京都议定书》即使能落实，也是远远不够的。倘若不能在不太长的时间内把温室气体大幅度压下来的话，一场史无前例的气候灾难是不可避免的。更明确地说，从工业革命以来流行的思维方式、生活方式和经济发展模式，正在促使这场灾难加速到来。现在已经到了非悬崖勒马、改弦易辙不可的时候了。

　　从这个观点看中国，形势也十分严峻。中国现在占全球能耗总量的10.6％，但二氧化碳排放量占14.1％。中国和印度作为两个发展最快的大国，从1990年以来，二氧化碳排放量分别上升了67％和88％。照目前趋势，专家估计到2025年，中国的二氧化碳排放量将比2002年翻一番，超过美国而居世界第一位。

　　由于中国“十五”规划中环保指标未完成，“十一五”规划的压力更大。1980—2000年间，中国能耗增速控制在经济增速的1/2。想不到的是，从2001年开始，能耗增速开始超过GDP的增速，竟达到1.5倍！2006年上半年GDP增长又高达10.9％。“十一五”规划作为约束性指标提出：单位GDP能耗降低20％，要求2006年上半年降低4％。而实际情况是，2006年上半年的能耗和主要污染物排放总量都是不降反升！造成上述局面的原因是许多地方政府在投资方面的热情远远超过了落实节能和环保指标的积极性。因此中国政府重申：到2010年单位GDP的能耗要比2005年降低20％，主要污染物排放总量减少10％，森林覆盖率提高到20％。目前中国正处于经济增长方式转变的紧要关头，构建社会主义和谐社会、节约型社会和环境友好型社会，下大决心节水、节能和治理污染，改善环境，不但是唯一的选择，也是历史赋予我们的神圣职责。

　　注释：

　　[1]Frumkin H.Enviromental Health-From Global t o Loca( Jossey-Bass) ,2005:241.

　　[2]Oreskes N.Maverichs and mules in the search for truth.Oregonian,2006.

　　[3]Doney S C.Scientific American,2006:59-63.

　　[4]Ward P D.Impact from the deep.Scientific American,2006:64-71.

作者介绍：倪光炯，复旦大学物理系教授，上海 200433；美国波特兰州立大学物理系客座教授。