更溫暖的天空下 

全球變暖作為一種警示，應(yīng)當(dāng)說(shuō)是20世紀(jì)70年代才提出的想法，然而作為一門純科學(xué)，它的歷史可以追溯到更早以前。在19世紀(jì)50年代晚期，一位名叫約翰·丁鐸爾的愛爾蘭物理學(xué)家便開始著手研究不同氣體的吸收性能。他的發(fā)現(xiàn)使其率先對(duì)大氣層的運(yùn)行方式做出了準(zhǔn)確的描述。

1820年，丁鐸爾出生在卡洛郡。他十七八歲就離開了學(xué)校，在英國(guó)政府擔(dān)任測(cè)量員。丁鐸爾利用晚上的時(shí)間自學(xué)，隨后成為一名數(shù)學(xué)老師。雖說(shuō)他不會(huì)講德語(yǔ)，卻啟程去了馬爾堡，師從羅伯特·威廉·本生（“本生燈”就是用他的名字命名的）。丁鐸爾取得博士學(xué)位（其時(shí)這一學(xué)位剛剛設(shè)立）之后，便遭遇了生計(jì)之憂，直到1853年，他應(yīng)邀去倫敦的皇家科學(xué)院做了一場(chǎng)演講，那里是當(dāng)時(shí)英國(guó)最重要的科學(xué)中心之一。這次成功演講之后，丁鐸爾獲得了一個(gè)又一個(gè)的演講邀請(qǐng)。幾個(gè)月后，他當(dāng)選為自然哲學(xué)教授。他的演講非常受歡迎，很多后來(lái)都結(jié)集出版了。這既證明了丁鐸爾擁有極高的演講才能，也證明了維多利亞時(shí)代中產(chǎn)階級(jí)對(duì)知識(shí)的興趣。丁鐸爾后來(lái)又到美國(guó)做了一次演講旅行，收入豐厚；他把所得款項(xiàng)委托給一家信托機(jī)構(gòu)代管，用于發(fā)展美國(guó)的科學(xué)事業(yè)。

約翰·丁鐸爾 (John Tyndall)

丁鐸爾的研究范圍從光學(xué)到聲學(xué)再到冰川運(yùn)動(dòng)，其多樣與廣博程度令人難以置信。（他是一個(gè)狂熱的登山愛好者，經(jīng)常去阿爾卑斯山研究冰雪。）他最為持久的興趣之一便是熱學(xué)，而這門學(xué)科在19世紀(jì)中期發(fā)展迅速。1859年，丁鐸爾制造出世界上第一臺(tái)比分光光度計(jì)（ratio spectrophotometer），這臺(tái)儀器使得他能夠?qū)Σ煌瑲怏w吸收和傳輸熱輻射的方式進(jìn)行比較。丁鐸爾在檢驗(yàn)空氣中最常見的兩種氣體（氮?dú)夂脱鯕猓r(shí)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是可見光還是紅外線都可以透過(guò)這兩種氣體。而二氧化碳、甲烷和水蒸氣等其他氣體，卻不是如此。就二氧化碳和水蒸氣來(lái)說(shuō)，光譜中的可見光是可以穿透的，但紅外線不能穿透。丁鐸爾很快意識(shí)到自己上述發(fā)現(xiàn)的意義：他宣布，選擇性透光的氣體在很大程度上是行星氣候的決定要素。他把這些氣體的作用比作攔河大壩：正如大壩“會(huì)帶來(lái)水流局部的加深，大氣層作為攔截地球熱輻射的一道關(guān)卡，也會(huì)導(dǎo)致地球表面溫度的局部上升”。

丁鐸爾認(rèn)識(shí)到的這種現(xiàn)象，正是今人所說(shuō)的“自然的溫室效應(yīng)”。這一現(xiàn)象無(wú)可爭(zhēng)議地存在；事實(shí)上，這一現(xiàn)象也被看作是地球生命存在的基本條件。要想弄清楚溫室效應(yīng)的運(yùn)作機(jī)制，我們不妨想象一下，如果沒(méi)有溫室效應(yīng)，世界將會(huì)怎樣。在這種情況下，地球?qū)?huì)持續(xù)不斷地吸收太陽(yáng)光的能量，但與此同時(shí)，它也不間斷地將能量反射回宇宙空間。所有的熱物體都放射光熱，而它們放射光熱的總量由各自的溫度決定。地球?yàn)榱吮３帜芰烤猓浞派涞教罩械哪芰靠偤捅仨毜扔谒盏目偰芰?。一旦這種平衡由于某種原因被打破，行星就會(huì)變熱或者變涼，直至溫度再一次讓這兩股能量流相抵平衡。

世界上第一臺(tái)比分光光度計(jì)是丁鐸爾制造的，用來(lái)測(cè)量各種氣體的吸收性能。引自《哲學(xué)學(xué)報(bào)》，第151卷（1861）

如果大氣中沒(méi)有溫室氣體的話，那么從地球表面放射出的能量會(huì)毫無(wú)阻擋地流逝。在這種情況下我們將很容易計(jì)算出，當(dāng)?shù)厍蛳蛱辗派涞哪芰颗c其從太陽(yáng)吸收的能量完全相等時(shí)，地球的熱量和溫度將會(huì)是多少。（當(dāng)然，對(duì)于不同的位置和時(shí)令節(jié)氣來(lái)說(shuō)，能量的差別甚大。如果我們?nèi)∷芯暥群图竟?jié)的平均數(shù)，那么這一數(shù)值大約是每平方米235瓦特，大致等于四只家用白熾燈泡的功率。）丁鐸爾計(jì)算出來(lái)的結(jié)果是0華氏度（約-17.8攝氏度），非常寒冷。用丁鐸爾帶有維多利亞風(fēng)格的語(yǔ)言來(lái)表達(dá)，如果空氣中不再含有保溫的氣體，“土地和花園中的熱量將會(huì)不求回報(bào)地將自己注入太空，而太陽(yáng)將會(huì)在一個(gè)禁錮于嚴(yán)寒中的島嶼上升起”。

由于溫室氣體具備選擇性吸收的特性，它也就改變了地球的環(huán)境。太陽(yáng)光主要是以可見光的形式照射到地球上的，因此溫室氣體可以讓太陽(yáng)光的輻射自由地通過(guò)。但是地球輻射是以紅外線的方式發(fā)出的，所以一部分的地球輻射就被溫室氣體阻擋了。溫室氣體吸收了紅外輻射，隨后又重新發(fā)射這部分光，其中一部分射向太空，一部分放射回地球。于是，這一吸收和再放射的過(guò)程就起到了限制能量外流的作用。其結(jié)果就是，地表及低層大氣的實(shí)際溫度必須比前面提及的溫暖得多，才能向外發(fā)射每平方米235瓦特?zé)崃?。溫室氣體的存在很好地說(shuō)明了全球平均溫度為什么是更為舒適的57華氏度（約13.9攝氏度），而不是刺骨的0華氏度。

丁鐸爾患有失眠癥，并且年紀(jì)越大癥狀越嚴(yán)重。1893年，他死于水合氯醛（chloral hydrate，一種早期的安眠藥）過(guò)量，那天是妻子給他用的藥。（據(jù)傳，他臨死之前對(duì)妻子說(shuō)：“我可憐的寶貝，你殺死你的約翰啦?！保┚驮诙¤I爾中毒身亡的同一時(shí)期，瑞典化學(xué)家斯萬(wàn)特·阿列紐斯在丁鐸爾停下腳步的地方繼續(xù)推進(jìn)著這項(xiàng)研究。

阿列紐斯最終成了19世紀(jì)的科學(xué)巨人之一，但他和丁鐸爾一樣，人生的開始也并不如意。1884年，當(dāng)阿列紐斯還是烏普薩拉大學(xué)的學(xué)生時(shí)，他撰寫了有關(guān)電解質(zhì)特性的博士論文。（后來(lái)的他于1903年因?yàn)檫@項(xiàng)工作獲得諾貝爾獎(jiǎng)，其研究對(duì)象即是今日所說(shuō)的電離作用理論。）大學(xué)的考試委員會(huì)并未被這篇文章打動(dòng)，只給它評(píng)了個(gè)第四等級(jí)（non sine laude）的分?jǐn)?shù)。接下來(lái)的幾年里，阿列紐斯在國(guó)外換了一個(gè)又一個(gè)的職位，最終在家鄉(xiāng)瑞典獲得教職。直到獲得諾貝爾獎(jiǎng)前不久，他才入選瑞典科學(xué)院，而且即便如此，他的當(dāng)選仍需面對(duì)強(qiáng)大的反對(duì)聲浪。

斯萬(wàn)特·奧古斯特·阿列紐斯（Svante August Arrhenius）

阿列紐斯之所以會(huì)好奇地探究二氧化碳對(duì)全球溫度的影響，其中的確切原因尚不清楚。他似乎尤其對(duì)“二氧化碳水平的降低是否導(dǎo)致冰期形成”的問(wèn)題感興趣。［一些傳記作者注意到，雖然很難找到什么確實(shí)的聯(lián)系，但他對(duì)此問(wèn)題展開研究之時(shí)，正是他和妻子（也是他曾經(jīng)的學(xué)生）分手的那段時(shí)間，而她帶走了他們唯一的兒子。］事實(shí)上，在他之前，丁鐸爾早就意識(shí)到了溫室氣體水平對(duì)氣候的影響，甚至（有先見之明地，但不是完全正確地）推測(cè)溫室氣體水平的變化將導(dǎo)致“地質(zhì)學(xué)家的研究所披露的各種氣候突變”。但是丁鐸爾的研究從未超越這種定性推測(cè)的范疇。而阿列紐斯則下決心計(jì)算出地球溫度到底是如何受到二氧化碳水平變化之影響的。他后來(lái)將這項(xiàng)工作形容為自己人生中最單調(diào)乏味的事情之一。1894年的平安夜，他開始了這項(xiàng)工作。雖然他每天有規(guī)律地苦干14個(gè)小時(shí)，但也還是一直忙了將近一年才接近尾聲。他在寫給朋友的信中說(shuō)：“我自從攻讀學(xué)士學(xué)位以來(lái)，還從未這樣努力地工作過(guò)?！?895年12月，他最終向瑞典科學(xué)院遞交了他的研究結(jié)論。

用今天的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，阿列紐斯的研究看起來(lái)原始而粗糙。他所有的計(jì)算都是用筆和紙完成的。他遺漏了有關(guān)光譜吸收的重要信息，也忽視了若干潛在的重要的回饋?zhàn)饔谩Ｈ欢?，這些缺陷差不多都互相抵消了。阿列紐斯追問(wèn)道，如果二氧化碳水平減半或者加倍，地球氣候?qū)?huì)發(fā)生什么樣的變化。就加倍的情況來(lái)說(shuō)，他確定全球的平均溫度將會(huì)上升9到11華氏度，這一結(jié)果接近如今最為精密的氣候模型的估測(cè)。

阿列紐斯還取得了一大概念性的突破。其時(shí)，整個(gè)歐洲的工廠、鐵路和發(fā)電站都在燃燒煤炭、噴出濃煙。阿列紐斯意識(shí)到，工業(yè)化和氣候變化密切相關(guān)，礦物燃料的消耗日積月累，終將導(dǎo)致氣候變暖。當(dāng)然，他并沒(méi)有意識(shí)到這一問(wèn)題的嚴(yán)重性。由于深信海洋將像一個(gè)巨大的海綿那樣吸收額外的二氧化碳，阿列紐斯認(rèn)為空氣中二氧化碳的累積速度將極其緩慢。根據(jù)他的某次估計(jì)，煤炭燃燒再持續(xù)3000年，大氣中的二氧化碳水平才會(huì)增加一倍?；蛟S由于他所生活的年代，又或許因?yàn)樗莻€(gè)北歐人，阿列紐斯預(yù)期的氣候變化的結(jié)果從整體上來(lái)說(shuō)有益于人類的生存。在向瑞典科學(xué)院發(fā)表演講時(shí)，阿列紐斯宣稱，其時(shí)被稱為“碳酸”（carbonic acid）的二氧化碳水平日益升高，將會(huì)讓未來(lái)的一代代人“生活在更溫暖的天空下”。之后，他又在自己撰寫的眾多科普著作之一《正在形成的世界》中，詳細(xì)說(shuō)明了這一觀念：

阿列紐斯在1927年去世后，人們對(duì)氣候變化的興趣減少了。很多科學(xué)家堅(jiān)持認(rèn)為，即便二氧化碳水平真的在升高，增速也非常緩慢。20世紀(jì)50年代中期，不知出于什么原因，一個(gè)名叫查爾斯·戴維·基林的年輕化學(xué)家決心研究更為準(zhǔn)確地測(cè)量大氣中二氧化碳含量的新方法。（后來(lái)他將這一決定的理由歸結(jié)為他覺得裝配這些必要的設(shè)備“非常有趣”。）1958年，基林說(shuō)服美國(guó)氣象局在新氣象臺(tái)使用他的技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)二氧化碳。這一氣象臺(tái)的海拔高達(dá)11000英尺，位于夏威夷島上的莫納羅亞山側(cè)翼。從那時(shí)起，這種二氧化碳的測(cè)量工作就在莫納羅亞山延續(xù)至今。這些被稱作“基林曲線”的測(cè)量結(jié)果，也許可以稱得上是迄今為止最為廣泛發(fā)行的一套自然科學(xué)數(shù)據(jù)了。

從圖形上看，基林曲線像是一段傾斜的鋸齒邊。每一個(gè)鋸齒對(duì)應(yīng)一年。二氧化碳的水平在夏季降到最低點(diǎn)，此時(shí)北半球的樹木因?yàn)楣夂献饔枚账?；二氧化碳又在冬季增長(zhǎng)到最高，其時(shí)樹木都處于休眠狀態(tài)。（南半球的森林較少。）同時(shí)，曲線的傾斜向上表明了年平均值的增長(zhǎng)。

基林曲線表明，從20世紀(jì)50年代開始，二氧化碳的水平一直在穩(wěn)步上升。引自斯克里普斯海洋學(xué)研究所

莫納羅亞山二氧化碳水平的第一次全年監(jiān)測(cè)是在1959年，當(dāng)年的平均值為316ppm。接下來(lái)的一年，這一平均值達(dá)到了317ppm。這一結(jié)果促使基林發(fā)現(xiàn)，學(xué)界目前有關(guān)海洋吸收二氧化碳的假設(shè)有可能是錯(cuò)誤的。到1970年，二氧化碳水平已經(jīng)達(dá)到325ppm，1990年上升至354ppm。2005年夏天，二氧化碳的水平已經(jīng)達(dá)到了378ppm。如今，已經(jīng)差不多上升到了380ppm。按照這一速度，到21世紀(jì)中葉，這一數(shù)值將達(dá)到500ppm，差不多是前工業(yè)化時(shí)代的兩倍。也就是說(shuō)，比阿列紐斯的預(yù)言提前了將近2850年。

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編輯：augustish