实验室制取二氧化碳【失控的二氧化碳】

　　鳄鱼在北极畅游?你最好相信这一点,900万年前,地球非常暖和,以至于鳄鱼这样的热带生物曾经在北极圈内生存和繁衍。当然,地球并不总是那么炎热,在某些时候,它也异常寒冷,冰块覆盖了大半个地球。
　　为什么地球会在两种极端的气候之间徘徊?科学界的主流意见是,二氧化碳是主导者。过去10亿年中,伴随着炎热的气候的是大气中高含量的二氧化碳,反之亦然。当然,凡事总有例外,极少量的研究证明,在某些时期,二氧化碳含量高时,气候也极其寒冷;而气候变得炎热时,二氧化碳的含量反而异乎寻常地高。
　　是什么因素引起了这一奇怪的现象?面对这道气象难题,我们漏掉了点什么吗?
　　研究人员希望尽快解开这一谜题,他们回顾过去亿万年中的气候变迁,这有助于预测在未来的一段时期内,随着大气中二氧化碳的迅速增长,气候会发生什么样的变化。
　　对过去的气候的研究的难点在于,亿万年前地球上究竟发生了什么。幸运的是,我们有不少可以参照的线索。岩石会告诉我们,它形成时的情况。举个例子,某些种类的岩石只能在地球上有液体水的时候形成。对冰川遗迹的研究和鉴定,也有助于了解古气候变化规律。
　　综合了各种不同的证据和线索,一幅连续的地球温度变化图形成了。冰川期偶尔出现,在地球发展史上冰期的时间只占整个地球历史时期的十分之一左右,而绝大部分时间是处于温暖期。实际上,在地球的历史中,曾经存在着比现在更炎热的时期。
　　这让人感到惊奇,因为太阳变得越来越热了。和40亿年前比起来,它所释放的能量多了三分之一。如果地球的气候全部取决于太阳,地球应该是变得越来越热。
　　1981年,宾夕法尼亚州立大学的吉姆•卡斯汀(Jim Kasting)提出,地球的气候保持相对的稳定,要归因于二氧化碳――地球的温度调节器。地球存在一个漫长的碳循环:一些二氧化碳,以有机物或碳酸盐岩的形式,埋在地表的深处一段时间,最终通过火山爆发释放到大气中。
　　碳循环的第一步是碳酸盐岩石的形成,当二氧化碳和硅酸盐岩石发生反应时,碳酸盐岩石就形成了,这个过程被称为侵蚀或风化。卡斯汀指出,风化的进度取决于温度。当这个星球很炎热时,风化的速度加快,将大气中的二氧化碳转移到地表深处,让大气中的二氧化碳含量下降,地球的温度也就随之下降。当整个星球陷入严寒时,风化变得很慢,但是火山会将埋在地表的二氧化碳释放到大气中,所以二氧化碳的含量最终还是在上升。
　　当然,二氧化碳这个温度调节器并不是你家里的空调或是冰箱,能在一夜之间,将液态水变成冰块,它需要数十万年,才能起到一个重要的影响。所以地球的气候还是会在炎热和寒冷的两极摇摆。当然,它还是有助于解释为什么地球的温度始终能维持在保持有液态水的温度。
　　
　　气候谜团?
　　
　　尽管任何因素都可能影响到气候的变迁,从地球轨道的变动到大陆板块位置的变化,但温室气体的含量尤其是二氧化碳含量是最为重要的因素。为了验证这一点,我们需要回顾二氧化碳含量在过去的岁月中是如何变化的。
　　最好的办法便是测量格陵兰岛与南极洲冰川中被困住的小气泡中的二氧化碳含量,它们记载着过去的大气环境情况。但这并不能帮助我们回溯得很远,大约只能看到1亿年前。加州大学洛杉矶分校的阿拉达•崔帕提(Aradhna Tripati)说:“地球上最古老的冰川大约有1亿年的历史。”
　　为了了解在更遥远的过去二氧化碳的含量,研究人员不得不使用较为间接的方法。方法之一便是模拟影响二氧化碳浓度的长期过程,如化石燃料的形成速度。地质学家几十年来一直在改善这些模型,它们能够提供长期以来二氧化碳浓度变化的粗略状况,却无法描述短期二氧化碳含量的变动。
　　还有一种方法是观察树叶化石中气孔的密度。植物的气孔一方面是吸收二氧化碳的通道,另一方面也是排放水汽的通道,“我们发现当二氧化碳增多后,很多植物的气孔密度就会降低,这是物种的特定反应。”康涅狄格州米德尔敦卫斯理大学的德纳•罗耶(Dana Royer)如是说。罗耶与其他研究者通过研究植物叶子如银杏叶的气孔密度,估算出过去的二氧化碳的浓度并没有改变太多。
　　通过测量海底沉积物中土壤和贝壳化石中的碳同位素比例也能大致描述二氧化碳含量的变化。在地球超过40亿年的历史中,从大约33亿年到29亿年间,以及从3500年前到现阶段,当地球有着广阔的冰原时,二氧化碳含量相比较低。而除此之外的其他时候,二氧化碳含量就高很多。
　　尽管如此,在如此漫长的时间跨度中隐藏着些令人费解的不一致。以中新世为例,从2300万年前到500万年前,那时南极的冰川在增加。而在中新世中期,大约1500万年前,出现了相对温暖的时期。然而,气候模型则显示这一阶段的二氧化碳含量仍然处于较低的阶段,低于300ppm。
　　存在的这些不一致也不能证明二氧化碳引发变暖的想法就是错误的,就如在阳光明媚的日子里,你的房子的温度在上升,这并不能说明当你使用暖气时,它不会变暖一样。而是说,这些不一致意味着其他因素导致了变暖。理论上,中新世中期的反常可能与太阳温度升高有关,比如,除了众所周知的太阳的输出功率会逐渐增强之外,别的变化就不足为道了。
　　荷兰乌得勒支大学的沃尔夫兰•克施奈(Wolfram Kerschner)和其同事决定核对那些使用气孔密度测量二氧化碳浓度变化的早期研究。在仔细核查了三种植物树叶化石标本之后,克施奈的团队于2008年报告,在中新世伊始,二氧化碳含量从600ppm下降到300ppm,而在中新世的温暖中期,大气中二氧化碳的含量在再次下降之前先是上升到500ppm。
　　与此同时,崔帕提和她的同事找到一种新的方法来揭示过去的二氧化碳含量的变化情况。他们使用的技术包括研究生活在地表水中的贝类生物化石中的硼钙比例。这一比例和当时贝类生长时海洋的酸度相关,而这转而牵涉到大气中的二氧化碳含量。这一团队使用来自两个热带西太平洋观测站的深海沉积物化石来重建过去数百万年中的二氧化碳历史。崔帕提的团队说,用他们的方法计算出来的在过去80万年中二氧化碳含量,与冰芯中的测量数据相符,这就能证明他们使用的技术的精确性。回溯得更遥远点,他们也发现,与如今的380ppm的二氧化碳的浓度相比,中新世中期在350ppm到500ppm间波动的二氧化碳含量是比较高的。
　　和中新世中期二氧化碳含量和地球温度的不一致性类似的是奥陶纪晚期,在4.4亿年前的奥陶纪晚期,地球进入了冰河世纪造成了大灭绝,即使那时二氧化碳含量似乎一直很高。然而,卢明顿的印第安纳大学的杨赛思(Seth Young)更为细致的研究表明,在冰河世纪早期,二氧化碳浓度是处于下降通道的,但当风化速度变得缓慢时,二氧化碳含量随后就上升了,这也最终导致了冰河世纪的终结。
　　崔帕提说:“越研究过去,我们就越能找到更多的证据,来证明二氧化碳对于影响地球气候的重要性。”
　　那么接下来会发生什么呢?那些基于过去气候变迁的研究结果和计算机模型作出的气候预言相比,哪一种更加精确?“这些都不是地球的完美表述。”崔帕提说,“但我们能用过去的气候反应来更好地理解地球温度对于温室气体含量的敏感度。”
　　人们把大气中的二氧化碳浓度翻番而导致的地球温度的增量称之为“气候敏感度”,所有的一切都取决于这一数据。当我们向大气中排放更多的二氧化碳时,更高的地球气候敏感度意味着,更高的气温和海平面将上升,这对我们的文明和生态系统会造成更大的干扰。
　　“如果有人想要反驳二氧化碳对气候的影响,那么他们应该去关注气候敏感度的高低。”耶鲁大学的马克•帕加尼(Mark Pagani)说。
　　
　　越来越敏感的地球
　　
　　大气物理学告诉我们,大气中的二氧化碳含量每一次翻番,地球的温度都会上升1℃。理想情况下,如果地球上的所有事物都不发生变化,大气中二氧化碳的含量从280ppm上升到560ppm时,地球的温度上升1℃,从280ppm上升到1120ppm,地球的温度上升2℃。
　　但实际上,当我们所处的星球的温度升高时,一切会发生改变。比如,当大气的温度升高时,它会保有更多的水蒸气―一种潜在的温室气体,让地球的温度升得更高。全球变暖还会降低星球被海冰覆盖的面积,这就意味着更少的能量被反射回天空,这又会导致变暖的进一步加剧。
　　考虑到以上反应,联合国政府间气候变化问题研究小组(IPCC),根据气候模型推导,到2100年,全球气温将升高2摄氏度到4.5摄氏度,而全球的海平面将上升0.5米到1.4米。
　　不幸的是,在某种意义上,这个数据可能具有误导性,导致这个数据出现偏差的因素不仅仅是气候模式的不确定性,更深层的问题是,当前的气候模型只包括地球在变暖过程中马上会显现出来的效应。一些要过上几十年甚至一个世纪才会显现出来的效应,比如陆地上冰川的面积(相对于海冰),就被遗忘了。
　　所以,真实的气候敏感度,或者称之为地球的敏感度比我们先前预想的要更加强烈,因为现有的气候模型不够精密,没有包含那些长期的、慢性的影响。想要了解地球系统的敏感度,唯一的方法就是,回顾过去的岁月里二氧化碳含量的增加带来的变化。罗耶和他的同事根据过去的二氧化碳的重塑影响,对过去4亿年间地球的敏感性作了一个大概的评估。他们的结论是,大气中二氧化碳的含量每一次翻番,地球的温度都会上升3℃。
　　宾夕法尼亚州立大学的理查德•艾里(Richard Alley)说,“如果认为大气中二氧化碳的浓度翻番时,地球温度只会上升1℃未免太乐观了,但如果推导出地球温度会升高11℃,那也太高了,3℃应该是比较合理的数字。”
　　罗耶的观点也有一些问题,那就是气候的敏感度并不总是持续的。它们不时显现――在冰川期的末期,冰川开始膨胀,只要一点点温度的升高,就会带来夸张的全球变暖。如果没有大型冰川的参与,气候的敏感性会降低很多。
　　为了获得更加精确的结论,研究人员回顾了历史上和当前非常类似的时期。这个时期是早期的上新世,大概是450万年以前,那时候大气中的二氧化碳的浓度是400ppm――只比现在的二氧化碳浓度高一点儿――然而,地球的温度却比现在高3℃,还有更小面积的冰川和更高的海平面,高达25米。
　　最近有关中新世的研究发现,当时地球系统的敏感度是,大气中的二氧化碳每增加一倍,地球温度就上升4.5℃。另一项研究,由帕加尼和他的同事完成,使用了另外一套完全不同的方法,发现大气中的二氧化碳每增加一倍,地球温度就上升7℃。
　　还有一些研究同样也指出,地球的敏感度比现有的气候模型预测的要高得多。这并不是意味着,到2100年,地球一定会比我们原先预测的要炎热。一些关于过去的气候变化的研究透露,许多个世纪以后,二氧化碳对气候的影响仍然会存在。它提出,在达到根据现有的气候模型预期的最高温度之后,地球还会在很长一段时间内持续炎热,如果二氧化碳的含量仍热保持在高位的话。“如果地球确实有很高的敏感性,它会承受更多的压力。”罗耶说。
　　所以,二氧化碳仍然是影响这个星球气候的最重要的因素。如果我们人类的活动导致二氧化碳含量的翻倍,可以预期的是,地球的温度将会在短期内上升3℃,并且在未来的几个世纪内继续攀升。

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