气候变化是不可逆的么?-深度-知识分子

气候变化是不可逆的么?

4天前
导读
如果气候变化可逆,我们还需要担心啥?

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撰文 | 唐自华(中国科学院地质与地球物理研究所)


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气候本身就有韵律。如果气候变化可逆,我们还需要担心啥?


1. 气候变化是可逆的吗?


去问古气候学专业的研究生,第一反应的答案都会是:可逆。


毕竟冰期-间冰期旋回是过去几百万年气候变化的主旋律。米兰科维奇在1920年代准确计算了北纬65°的夏季太阳辐射变化。这个由地球公转轨道参数决定的微弱变化,通过地球气候系统的放大和传递,可以解释过去几百万年甚至上亿年气候的周期变化。这是与板块构造并列的地球科学主要成就。


我们可以从海洋沉积、冰芯、黄土以及石笋中观察到2万年、4万年、10万年等不同周期,都与地球公转轨道参数有关:理论上可预测、数学上可解、物理上可追溯。


有周期,当然可逆。


那一万年以内呢?


也有周期。多年前,北大西洋地区就发现气候有1500年左右的周期。最近,我的同事在中国东北的湖泊记录中不仅检出了500年气候周期(Wu et al., 2019; Xu et al., 2019),还发现人类活动与气候密切相关。相似的情形也出现在埃及。


著名社会学家 Andre Gunder Frank(1993)主张,从青铜时代开始,世界政治经济体系就存在以500年为周期涨落。他甚至把同步参与500年经济周期的区域定义为世界体系的范围。


2. 如果只关注过去100多年的气候变化,还可以逆转吗?


这是一个很严肃的问题。


先要看这100多年的气候变化在历史上的地位,再看这些变化后续反应如何。


IPCC 最新的评估报告(AR5)确认,1880-2012年间地球温度升高了0.85°C,而且1951-2010年的全球变暖一半以上是由人类活动导致的。在可能影响地球温度的人类活动中,最重要的是排放CO2。1880-2012年间,大气CO2浓度从280上升到391ppmv。


从幅度上看,不足1°C的变暖在地球历史中不值一提。但CO2浓度增加对温度的影响还没有完全显现。2019年12月2日,气候变化大会开幕的当天,CO2浓度为410.9ppmv。稍早前的5月15日,CO2浓度一度达到415.64ppmv。而从冰芯气泡中直接测量的CO2浓度在过去80万年里从未超过300ppmv,间冰期甚至不足180ppmv。大气CO2上次达到400ppmv还是在300万年前。


[视频:2分钟看尽80万年CO2浓度变化
https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/history.html]


IPCC 第四次评估报告中曾把PETM事件与当前人为变暖和相比较。PETM事件发生在距今5600万年前,是恐龙灭绝以来唯一确定由温室气体导致的全球增温事件,事件中温室气体排放量与工业革命到21世纪末人类活动排放的CO2总量相当。但是,该事件持续约15万年,开始阶段至少持续1万年。据估计,PETM事件发生时温室气体排放速率不到目前人为排放的1/10 (Cui et al., 2011)

 
寒武纪以来地球温度历史(注意横坐标单位,分段线性坐标。来源:wiki)https://en.wikipedia.org/wiki/Geologic_temperature_record


如果进一步考虑未来趋势,人类照常使用化石燃料(图中RCP8.5场景),大气CO2浓度可能在2250年达到峰值,约2000ppmv,与2亿多年前的三叠纪时期相当。如果地球化石燃料储量耗尽(图中Wink12K场景),大气CO2浓度在2400年可能达到5000ppmv,明显高于过去4亿年里的任何时间(Foster et al., 2017)


CO2浓度的时间演化


简单地说,人类对气候系统的影响,仅就CO2来说,目前浓度已经超过过去300万年的水平,增长速度至少超过过去5600万年,而未来可能突破过去4亿年里的最高水平。


诺贝尔化学奖得主Paul Crutzen提出用 “人类世(Anthropocene)”描述人类广泛且深刻影响地球的时代。汪品先院士指出:“人类世”的意义在于打破了地球科学的时空界限。仅用数十年,人类社会对地球系统的影响程度就超过了亿万年的自然演化。


3. 那,现在气候变化是不可逆么?


很难逆转。


人为温室气体排放已经导致气候系统所有组成部分发生变化。IPCC AR5 扼要列举了已经观测到的气候系统变化,包括:地球所有区域和对流层内都显著变暖,水循环强度增加,极端天气频率增加,海洋上层变暖且变暖速度正在加快,冰盖和冰川持续损失、海平面上升以及海洋酸化。


我们每一天都在面对史无前例的气候变化,严格地说,没有相似形可以套用(Haywood et al., 2011)。即使如此,古气候研究仍然为全面评价气候变化趋势和机制提供了有意义的借鉴。


1988年,IPCC成立前夕,古气候学者从深海沉积中首次发现了气候突变(Heinrich, 1988),推出了气候系统“阈值”概念。地球系统学者认为,突变不仅局限于气候状态,而且转变不一定同步,更倾向于使用临界要素”tipping elements”和临界点“tipping point”来描述。临界要素通常要有一个与人类活动有关的控制参数,突破临界点后要素状态发生本质变化,并对人类有重要影响。


由英国丁达尔气候变化研究中心的 Timothy Lenton (2008)领衔编制了一份临界要素清单,并评估了它们的临界点在哪里,试图通过建立早期预警系统来检测某些临界点的接近程度。


地球气候系统的临界要素(Lenton et al., 2008)


这些临界要素的控制参数、到达临界点所需的升温幅度、转变速率以及影响各不相同。临界要素之间还存在级联效应:打破某一要素,可能导致一系列临界要素不断被打破,引发更严重的环境灾难。


临界要素级联(Steffen et al., 2018)


紧接着,美国环境化学家 Susan Solomon 团队(2009)评估了CO2停止排放后,大气温度、水文循环以及海平面变化,认为千年尺度上CO2排放导致的气候变化是不可逆的。这让气候变化的威胁立刻变得严峻起来。


最近几年,几乎所有的气候变化预警都是围绕临界要素展开,亚马逊雨林、格陵兰冰盖、温盐环流更是屡屡成为新闻焦点。今年11月27日,距离世界气候变化大会开幕不足一周,临界要素的提出者 Timothy Lenton (2019)教授在 Nature 发表评论,指出:多个临界要素已经逼近临界点,包括亚马逊森林受到广泛破坏、北极海冰减少、珊瑚礁大规模死去、格陵兰和西南极冰盖融化等,迫在眉睫的是要确认我们是否正在逼近将导形成“热室地球”的临界点全球级联。


临界要素警报拉响(Lenton et al., 2019)


“热室”是国际地圈-生物圈研究计划前主席 Will Steffen (2018)用来描述人类世地球气候的可能场景之一:人类继续排放温室气体,导致地球持续高温。他认为:过去半个世纪,人类世的地球系统正快速脱离冰期-间冰期自然波动。当前已经比工业革命前升温1°C,大气CO2浓度超过第四纪所有冰期旋回。有理由相信,地球系统已经通过了可能演化路径中的三岔路口,任何微小的波动都能使地球跳出下一个冰期旋回,沦入热室地球,发生不可逆的气候变化。


人类世地球系统演化路径(Steffen et al., 2018)


4. 全球动员,精诚合作,才有一线希望


人类社会必须在热室状态和冰期-间冰期旋回之间找到一种新的 “企稳地球路径(stabilized earth trajectory)”:在比工业革命前升温两度以内的条件下,竭力维持稳定。必须指出,“企稳地球”已经激活了某些临界要素,某些关键生物群区的非线性过程和快速变化随时可能发生。这不是地球的固有状态,人类必须为之付出极大代价才能避免地球系统越过阈值,需要精心筹划以减少对地球的不利影响,有效监测、改变行为来形成反馈循环。人类社会还必须增强系统的回复能力,包括保障、缓冲、冗余、多样性等。

目前,社会经济体系仍以高碳经济增长和开发性资源利用为基础,温室气体减排在全球范围内乏善可陈。要避免热室地球,不仅需要对行为、技术以及创新、治理和价值观进行根本变革,更需要国际社会合作构建共同价值观、原则和框架来支持变革。从根本上说,实现企稳地球需要在地球系统水平上重新定位和构建国内和国际体制。


这些变革才刚刚起步,地球系统尽管还没有越过热室地球的临界点,但是企稳地球的大门可能很快就会关上。只有意识到人类是地球系统的一部分,竭尽全力去维护和改善人类社会与地球系统的关系,才有望减缓气候变化速率,甚至逆转气候变化趋势。

参考文献:

Cui, Y., et al., 2011, Slow release of fossil carbon during the Palaeocene-Eocene Thermal Maximum: Nature Geoscience, v. 4, no. 7, p. 481.

Foster, G. L., et al., 2017, Future climate forcing potentially without precedent in the last 420 million years: Nature Communications, v. 8, p. 14845.

Xu, D., et al., 2019, Synchronous 500-year oscillations of monsoon climate and human activity in Northeast Asia: Nature Communications, v. 10, no. 1, p. 1-10.

Frank, A. G., 1993, The World System: 500 or 5000 Years?, Routledge.

Haywood, A. M., et al., 2011, Are there pre-Quaternary geological analogues for a future greenhouse warming?: Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, v. 369, p. 933-956.

Heinrich, H., 1988, Origin and consequences of cyclic ice rafting in the Northeast Atlantic Ocean during the past 130,000 years: Quaternary Research, v. 29, p. 142-152.

Lapola, D. M., et al., 2018, Limiting the high impacts of Amazon forest dieback with no-regrets science and policy action: PNAS, v. 115, no. 46, p. 11671-11679.

Lenton, T. M., et al., 2008, Tipping elements in the Earth’s climate system: PNAS, v. 105, no. 6, p. 1786-1793.

Lenton, T. M., et al., 2019, Climate tipping points — too risky to bet against: Nature, v. 575, p. 592-595.

Pattyn, F., et al., 2018, The Greenland and Antarctic ice sheets under 1.5 C global warming: Nature Climate Change, v. 8, no. 12, p. 1053-1061.

Solomon, S., et al., 2009, Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions: PNAS, v. 106, no. 6, p. 1704-1709.

Steffen, W., et al., 2018, Trajectories of the Earth System in the Anthropocene: PNAS, v. 115, no. 33, p. 8252-8259.

Wu, J., et al., 2019, Shrinkage of East Asia Winter Monsoon associated with increased ENSO events since the Mid-Holocene: Journal of Geophysical Research: Atmospheres, v. 124, no. 7, p. 3839-3848.

Xu, D., et al., 2019, Synchronous 500-year oscillations of monsoon climate and human activity in Northeast Asia: Nature Communications, v. 10, no. 1, p. 1-10.


制版编辑 | 皮皮鱼
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