地球气候变化:影响因素及趋势

 

 

人类一直来都非常关心地球上的气候变化.尤其是近二十年来,关于二氧化碳的排放引发地球温室效应而变暖的言论成为气候变化问题的注意中心,是多数人关注的重点.

但是,把地球气候的变化仅仅归咎于碳排放,不免有失于片面.甚至碳排放也许不是影响气候的主要因素,如果我们考虑未来几百年的气候变化趋势的话.

实际上,很多因素影响地球气候的变化及其变化趋势,包括人类自身的活动.对于这些影响因素,不同的视角会有不同的看法,会得到不同的结果.就我们来讲,希望能够从一种全面的,能看到本质性问题的角度来研究地球气候的变化,由此能分出一些独立的影响因素,从而也能推测其发展趋势.本文就准备在这方面提出一种新的思路.当然,要对这样的想法作出深入的定量分析及预测,还需要大量的观测数据,这不是一个小问题.

   

     就地球气候而言,其相关的影响范围为地球的大气圈,水圈,岩石圈和生物圈,其中岩石圈中与气候相关的仅仅是地面浅表的部分. 我们把前三圈及岩石圈的相关部分通称为地球的表面层.

     影响地球气候变化的最本质的原因是表面层内的能量变化.表面层的能量维持着它本身的温度,致使大气圈和水圈之间的水气交换,驱动大气气流和海洋洋流的流动.这个能量的大小直接影响到上述各种运动变化的状态和强度.

我们把地球表面层作为一个系统,探讨其中的能量进出情形.以一年为周期,地球表面层内的能量变化可以用下列关系式表出:

                  E_res =E_sun + E_in+ E_bio+E_atm -E_out -E_trs

其中

E_res为表面层内的能量剩余值;

E_sun为太阳辐射到地球表面层的能量;

E_in为地球内部传递到表面层的能量,如地震火山爆发等,在现阶段,这部分能量相对微小,可以不计;

E_bio为石油煤等生物化石燃料以及(非当年的)树木等生物燃料燃烧后所释放的能量;

为人类利用核能所释放的能量;

E_out为地球向外太空所释放的能量,这部分的能量主要是通过辐射散发的;

E_trs为太阳的辐射能及其它能量经直接或间接转化后成为可以较长时间储存的能量,如树木等生物体,以及人类利用电能等经化学变化转化成一些高能量的化学物质.

     (这里,我们不考虑在一段长时间内不变的一些其它的影响因素,如月球的潮汐力所引起的能量变化.)

     一般,上述式子右边的四个输入量中,起决定性作用的因素是太阳的辐射能E_sun ,它的数值远大于其它三个量.而在后两个输出量中,地球向外太空散发的能量Eout 的变化是一个值得注意的量,近年来为众多人们所议论的”碳排放”就影响它的变化.另一个输出量 E_trs在现在还是一个很难估计的量,但我们可以认为在一段不长的时间内(例如,几十年),它基本保持不变,是一个常数.

 

地球表面层的年剩余能量E_res 决定地球气候的变化趋势.这些能量的大部分(或者说,某一大致固定的比例)最终以热量的形式影响地球表面层.

一般而言,在一段不长的时间内,剩余能量E_res 在一个平均值附近波动.这个平均能量值用于维持表面层的温度,以及大气圈水圈的流动等.但具体到每一年,剩余能量E_res与平均值的差就反映了地球气候的变化.很明显,当剩余能量多的时候,地球表面层变暖;当剩余能量少的时候,地球表面层变冷. 剩余能量越多,给予大气圈水圈的驱动力也就越大,地球上灾害性天气的频度和破坏力就越高.

 

根据上述的地球表面层能量关系式,我们可以研究关系式右边的六个能量因素的变化来推测地球气候的变化趋势.

太阳到地球表面的辐射能E_sun 可以看成是常量.当然,它也有一些微小的周期性的波动,对这些微小波动的定量的测试和估算是一项更细致的工作.

从地球内部因地震火山等释放到表面层的能量E_in 相对比较小,可以不计.

人类的活动所消耗的能量E_bio 和E_atm 将是影响气候的重要因素.

能量E_bio 是过去年代所积累的太阳能的释放,现在主要是石油和煤等化石能源的燃烧和使用，以及木材等生物体的燃烧和分解.这种过程，一方面,它们在使用过程中释放出能量;另一方面,它们在燃烧时产生二氧化碳,形成所谓的”碳排放”的温室效应问题.这种能量的大小受储量的限制,虽然每年都在增加,但还是有一定限度的.

能量E_atm 是一种新的不属于太阳能的人工释放能源.虽然现在它们与太阳辐射能比较起来还很小,但随着地球人口的增加,尤其是人类社会科学技术的飞速发展,人类对能量的需求也急剧膨胀.而且，一旦人类掌握了可控热核聚变,能量E_atm 将会达到与太阳到地球表面的辐射能 可以比较的量级. 如果这种能量在地球表面层内使用,将会对剩余能量 有很明显的影响.那时候将会对气候产生显著的甚至是非常可怕的后果.

地球向外太空的辐射能E_out 对气候有直接的影响.现在一般的说法是,二氧化碳等温室气体的大量排放减缓了地球的外辐射能的流失,导致气候变暖.这方面已经有大量的论述.此外,地球表面不同的构造,如森林,沙漠,海洋等,对太阳辐射的吸收和反射也不同,从而影响到 的散发.还有要注意的是,当地球表面层温度升高时,外辐射能 也会增大.

转化能E_trs 现在还是很难估计.不过,大面积的森林可以把当年的太阳辐射储存起来,延缓能量的释放,降低当年表面层的剩余能量E_res .

  

 基于上面的分析,我们有下面一些结论.

地球表面层的能量剩余值决定地球的气候变化.前述的表面层能量关系式表明了影响气候的一些主要因素.温室气体的排放只是其中一个因素的一小部分.

地球表面层剩余能E_res量的增加不仅会导致气温的升高,而且会使得局部灾害性天气的破坏力的量级提高.由于地球表面层结构的复杂性,剩余能量的增加还会使温度变化的振幅增大,出现超过历史记录的暴热暴冷的极端性恶劣天气.

由于地球人口的不断增加,人类生活富裕水平的持续提高,因而对能源数量的需求也快速增长.人类将试图掌握越来越大量级的能源.这将严重影响地球大气的温度变化.如果这样的思维不改变,地球气温升高的总趋势将不可避免.

    非太阳能(及其转化)能源的开发和使用必须谨慎小心.例如人类现在大规模兴建的核电站及正在大力研究的可控热核聚变.虽然它们现在的数量与地球表面太阳辐射能相比还很微小,但由于它们是未来的主要能源,所以这方面的变化趋势应该引起大家的高度注意.

在现在的条件下,延缓大气温度的升高可能也只有下述几种方法:控制人口增长及人均能源消耗的增长;大面积地营造森林; 节省石油等能源的消耗,限制核电站的总功率,要尽可能地使用太阳能,风能和水能及其所转化的电能.

 

能量关系式给出了地球表面层各种能量之间的相互关系.要深入研究它们之间的这种相互关系,就必须对这些能量值作出定量的检测和估计.按照目前的科学技术水平,我们完全有可能对太阳到地球的辐射能 和地球向外太空的辐射能 作出较准确的测量,也可对其它的一些能量作估计.只有准确地得到它们的变化数据,才能对未来地球气候的变化趋势作出更加正确细致的判断和结论.

 

 

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