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翻转的海洋会在后天引起气候的翻转吗? 精选

已有 5929 次阅读 2023-8-16 12:35 |系统分类:观点评述

翻转的海洋会在后天引起气候的翻转吗?

    [ 提要

         (1)适合人类生存的气候条件绝非恒久不变的常态,在很大程度上恰恰可能只是个例外,完全没有理由理所当然地想象它能长久持续下去;

         (2)气候突变实则是气候的常态,是不可避免的惊奇,是“灰犀牛”,而不是“黑天鹅”;

         (3)AMOC变弱甚至关闭是真实存在的危险,但未必马上就会发生。我们对之了解还少,最大的危险莫过于在大雾中行驶,偏偏还要闭上眼睛;

         (4)双碳战略有更长远的意义。

[修改后的稿件发表在文汇报2023年8月14日科技版,此为改正了讹误的原稿]

尚未过去的2023年夏天,全球各地传来极端天气和气候的消息:今年夏天为有记录以来最炎热的夏天,加拿大的森林大火已经持续数月,七月份我国包括北京在内的北方地区在持续40度以上高温以后,于7月29日到8月1日刚刚发生了京津冀暴雨并导致了京西门头沟区和河北涿州等地的洪灾,联合国秘书长古特雷斯宣布“全球变暖时代已经结束,全球沸腾时代已经到来”。当人们满怀焦虑地听着看着种种极端天气和气候现象的消息和图像的时候,《自然-通讯》杂志于7月25日在线发表了一篇文章,更给人们焦灼的心里投入了一颗重磅炸弹。这篇文章单凭其标题《对即将崩溃的大西洋经向翻转环流的警告》就足以惊悚世人。文章的主要结论是大西洋经向翻转环流(AMOC)将于本世纪中叶(2050年,95%显著区间为2025年-2095年)崩溃。但政府间气候变化专门委员会(IPCC)最近的报告则认为AMOC不太可能在本世纪内崩溃。而在2021年8月《自然》杂志则曾发表德国波茨坦气候影响研究所气候学家尼古拉 斯·波尔斯的文章,指出AMOC正在接近其临界点,并且突然关闭的可能性越来越大。这些相互矛盾的结论令人莫衷一是,也难免不让人怀疑那些警告或许只是一部分人狼来了的炒作,反而让人因为失去信任而放松了本应该保持的警惕。

那么究竟什么是AMOC?为什么它对气候变化这么重要?科学界对它的认识有那些共识,争议又在哪里?我们有必要对这些问题做深入的探究,才能透过喧哗和骚动的迷雾,通过对AMOC过去、现在和未来变化的客观、理性和冷静的认识,采取建立在科学认识基础上的有力行动,避免灾害性后果的发生。因此,本文将在大量科学文献调研基础上,以一种通俗易懂的方式介绍人类关于AMOC的认识在过去两百多年来的演变,以及现在我们对AMOC及其和气候变化认识的方方面面。在此基础上,我们才有可能进一步理解现在采取应对气候变化措施的必要性,而这些措施(包括双碳战略)的意义还没有得到充分的认识,因为就我有限的知识,还没有看到过相关的报道。

从二百七十多年前黑奴贸易船上的一次深海测量说起

十八世纪中叶正是欧州国家从事罪恶的黑奴贸易,从非洲贩运黑人奴隶到欧洲和美洲的盛期。1751年的一天,英国从事黑奴贸易的船只哈利法克斯伯爵号的船长亨利 埃利斯给一位名叫斯蒂芬 黑尔斯的牧师写信,描述了他在热带大西洋上的一次深海温度测量。正是这位黑尔斯牧师给他设计提供了船上使用的桶式海水测深器。虽然这个测深器只是一个家常用桶,但在顶部和底部加了活门调节阀。当桶在海里下沉的时候,活门打开,但当桶上升的时候,活门就会关闭。这样就可以提取不同深度的海水上来。这位船长还在桶里装上了温度计,把测深器固定在测深索上放到海里从110米(360英尺)到1629米(5346英尺)的不同深度提取海水,测得其温度。他发现从110米到1189米(3900英尺)深处以上海水温度随深度逐渐下降,但到1189米深处海水温度很快就降到摄氏11.7度(华氏53度),而继续往下到1629米深处,温度未见有进一步下降。而当时洋面上的温度是摄氏28.9度(华氏84度)。黑尔斯牧师把这封信转交给了伦敦皇家学会保存,而埃利斯船长似乎后来也没有再做进一步的测量,更不可能意识到他的这次测量在科学上的意义。在信里他只提到了用桶式测深器提取的深海冷水给他们在炎热的海上带来的洗冷水澡和冷却葡萄酒的快乐。

一直要到1797年物理学家伦福德伯爵才在一篇名为“流体中热的传播”的文章中从他用液体做的对流实验中推测在海洋深层中有从极地向赤道的流动,并在1800年考虑其在自然中的作用的一篇文章里,他明确引用埃利斯的测量数据来证明深海必定存在从极地到赤道的流动。随后通过德国科学家洪堡的推广和物理学家楞次等一系列科学家的不断研究和探索,大西洋经向翻转环流(AMOC)的图像逐步建立起来,并在二十世纪五十年代末和六十年代初由物理海洋学家斯托梅尔和他的合作者建立了全球海洋深层环流的理论模型。作为地球主要的海洋环流系统之一, AMOC能将温暖而偏咸的海水从低纬度向北极方向输送。在到达高纬度以后,因为冷却作用和海表面大量蒸发,上层海水温度降低但盐度增加,因而海水的密度增加,并在拉布拉多海和北欧海等处下沉。然后深层冷水主要沿着北大西洋西部底部掉头向南,一直要到南半球的南大洋,通过复杂的海洋动力过程上升到海洋的近表层,再往北流,并形成一个闭合的环流圈。

气候突变:不可避免的惊奇

“人猿相揖别。只几个石头磨过,小儿时节。铜铁炉中翻火焰,为问何时猜得?不过几千寒热。”(毛泽东《贺新郎 咏史》)人类文明几千年的历史如果放到地球数十亿年的演变历史背景中看,不过短短一瞬。即使放到过去百万年间历次冰期和间冰期的旋回,“几千寒热”也不过是很短的一段插曲。事实上,从气候的演变上看,虽然过去5千年中有竺可桢先生在《中国近五千年气候变迁的初步研究》中所描写的上下起伏,在过去1千年中有中世纪暖期和小冰期的交互嬗变以及带来“流遍郊原血”的杀伐战争,总体上人类文明快速发展的这五千年是在温度最为适宜的全新世气候条件下实现的。其实哪怕我们不把目光放到数十万年和数百万年那样遥远的过去,而只把人类“小儿时节”的这“几千寒热”放到过去八万年的历史背景中看,就很容易理解适合人类生存的气候条件绝非恒久不变的气候常态,在很大程度上恰恰可能只是个例外,完全没有理由理所当然地想象它能长久持续下去的。之所以放到八万年背景看,是因为从上世纪80年代以来通过格陵兰冰芯和我国南京石笋等古气候观测手段,我们对这八万年间全球不同地方气候的演变已经有了相当详细的了解。

在这八万年间,从万年时间尺度上看地球气候经历了最近一次冰期在1.7-2.2万年前的末次冰盛期(LGM)向间冰期全新世温暖气候的转折。但同时在这八万年间又充满了千年尺度气温的上下起伏和振荡。这些被称为D-O旋回的千年尺度冷暖气候交替除了能在北极地区引起10度以上的温度变化,还能导致整个北半球气候的变化。但是过去8万年中数十次的D-O旋回并不是均匀的缓慢变化,而是以在短短几十年里从寒冷状态(称为冰阶)突然增暖到温暖状态(称为间冰阶)开始,然后经过相对缓慢的降温,再到一个几十年内的突然大幅降温重新回到冰阶状态而结束。这些发生在几十年间气候的突然翻转被称为气候突变,现在人们广泛认识到气候突变实在是气候的常态,是不可避免的惊奇,是“灰犀牛”,而不是“黑天鹅”

在离人类文明最近的从末次冰盛期到全新世气候转变的这1万多年里,最近的一次类似冰阶但程度轻微得多的冷事件是发生在1万2千多年前并持续了1千多年的新仙女木事件。 新仙女木事件的发生正值地球表面气温上升的冰消期,地球上的生命开始重新繁茂,突如其来的的变冷导致很多物种的灭绝,而人类通过工具的使用,学会了钻木取火,终于通过严寒的考验,迎来了近五千年来文明的发展。

但既然在过去几万年间这样冷暖气候的突然翻转(气候突变)是发生了数十次的历史常态,虽然最近一万年来未曾发生这样严重的突变,但谁又能保证在未来不会再次发生?谁又能知道这样的突然变冷会在何时发生?

气候系统的阿喀琉斯之踵:AMOC和气候突变的关系

从上世纪四十年代开始,传统的气象学和海洋学都经历了突飞猛进的发展,分别在大气环流和海洋环流的认识上初步建立了符合物理学基本规律的理论模型,并开始了对它们的数值模拟和计算,甚至在五十年代后期开始了建立气候模式的大胆尝试,获得2021年诺贝尔物理学奖的真锅淑郎正是因此而开始了他的研究生涯。当时科学家们已经认识到气候是大气和海洋耦合起来运动的产物。同时观测技术和手段的进步也使人们对大气和海洋运动的认识更加全面和深入。到上世纪七十年代中叶,人们进一步认识到我们每一个人都能感受到的气候实则是由大气圈、海洋、陆地、冰冻圈相互影响的结果,提出了由这些圈层及其相互作用构成的气候系统的重要概念。包括中国科学家在内的国际科学界并进一步在八十年代在气候系统基础上加入生物圈提出了地球系统的概念,认为地球上不同地方的气候变化并不是孤立的现象,而是通过地球系统各个圈层之间的耦合作用而存在内在的联系,并在此认识基础上开始了国际性的全球变化研究。

正是在此历史背景下,从格陵兰冰芯、黄土等不同资料中观测的气候突变现象得到了全球性的关注。除了北极地区,气候突变现象也出现在其他地方,比如中国科学家叶笃正带领其学生和同事研究了从北非、南亚一直到我国华北的季风带的突变现象。同时最早在六十年代的理论研究中和八十年代耦合气候系统的模拟研究中,斯托梅尔和真锅淑郎等科学家提出了AMOC(当时被称为温盐环流)存在两个或以上的平衡态。 而在不同AMOC平衡态之间的转换则和北半球甚至全球气候状态的转换相联系。比如当北半球或全球变暖时,一方面海水温度上升会引起海水变轻,另一方面由于极地海冰和陆地冰盖的融化以及降水的增加,上层海水进一步变淡。这样综合起来的作用,在高纬度的上层海水的下沉就会变得更弱,到不了海洋的深层,从而AMOC就会变浅、变浅,甚至消失。伴随着AMOC的这种变化,并通过气候系统内部的反馈和调整导致北半球乃至全球性的气候变冷。

古气候观测和气候模拟和动力学理论研究的有机结合,促使美国科学家Wallace Broecker于1991年提出了非常概略性但形象生动的全球海洋输运带概念图,并于1997年在《Science》杂志上撰文指 温盐环流(AMOC是主要部分之一)是气候系统的阿喀琉斯之踵,温室气体的持续增加可能触发新一次的气候突变,而当地球上的人口达到110-160亿的时候(现在已经超过80亿!),这样的气候突变将给人类带来极大危险。而几乎在同时的上世纪末和本世纪初,科学家进一步提炼了AMOC可能存在的几种模态特征。 

共识与争议

自从Broecker提出“气候系统的阿喀琉斯之踵”说法之后,三十多年时间已经过去。在这三十多年中,人类第一次真正建立了对AMOC的连续观测,得到了过去近三十年中AMOC动态变化的特征,对其时空结构和物理规律有了更多更新的认识。同时全球性的古气候观测提供了不同时间尺度上更多气候突变的资料,尤其是关于热带季风和赤道辐合带降水的特征。近几年的科学文献表明,国际科学界对上述AMOC和气候突变的关系有了更多共识,但也还有一些争议。

重要的共识包括:(1)气候突变并不单单发生在极地,而是半球乃至全球性的气候现象。不同地区的变化和现有的气候理论认识是基本符合的;(2)AMOC的多模态特征和气候突变之间有很好的对应关系,两者之间的联系是真实的,而且与古气候观测和气候系统的理论计算相符合;(3)温室气体增加导致的全球变暖会导致AMOC的减弱。

还存在的争议主要包括:(1)AMOC的减弱甚至关闭是否气候突变的唯一或主要因素?(2)全球变暖导致的AMOC减弱会不会进一步发展成AMOC的全部关闭?(3)如果AMOC确实会关闭,关闭会不会在本世纪发生?

下面但就正被热议的第三个争议(问题)做进一步的分析。

“AMOC是否会在本世纪部分或全部关闭”可能是一个误导性的争议

过去近20年的AMOC直接观测表明AMOC的强度每年都有不同,但变化幅度一般不超过20%。而且由于观测时间太短,还不足于观察到由于全球变暖而导致的强度减弱。但从现有的观测到的AMOC强度看,政府间气候变化专门委员会的结论更加可能,也就是说AMOC虽然会减弱,但可能不会在本世纪内关闭。由于这一问题的重要性,对AMOC开展长期稳定的检测是至关重要的。从2014年到最近的直接观测数据看,AMOC至今还保持着较高的强度,并没有很快崩溃的迹象。但从气候突变的角度来说,既然是突变,就不能用线性的趋势来外推,所以AMOC在本世纪内关闭的可能性也不能完全被排除。

但我们可以换一个角度看待被热炒的AMOC会在本世纪内崩溃的可能。由于电影《后天》和很多新闻媒体的报道,大家普遍接受AMOC崩溃可能带来的灾害性后果。如果真的在本世纪内就发生了,那么这就是一个迫在眉睫的危险,有利于让大家取得共识,立刻采取减缓气候变化行动来阻止灾难性后天的发生。但反过来说,如果AMOC崩溃并不是这样迫在眉睫的危险,在本世纪内并没有发生,那么过于夸张的渲染也会导致人们的不信任,而真正的危险却被忽视了。 

真正的危险并不在于AMOC的崩溃会很快就会发生,而在于它很可能发生,而它发生的时间越晚,其危害程度越高。这是因为地球人口的进一步增长,AMOC崩溃的晚发生尽管看起来不是一个迫在眉睫的危险,气候突变导致的粮食减产和极端天气造成的损失会变得更加严重。

所以说,在几乎可以确认全球变暖对AMOC减弱作用的前提下,无论AMOC关闭会不会在本世纪内发生,都需要人类立刻且持久的减缓气候变化的行动,因为AMOC的关闭是一个真实存在的危险:要不迫在眉睫,要不为害更大。

从气候突变角度看双碳战略的另外意义

全球变暖本身会带来气候的灾害,比如海平面上升和现在人们正在感受的极端天气和气候,双碳战略作为减缓气候变化的关键措施,其意义不言而喻。但如果考虑到气候突变(尤其是突然变冷的前景),双碳战略具有更多的意义。

地球气候的历史告诉我们,作为自然规律的寒冷气候,无论是下一次的冰期,或者是D-O旋回中的气候突然变冷终会再次发生,这是人类意志所不能阻挡,而只能适应或调节之的。但我们需要记得,藏在地下的石油和煤炭是地球演化千万年乃至上亿年的产物。按现在的消耗方式,人类可以在短短几百年里把它们消费殆尽,并给气候带来巨大可知和不可知的风险和危害。但现在的双碳战略和减排措施,能让节省下来的石油和煤炭继续深藏地下。当寒冷气候不可避免的再次来临时,再利用储藏在地底的石油和煤炭排放二氧化碳到大气中,那时的温室效应引起的将不是全球变暖的担忧,而是减轻全球寒冷的喜悦。所以双碳战略的意义,除了减缓气候变暖,也为后世多一份调节寒冷气候的工具和手段。为子孙福,不也善哉?


文汇报科技版相关链接:

https://www.whb.cn/zhuzhan/kjwz/20230814/534646.html

https://www.whb.cn/zhuzhan/kjwz/20230814/534647.html





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