主题：【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？一 IPCC评估报告 -- 橡树村
大家最关心的就是二氧化碳，咱就先讲二氧化碳。AR4的第一工作组技术摘要TS2.1.1节里面，对于大气中二氧化碳浓度变化的描述是：
讲浓度变化，就要先看看这个浓度测量的历史。人类测量大气中的二氧化碳浓度的年头也不算短了，在19世纪的时候就开始进行。这些不同地点、时间得到的不同的二氧化碳浓度数值，变化非常大，基本上没有规律。早在1920年代，就已经有人注意到植物的活动会影响到农村地区的大气二氧化碳浓度，而燃料使用又会影响到城市大气的二氧化碳浓度。按照现在的知识，这个结果很好理解，植物的光合作用、呼吸作用是会影响其周围地区的二氧化碳浓度，燃料燃烧排放的二氧化碳，自然也会影响城市地区的二氧化碳浓度。不过很长时间里面对与大气中二氧化碳浓度的测量的精度都不够，也缺乏系统地观察。所以这些测量的数据的可靠性是很值得怀疑的。在这种测量精度的情况下，人们是无法得知二氧化碳的浓度在不同地区是否有区别，是否有变化规律的。实际上，极少有人关心大气里面二氧化碳的问题，普遍地认为，全球范围内的二氧化碳浓度是没有什么规律的，至少，各个地方应该是很不同的。
第一篇高精度的监测大气中二氧化碳浓度的文章发表在1958年，作者是Keeling。也许有必要讲一讲Keeling的成长历程，给不务正业的人们一点信心。Keeling在伊利诺伊大学念的是化学，没念完，最后以艺术专业毕业，很神奇？尽管如此，他母亲的老邻居的孩子正在西北大学教书，还是给了他一个上研究生的机会，专业还是化学。这明显是一个学术腐败的例子。Keeling对化学还是没兴趣，选课的时候，竟然随便选了地质学。弄不懂西北大学这是怎么个学制，反正Keeling念研究生上的是地质学的课，不过还是拿到了化学的博士学位。应该说Keeling做的工作还是不错的，他的博士是关于使用中子轰击聚乙烯的，涉及到核化学和高分子化学两个分支，他的工作上了专业杂志的封面。这个时候的化学博士非常好找工作，工业界有很好的位置，聚乙烯和核化学也都是很时髦的东西，不过Keeling再也不想做化学了，拒绝了多个工作，一心一意要做地质学，最终跑到了加州理工做地质化学的博士后。
Charles D Keeling 全球气候变化研究的先驱，2005年逝世
Keeling的博士后题目是要从矿石里面提取铀，这就要砸石头，大约算是地质专业人士的基本功？他对砸石头不感兴趣，天天东游西逛，老板倒不在意，索性给他换题。这一次，他要测量与石灰岩接触的水里面的碳酸盐含量，与大气中的二氧化碳浓度比较，看有没有平衡关系。这个题目Keeling 喜欢。也就是这个题目，导致了精确测量水中和气体中二氧化碳含量的装置的出现。精度达到了测量值的千分之一，优于当时任何其他测量设备。实验室的实验做完了，Keeling就要测量真实环境的二氧化碳，他先在系里的楼顶上取样。这时候出了麻烦，得到的大气中二氧化碳的数值变化太大了。浓度变化的原因不难找，Keeling所在的Pasadena，怎么说也是个城市，周围有工业污染，有汽车，等等，这些都是二氧化碳排放源，这些都在改变着城市大气中的二氧化碳浓度。要寻找一个不受人类行为干扰的，可以作为参考的二氧化碳浓度，Keeling就需要到远离这些污染的地方测量。于是，Keeling就跑到了太平洋边上的Big Sur州立公园。在风景如画的地方工作总是令人舒心的事情，在Big Sur公园，Keeling忽发奇想，决定在每隔一两个小时就取一次样。对于Keeling所作的研究来讲，这个做法是没有什么必要的，Keeling后来也给不出这么做的原因。可能是人高兴了，总会做一些自己解释不清楚的事情。正好，同一个组里面有人在研究大气中二氧化碳中同位素的丰度，样品里面的碳同位素的丰度也就顺便测试了。这就是世界上第一个系统观测一个地区大气中二氧化碳浓度变化的试验的来源。
Big Sur State Park
Keeling的研究方向很快就证明是没前途的，水里面碳酸盐与大气中的二氧化碳几乎没关系，所以他很快就放弃了对水中碳酸盐浓度的测试。不过气体里面的二氧化碳浓度引起了Keeling的注意：二氧化碳浓度，以及碳13的丰度，是有周期性变化的。Keeling发现晚上二氧化碳的浓度要高于白天的，碳13相对碳12的比例则有相反的变化趋势。Keeling开始扩大测量范围，北到加拿大，南到墨西哥，找人迹罕至的森林去测量。这些测量导致了一个有趣的发现，下午的时候，二氧化碳浓度总是维持在310ppm，和地点无关，晚上的浓度变化非常大，并且很难找到规律。碳13的丰度，在下午也是稳定的，与地点无关，而晚上，碳13的丰度变化也很大。不过碳13的丰度与二氧化碳的浓度是有关系的。很奇怪的结果。当时的文献，说极地的二氧化碳浓度大约在150ppm，赤道附近的应该在350ppm。而Keeling的测试也跨越了不小的纬度范围，得到的最低值竟然是恒定的。然后Keeling把测试扩展到了没有森林的地方，去高山，去沙漠，甚至去大洋的深处，发现，这些没有植被的地方，二氧化碳浓度与森林地区下午的二氧化碳浓度非常一致，碳13的丰度也同样一致。这就引起了一个问题，按说，下午是光合作用旺盛的时候，应该消耗二氧化碳，这样这个时候的二氧化碳浓度，就应该低于没有光合作用的地方的数据。为什么森林这个时候的二氧化碳浓度，和荒芜之地的二氧化碳浓度一样呢？解释后来找到了。Keeling的测量都是在良好的天气情况下测得的，这个时候，经过阳光的充分照射，森林附近的气体与高处的大气有非常好的混合，这样，森林附近的气体基本上可以代表大气的二氧化碳浓度。而在夜晚，这种混合是非常不好的，在地面会有一层高浓度的二氧化碳，仅代表靠近地表附近大气的二氧化碳浓度，由于影响这层二氧化碳的因素不少，夜间观测的数值差异就很大。这就导致了一个重要的结论：大气的二氧化碳含量，在很广泛的区域内，是有一个固定值的。在Keeling进行测量的1955年，这个数值大约是310ppm。
这个发现引起了美国国家气象局的兴趣。气象局正好有测量大气中二氧化碳浓度的计划，在夏威夷刚刚建立一个观测据点可以用来观测，Keeling提议增加极地的观测点，同时在这两个地方开始使用可以连续测量二氧化碳的装置。与此同时，在多个气象观测站也开始送样测量二氧化碳浓度，包括飞机在飞行中高空取样等等。这个计划交给了Keeling主持。在夏威夷的观测从1958年三月开始，连续监测一开始就发现了二氧化碳的浓度与季节有关。二氧化碳浓度从三月份持续上升到五月份，然后开始下降，到九月份达到低谷，开始上升。这个周期性变化，在1959年完全被重复。这个变化与北半球的植物有关，春天植物的叶子增多后，光合作用加强，大气的二氧化碳浓度会降低，而秋天植物开始落叶后，光合作用减弱，二氧化碳浓度就开始上升。1961年，Keeling又建造了一套精确测量装置，这一次，精度提高到了0.1ppm。飞机取样的结果也出来了，与夏威夷的观测结果吻合，在空中同样有二氧化碳浓度的季节性变化。Keeling这个时候也发现，在北半球，这个二氧化碳年度周期波动很大，在南半球，这个波动很小。这可以用北半球植被比南半球的植被多很多来解释。夏威夷这个地方的观测，到现在还在进行，拥有最完整的连续观测记录。
早在1950年代，就有人总结了大气中二氧化碳的的浓度，认为大气中二氧化碳浓度在上升。由于当时测量的误差太大，这个结论的可靠性非常值得怀疑。不过Keeling也开始留意这个方向，所以在自己的测量计划开始的时候，就有长期监测的打算。到1961年，Keeling把新数据与自己早期的数据比较，就已经发现了二氧化碳浓度的略微上升，到1962年，连续两年多的观测，已经可以肯定这个趋势，这个时候观测到的二氧化碳浓度增加，是每个月增加0.06ppm。当然这个时间还太短，说明不了什么问题。这个趋势到1960年代后期就很明显了，1970年，大气中二氧化碳浓度已经增加到320ppm，10年增加了7个ppm，并且隐约可以看到增加的速度在变快。到1970年代末期，Keeling的这个观察终于引起了人们的重视。
大气二氧化碳浓度的变化
1980年代开始，其他人加入了观测队伍。二氧化碳监测站的数量开始增多，遍布六个大洲，数据后来也统一提交给世界气象组织建立的世界温室气体数据中心WDCGG汇总。研究也很快扩展到了一些相关的气体以及同位素的监测。有代表性的，是下面这个图。这里面显示了1970年到2005年夏威夷（北纬19度）和新西兰（南纬41度）两个观测时间最长的地点的结果。上面图里面的黑线的是夏威夷的，蓝线是新西兰的。这里面长期的上升趋势非常明显，每年的周期也很明显，并且，北半球的二氧化碳浓度年度波动明显高于南半球的波动。仔细看的话，南北半球波动的波峰波谷也是相反的，符合季节性差异的解释。这个图右下的两条线是氧气和氮气的比值的变化，也有明显的周期性和长期变化规律。下面的图的红线是大气中碳13与碳12的比例的变化，可以看到碳13的变化也是很明显的，这个解释后面谈。黑线是每年化石燃料和水泥行业排放的二氧化碳的量，单位是十亿吨碳。这里没有包括土地变更导致的碳排。这张土里面可以看出，从1960年代开始的大气二氧化碳浓度增高的趋势，还是非常明显的。这个增高与人类行为的关系，我们后面再说。
二氧化碳及相关数值变化
不过精确的仪器测量最早也就是1950年代开始的，这些数据最多就是在说，从1950年代以后，大气中二氧化碳的浓度的确在增长。要是觉得Keeling早期的工作代表性不足，那么在1980年代甚至1990年代全球上百个观测站的数据的结果，应该还是很充分的。到了1990年代以后，对于数据的要求也越来越严格，实际上Keeling这个夏威夷站的数据由于有0.5ppm的偏高（这个观测站海拔4000米，有点太高）已经被排除在计算平均数的测量站范围之外，当然这种系统性的偏差是可以校正的，不影响夏威夷站长期观察的价值。增长的幅度的，按照一些文献的数据，的确有增快的趋势。AR4收录的最新的二氧化碳浓度数据，是SIO的9个站点与NOAA/GMD的40个站点的平均结果。SIO站点的数据是378.75+-0.13ppm，NOAA/GMD的平均值是378.76+-0.05ppm，综合起来，2005年大气二氧化碳浓度已经达到了379ppm，比Keeling1960年观察到的313ppm高出了66个ppm。从1960年到2005年，大气中二氧化碳平均增长率是每年1.4个ppm，而1996年到2005年十年，这个增长率是每年1.9个ppm。比较我们前面提到的，1960年代平均增长率只有每年0.7ppm，这个增幅的变化，也是明显的。
这样，1960年以后，大气中二氧化碳浓度的增加就是非常可靠的结论了。那么这以前的呢？没有可靠的直接测量数据，二氧化碳的浓度怎么推断呢？咱们下回再谈。
橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？四 冰芯里面的二氧化碳
本帖一共被 3 帖 引用 (帖内工具实现)
- 相关回复 上下关系8
🙂如果政治需要，氧气都可以按上个原罪！ 赫然 字0 2010-01-05 06:19:17
🙂好啊好啊，踏踏实实的作风比较值得学习。 益者三友 字0 2010-01-04 20:33:14
🙂谢谢村长给大家科普 5 洗心 字0 2010-01-04 13:13:04
🙂【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？三 二氧化碳浓度
🙂为什么碳12和碳13要分开测? 月色溶溶 字43 2010-01-12 21:51:15
🙂同位素的分布不是完全均一的 1 橡树村 字573 2010-01-12 22:57:56
🙂哦，明白了。 月色溶溶 字0 2010-01-12 23:07:21
🙂大洋的深处怎么测？ 明日枯荷包 字134 2010-01-05 08:27:19