主题：【原创】杂谈全球变暖 -- 快乐是什么
由于哥本哈根会议的热闹，很多人都对全球变暖这一话题有了兴趣。兄弟以前曾经在这行吃过饭，稍有了解，向河里高手作一抛砖引玉的尝试。事先声明，兄弟离开专业很久了，有点儿荒废，错误难免，另外，既是杂谈，可能就会信马由缰，说到哪里算哪里吧。
近日中国北方普降大雪，北京更是有破纪录的降雪和低温，谈全球变暖恐怕不是时候，不过这正是这个话题有意思的地方：全球变暖并不代表每个地区都变暖，也并不代表雪天变少，也许将来北京又能经常欣赏到北海晴雪的美景了。
一．气候学家
对气候学家来说，全球变暖不是一个容易回答的问题。
首先，要认识到这一问题就需要全球观测系统的建立和长期记录的积累，科学上，没有数据的支持，所有理论都只是猜想。全球温度观测并不容易，特别是一些边远地区，建立一个气象站并派驻气象人员常驻的困难不亚于设立边境哨所，而且边境哨所属于显而易见的国家重大利益，比较容易获得支持，而气象站则不那么重要。所以，在人口稠密地区的观测密度很好，至少在上世纪初就已经比较普及，而人口稀少地区的数据就比较少，质量也差，特别是极地地区基本没有数据。说到这里，应该有高手已经认识到了全球平均地表温度并不容易，特别是数据样本是有相当偏差的。卫星遥感的应用使得数据的来源得到很大缓解，现在的卫星可以很好地覆盖全球，并做到每日观测，而且数据样本比较平均，但历史数据就困难得多，而且云层覆盖的地区是无法从空中观测的，这一点不容忽视，因为云层覆盖了地表30%以上。
其次，气候学家过去几乎是类似考古学家，他们关心的是大尺度的变化，时间跨度长达百万年！最突出的气候问题当然是冰川纪和温暖纪的变迁，要知道，最极端时，北美大陆曾被厚达几英里的冰层覆盖，现在烟波浩淼，横无际涯的5大湖不过在冰川重压下地层下陷的结果，纽约市边上的长岛则是由冰川流下来的垃圾累积形成的。现在，5大湖是随着地层反弹还在逐渐缩小的，只不过咱们这辈子应该看不到它们消失了，长岛更是高档住宅区，似乎没人在意住在垃圾堆上。冰川期时，海平面比现在低100米以上，我们的先人可以直接走到印尼！冰川的影响是如此惊人，过去经常采用的另一种分法就是冰川期和间冰期，所以气候学家的主要注意力也在冰川。这些研究其实很了不起，也更能让人仰慕，李四光发现黄山/庐山经历过冰川也是当时的重大科研发现。在上世纪80年代以前，气候学家其实和天文学家一样，完全生活在象牙塔里，他们的研究更多是出于兴趣，与当前的现实关系不大。当时的主要理论是：
1. 地球的气候主要受地球轨道变化的影响，存在三个周期，分别是150万年，9万６千年和２万１千年
2. 上一个冰期在１万８千年前达到高峰，１万１千年前结束
3. 气候正在向下一个冰期挺进，即全球在变冷
第三条就是大家现在常说的全球变冷。不过，这一结论并没有考虑人类活动的影响，而大气物理学家的介入和复杂数学模型的引用开辟了新的篇章。
二．温室效应
谈全球变暖，离不开温室效应。有意思的是，这一问题的发现和提出不是气候学家，而是天体物理学家。顺便说一句，过去所谓天体物理通常指的是研究太阳系以内天体的学问，太阳系以外的是天文学，主要原因是我们的观测能力所限，在哈勃望远镜项目之前的光学望远镜以及实际探测(人类登陆或近距离观测过所有行星,部分重要卫星,小行星,甚至彗星)只能对太阳系内部的物体做详细分析。
上世纪60年代，在苏美和平竞争的背景下，人类展开激动人心的航天竞赛，月球、金星、水星都实现了实际登陆，使得我们对这些天体的表面构造和气候环境有了第一手资料，其中一个非常重要的收获就是对金星的研究取得突破。
金星，又称启明星或长庚星，是在地球上肉眼能看到最明亮星体（除日、月之外），其亮丽的色泽引起过古人很多联想，常常出现在诗词文赋中，希腊人也很喜欢它，把它作为美神维纳斯的驻地（Venus）。金星明亮的原因一直存在很多猜测，其中一个就是云层。美国宇航局戈达德空间研究所的James Hansen首先提出一个理论，即金星的大气中充斥着硫化物，云滴也是强硫酸为主，导致其云层的反光度很高，从地球上看，金星就像是一个漂亮的金属球。这一预测最终被证实，无论是美国的探测卫星还是苏联的登陆探测器都证明了金星大气的成分确实含有大量硫化物，同时二氧化碳的比例极高（95%以上），金星的地表温度高达720度（绝对温度，约摄氏450度），是名副其实的炼狱。
金星与地球大小相似，密度相似，同属内行星，起源及发展应该与地球最相像，所以金星一直是空间物理最感兴趣的星体之一。相较之下，对火星的兴趣主要是那个火星人的小说闹的，其实火星远小于地球，大气稀薄，又主要由二氧化碳组成，地表气温寒冷，还常挂沙尘暴，真的不好玩儿。
金星地表温度那么高，显然不是因为离太阳距离近就能解释的，其地表温度高于离太阳更近的水星超过400度。而且，金星云层的反射率那么高，大部分太阳光都被反弹出来了，金星云顶的温度可只有摄氏零下45度，那么，金星表面为什么还那么热呢？答案就是温室效应!
所谓温室效应已经被普及得很多，我就不多谈了，只想指出几点：
１． 金星上的温室效应主要是二氧化碳引起的
２． 金星大气中基本没有水蒸汽（地表也没有水--高温呐）
３． 金星的云层起到降温作用
４． 温室效应并不是地球变暖才有的，而是所有带大气层的行星上一直存在的
顺便说一句，金星本身也是很有意思的一个地方，它有一些非常特殊的性质：
１． 金星几乎没有自转，金星上的一天超过金星的一年。
２． 金星大气非常稠密，表面大气压超过地球９０倍。金星的质量及引力与地球相似，那么它是怎样维持这样浓密的大气的呢？
３． 金星上空云层极厚，而且伴随着大风，所以从空中观测，金星是比较均匀的，但地表却几乎没有风。
从大气物理的角度，金星是一个充满挑战的话题，也是行星探测时美苏竞争的头一站，苏联曾经遥遥领先。不过，随着冷战的结束，大家越来越实际，金星也不再是行星观测的重点了。
（也去喝水）
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三．地球大气
回到地球上来。地球大气的观测已经有很多年了，简单地说，空气的成分非常简单，主要是氮气和氧气（99%），其次是惰性气体（近1%），剩下是二氧化碳和水蒸汽，漂浮的尘埃，以及微量的甲烷、臭氧以及CFC等。其中，氮气和惰性气体基本上是打酱油的，与我们关系不大，氧气在大气辐射中也不重要，二氧化碳、水蒸汽和甲烷是最重要的温室效应气体，即对太阳光基本没有影响，但会强烈吸收大气长波辐射。
根据温度分布特征，大气层可以分成５层，其中和我们日常生活关系最密切的是对流层和平流层。
对流层是从地表到10-20公里高空的气层，其主要特征就是越高越冷。关于这一点，领导同志最了解，早年时几乎所有的避暑胜地都在山上，当年老蒋就很喜欢庐山，没事就弄个培训班，老毛当年开庐山会议的初衷是要开神仙会，让大家放松的，没想到有人越凉快越折腾，惹出一大堆事来。此外，大家拍照时最喜欢的雪山和飞行员厚厚的飞行服也是越高越冷的典型例子。
为什么越高越冷呢？有几个原因：
１． 大气主要是靠地表加热的，大气本身对太阳光的吸收在底层相对较弱，太阳光把地表晒热后，贴近地面的大气也被加热，热传导必然形成一个梯度；
２． 大气的热传导能力其实很差，热量向上的传导主要靠的是质量交换，或者说是气体的垂直运动。具体说，底层的热气团被加热后，就会膨胀、变轻（密度），随后上浮，就和煮水时的原理一样，从而把热量带到高层；
３． 大气层由于地球引力的原因，总是低层更密，或者说压强更高，所以当热气团上升时，气团由于压强变小，一定会膨胀，而热力学告诉我们，气体膨胀时，温度会降低，所以，热气团本身也会随着变冷；
４． 大气的长波辐射一直发生，但与热传导一样，首先是并不改变原有梯度，其次是在底层不太重要。
由于上述原因，大气温度随高度的变化是和压强变化密切相关的，从而几乎是可以精确预测的，基本上是高度每上升１００米温度就降低０．６摄氏度左右。所有观测都与理论符合的很好，云层形成的理论也很清晰。由于这里的温度分布主要由空气的上下对流决定，所以就叫对流层。大气的主要质量集中在对流层，绝大部分天气现象也发生在对流层，像是漂亮的云朵、浪漫的小雨、漫天的雪花、有趣的冰雹，还有不太好玩儿的狂风、雷电等等。
如果对流层一直持续下去，那事情就比较简单，但是，当空气对流到一定高度，大气自身的辐射吸收开始起作用了，特别是由于臭氧的存在（臭氧在大气中会自然分解，其产生主要靠紫外线照射氧的光化作用和高空闪电，所以低层较少）。臭氧在太阳光能很强的紫外区域有很好的吸收性，等于是在空中放了个电热器，结果，空气温度居然开始越高越热了！由于热空气在上边，低处的空气反而更冷更重，上下对流就失去了动力，所以气层比较平静，主要以横向运动为主，这就是平流层。平流层底部常有一些拉丝的卷云，白天不容易看出来,但在夕阳西下时非常美丽。另外与大家的关系就是在做越洋飞行时（去美国赞助帝国主义消费或是回伟大祖国腐败），飞机一般会在平流层，所以大家会发现窗外一片深蓝色，阳光也比较刺眼，上面几乎没有云层。顺便说一句，由于这里的太阳光还没有经过臭氧的彻底处理，紫外线比较多一些，对ＭＭ细嫩的皮肤威胁会很大。
上述知识主要属于大气物理的范畴，有很复杂的数学模型来模拟和解释这些现象，大家每天看到的天气预报常常就是这些模型的成果。再多嘴一下，大气物理学家经常很反感被称为气象学家，因为天气预报的准确性实在让严肃的科学家汗颜。个人看法，大气物理是一门科学，而气象预报则是艺术，与其说是科学家，气象学家更像是工程师。不想挑拨离间，乱说呵。
再拉回来。那么，这些大气物理的常识为什么会和气候挂上钩呢？
（再去喝水）
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看得出来是行家
我也学过气象学，你说的这些我都懂，但是像你这么形象的把知识讲解出来，这是水平
四．打赌的科学家
这一节纯属八卦，给大家谈谈20年前的一场著名赌局。也算是进行严肃讨论前的放松。
八十年代中期开始，人为活动对气候的影响开始引起美国学术界的注意和争论，争论的焦点嘛，自然是人类活动产生的二氧化碳等温室气体是否正在使气候迅速变暖。双方都坚信自己的正确，其中，水蒸汽和云的反馈是双方分歧的重点。《科学》、《自然》、《大气科学》、《地球物理研究》、《气候》等专业杂志上充斥着对他人的驳斥，连纽约时报也时常跟着起哄。争论越来越激烈，一贯温文而雅的教授和研究员们也失去了理智，曾经有过会议上挥起老拳的事件。
终于，在1990年美国大气年会之类的大型会议中，鼓吹全球变暖最力的James Hansen（对了，就是研究金星那位，他也是后来美国副总统Gore的好朋友）在讲台上放下大话，说他有99.9999%的信心，全球因人类工业化的原因正在变暖。这话虽然有一定背景原因，但实在没什么科学含量，毕竟99.9999%是要有统计数据和坚实理论来支持的。当下引发场中其他重量级大老的挑战，连他的同盟军们也在下面摇头的摇头，哄笑的哄笑，看来他是失言了。好一个Hansen，居然更进一步，他站在讲台上公开挑战，形式是一个赌盘，赌面是三年之内，全球平均地表温度、海表温度、以及底层大气温度3个指标均将会打破过去１５０年的观测记录中最高值，也就是说，如果温度是随机的，那么他的赢率只有(1/150)^3，对方的盈率则超过99.9999%，赌金１００美元。
这类赌盘在科学界并非没有先例，比如牛津那位号称爱因斯坦后物理学界最大的天才Stephen Hawking就干过，还赢了一年的花花公子杂志，只是不知身残志坚，连说话都要靠机器的Hawking怎么看杂志，看了又怎么解决冲动的。
Hansen的目标当然是对方阵营中的主将Richard Lindzen （麻省理工教授，美国科学院院士）。当时Lindzen是老布什总统的科学顾问，是质疑全球变暖阵营的头号人物，而他的主要论点就是当时的模型不够精细，尤其对水蒸气的反馈原理不明确。但是，不知出于什么原因，在座的Lindzen在众目睽睽之下并没有应战，而是由他的一位同盟军，Lawrence Livemore国家实验室的Hugh Ellsaesser上了赌台，不幸的是，当年年底，Ellsaesser就输掉了赌注，因为1990年确实是近代历史纪录上最热的一年，三项纪录同时被打破，而且，这些纪录在1991年被继续刷新，根据James Hansen的解释，1992年本来很有机会再创新高，来个三连庄，但是被菲律宾的Pinatubo火山喷发搅了局，在近赤道地区喷发的火山灰随哈德利环流迅速进入平流层，弥漫了地球大部分地区的高空，大量的火山灰阻止了阳光的入射，使地球表面温度有所下降。不管怎么说，这次打赌，全球变暖派可以说是扬眉吐气，但质疑派并不认输，他们认为对方纯粹是侥幸，真正的科学问题还是没有解决。
老实说，Lindzen等人毕竟还是搞科研出身的，对科学的严肃性很尊重，不会像今天的记者／网络那样随意说全球变暖是个骗局。他们的主要观点是，地球的气候是个相当复杂的系统，其中存在强大有力的负反馈机制来控制气温保持相对稳定，导致我们今天并没有生活在金星那样的炼狱里。要知道，早年的地球大气也是以二氧化碳为主，温室效应比现在强大的多，如果不是生命的产生改变了大气成分，地球上大概现在也是个大烤箱，人类还是很幸运的。当时的大部分主流模型的研究成果都认为全球气温将上升４－５摄氏度，其中二氧化碳的贡献大约是１度左右，而水蒸汽的正反馈则贡献了超过２度。Lindzen等人认为，由于大气的复杂性，我们对水蒸汽及云层变化在全球变暖过程中的了解可能是错误的，这个说法在科学上是没有问题的.但由此他们的结论是由于温室气体排放导致的全球气温上升可能不到１度，因此全球变暖就远没有那么重要和紧迫了。1度还是4度，要不要立即采取措施限制二氧化碳的排放，这是双方争议的真正焦点。应该注意到，首先，几乎所有的科学家都同意人类活动使得全球变暖，即便是反对派也只是说变暖的程度不足为虑；其次，反对派的问题非常犀利，专业性和针对性很强，让变暖派很难回答。
顺便说一下，主张全球变暖迫在眉睫的一派基本是大气科学界的主流派，他们的主要武器就是极为复杂的数值模拟模型，比如当年最有名的模型是NCAR（美国国家大气研究中心，在科罗拉多州立大学附近），GFDL（美国海洋大气管理局下属的地球流体动力研究室，与普林斯顿大学合作较多），还有GISS（美国宇航局戈达德空间研究所，在哥伦比亚大学旁边）。每个模型不尽相同，各有其特点，是当时公认的Leader，但这三个模型对未来的模拟结果都是上升4度左右，比较支持全球变暖这一结论。后来全世界各地有了很多模型，基本都衍生于这三个模型（最彻底的是NCAR，干脆在互联网上公布其主要模型的源程序代码供大家参考，大家有兴趣的可以自己下载看看），所以结论差别不大。而反对派的几员大将都是行业里的前辈大师，德高望重，但对复杂模型不太在行。Lindzen当时所在的麻省理工基本没有什么大气模型专家，最擅长的是海洋观测（Woodshole海洋学院），附近哈佛大学里也只有一位Goody是大气辐射的前辈，两人对计算机程序都不熟悉，于是Lindzen就弄了个非常简单的一维模型来和变暖派的三维模型相对抗。但大师毕竟是大师，一维模型的优势也比较明显，就是特别简单，所以可以集中精力看关键问题。当时，主流科学家们对他真是又恨又怕，拿他没什么办法。
大家可能注意到了，我谈的这些争议其实都集中在美国的几个机构之间，因为当时确实只有美国有这个实力。美国的大气理论研究本来就不错，尤其在大气动力方面很有成就，中国人也有不少到那里学习的，比如原科学院副院长、大气物理所所长叶笃正就是从芝加哥大学的Rossby那里弄的大气环流博士。关于叶笃正，据说他们师兄妹３人曾经还有过一些暧昧的三角故事，不过后来，二位师兄都选择回到新中国服务，一个去了科学院，一个进了北大，而小师妹最后留在了芝加哥大学做教授，还最早建立了一个不错的三维大气动力模型，算是芝加哥学派的传人吧，这个模型在80年代中期被带到了中科大。
嗯，又说远了。大气研究是上世纪才得到迅猛发展的，其原因主要是技术的进步，使得人类征服了天空，天气预报成为可能，无线电的发明则大大降低了对高空研究的费用，而两次世界大战对大气研究的推动更是不可低估（天气预报曾经直接从属于军事部门），二战时的飞行员就已经很了解高空急流的重要性了（想想看，面对风速高达每秒１百多米的大风，选择顶风还是顺风是经常可以决定飞机是否能安全返航的）。冷战时的苏联虽然航天技术高度发达，但计算机技术及电子遥感能力远比不上美国，而后者才是当时大气研究的关键，所以，尽管苏联的卫星曾先后十多次登上金星表面，但对金星大气的研究始终比不上美国的深入，后来，美国更是凭着先进的遥感技术，不经过登陆就能透过厚厚的云层对金星全球进行了勘测，这是苏联从来没做到过的。至于利用大型计算机进行气象数值模拟和遥感数据分析，美国更是遥遥领先。
大气模型的计算要求是很惊人的，给大家一个例子。这里可能还有人记得８０年代初的银河计算机，即中国的首台每秒亿次计算机，好像曾经获得国家进步一等奖的。但这个亿次是怎么验证的呢？在全世界比较通行的办法之一就是把大气模型装上去跑，跑完对一天的模拟一掐秒表就可以知道计算速度了。所以，搞大气数值模拟研究，没有充足的计算资源配备时不可能的。即便到了８０年代，各国基本上都拥有利用数值模型进行天气预报的能力了，但用计算模拟来预测气候还是相当困难的。比如，那时欧洲气象中心的中期预报是公认比较领先的，但气候研究则乏善可陈。只有美国才有这个条件，而且GISS搞航天，GFDL玩海洋，都带不少军方背景，funding从来不是问题，NCAR的主要任务是天气预报，但计算资源过剩，也顺带看看超长期天气，或者叫气候。有心的朋友可能可以看出来，这三家的背景很不一样，所以模型的侧重点和优势也相当不同。
参与争论的一方人多势众，另一方名望高，又有政府支持，可谓势均力敌，一时半会儿吵不出结果，打赌也不管用。但气候变化的后果可是很可观的，单是气候带迁移，就可能让沙漠变良田，良田变沙丘。为了更好地组织研究资源，世界气象组织（WMO）出面弄了IPCC，顺带把政府也组织起来。到了今天甚至指挥各国首脑开会，还顺带让温总理爽了一把，那就不是当年赌博的科学家们能预测到的了。
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再续下去估计就该“嘘嘘”了
谢谢猫兄建议，不过小弟平常很忙，文笔又差，没准备写很长，估计“嘘嘘”不了几次的。
谈这个话题主要是觉得河里大牛们都对这个问题的科学性不太赞同，更多地从政治、阴谋、大国崛起等等角度研究哥本哈根会议。我觉得他们从那些上层建筑的角度看问题当然是对的，不过，全球变暖确实是个很真实，也很有趣的科学题目，值得河友们有基础的认识，至少不必犯太低级的错误让别人笑话西西河。
有这个念头时很久了，那时还没看到橡树村的读书笔记，否则可能就不写了。现在既然开始了，就争取尽量简单完整吧。
水兄连ID都是气象的，看来是内行中人？欢迎指教，兄弟离开这一行很久了，写东西时是诚惶诚恐的。
准备数清最后有几个“再”字。
最好喝几杯后再数，那样比较准确
我知道的，中科院副院长丁仲礼就不大认同CO2带来的气候变暖这一观点。而丁院长是一个地质学家，可以理解，从地质尺度上来看地球温度变化，确实可以进一步探讨。
另现在好像很少提“气候变暖”这一词了吧，一般用的是“气候变化”
天体物理哪里是搞太阳系内的,从太阳系内物理到宇宙学他们都搞...
鼓捣出金星温室效应的那帮人,一般称作行星天文学家和太阳系物理学家吧...
看了您这文章，终于对这个在科学界的来龙去脉多些了解。。有空也去下载那个模型看看俺的机器能不能跑得动。。
我也比较关注这个事情。
请教一个问题，现在看来极地和高山冰融的情形都很严重。
有预计北极2012前后夏冰融尽，喜马拉雅，乞力马扎罗等世界各地的
冰川也在迅速后退。这个我暂且统称极地冰融。
有没有研究估计一下现在的极地冰融所吸收的总融解热大致有
多少。是否可以把这个折算一下，算算相当于地表温度升高多
少度的热量？
说是金星的地表很年轻，很少陨坑。它又没有海洋，这个似乎很难说通。有人提出一个假说，因为金星大气的高温，使得其地壳只可能是某简单的岩石（名字忘了），特点是非常硬。硬的好处是不容易被风化破坏，坏处是脆。金星内部运动可是一刻没有停止的，能量积累到一定程度，会发生全球范围的灾变，以释放这个能量。这个灾变周期大约是一亿年。