21.1: 温室效应和气候变化
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地球的温度是一种平衡行为
地球的温度取决于进入和离开地球的能量之间的平衡。 当来自太阳的传入能量被吸收时，地球就会变暖。 当太阳的能量被反射回太空时，地球可以避免变暖。 当能量从地球释放到太空时，地球就会冷却。 许多因素，包括自然和人为因素，都可能导致地球能量平衡的变化，包括：
- 温室效应的变化，影响地球大气层保留的热量；
- 到达地球的太阳能量的变化；
- 地球大气层和表面反射率的变化。
科学家们通过分析冰芯、树木年轮、冰川大小、花粉数量和海洋沉积物等多种间接气候指标，拼凑出一幅可追溯到数十万年前的地球气候画面。 科学家们还研究了地球绕太阳轨道的变化以及太阳本身的活动。
历史记录表明，气候在很长的时间尺度上自然变化。 总的来说，1700年代工业革命之前的气候变化可以用自然原因来解释，例如太阳能的变化、火山喷发和温室气体（GHG）浓度的自然变化。 但是，最近的气候变化不能仅用自然原因来解释。 研究表明，自然原因不太可能解释大多数观测到的变暖，尤其是自20世纪中叶以来的变暖。 相反，人类活动，尤其是我们对化石燃料的燃烧，解释了当前的变暖（图\(\PageIndex{a}\)）。 科学界的共识是明确的：通过改变碳循环，人类正在通过增加所谓的温室效应的影响来改变全球气候。
温室效应使大气保持热量
生活在温和或凉爽环境中的园丁之所以使用温室，是因为它们会捕获热量并创造比室外温度更温暖的环境。 这非常适合喜欢高温或对寒冷温度敏感的植物，例如番茄和胡椒植物。 温室含有玻璃或塑料，允许来自太阳的可见光通过。 这种光是一种能量，会被植物、土壤和表面吸收并加热它们。 然后，其中一些热能以红外辐射的形式向外辐射，这是另一种形式的能量。 与可见光不同，温室的玻璃可以阻挡红外辐射，从而捕获热能，从而导致温室内的温度升高。
在阳光明媚的日子里，车内也会发生同样的现象。 你有没有注意到与室外温度相比，汽车能变得多热？ 来自太阳的光能穿过窗户，被汽车表面（如座椅和仪表板）吸收。 然后，那些温暖的表面会辐射红外辐射，而红外辐射无法穿过玻璃。 这种捕获的红外能量会导致汽车中的空气温度升高。 这个过程通常被称为温室效应。
下面的视频是为孩子们制作的，但对温室效应进行了清晰而简单的介绍。
温室效应也发生在整个地球上。 当然，我们的星球不是被玻璃窗包围的。 相反，地球被一个含有温室气体（GHG）的大气层所包裹。 就像温室中的玻璃一样，温室气体允许来自太阳的入射可见光能量通过，但它们会阻挡从地球向太空辐射的红外辐射（图\(\PageIndex{b}\)）。 通过这种方式，它们有助于捕获热能，从而提高空气温度。 温室气体是某些类型气体的物理特性；由于其分子结构，它们吸收波长的红外辐射，但对可见光是透明的。 一些值得注意的温室气体是水蒸气（H 2 O）、二氧化碳（CO 2）和甲烷（CH 4）。 温室气体就像毯子，使地球比其他情况温暖得多。 科学家估计，如果没有自然产生的温室气体，地球上的平均温度将为-18摄氏度。
什么是全球变暖？
全球变暖是指最近地球表面附近的全球平均温度持续上升。 它主要是由大气中温室气体浓度的增加引起的。 全球变暖正在导致气候模式发生变化。 但是，全球变暖本身只是气候变化的一个方面。
什么是气候变化？
气候变化是指气候测量中持续很长一段时间的任何重大变化。 换句话说，气候变化包括几十年或更长时间内发生的温度、降水或风模式的重大变化以及其他影响。
主要的温室气体
人类直接排放的最重要的温室气体包括二氧化碳和甲烷。 二氧化碳（CO 2）是导致最近全球气候变化的主要温室气体。 二氧化碳是碳循环的自然组成部分，涉及光合作用、呼吸、火山喷发和海洋-大气交换等活动。 人类活动，主要是燃烧化石燃料和改变土地用途，向大气中释放大量的二氧化碳，导致其在大气中的浓度上升。
自工业化前时期以来，大气中的二氧化碳浓度增加了45％，从18世纪的约百万分之280（ppm）增加到2019年的409.8 ppm（图\(\PageIndex{c}\)）。 根据来自保存古代大气气体的冰芯的证据，目前的二氧化碳水平高于至少80万年的水平（图\(\PageIndex{d-f}\)）。 目前，人类活动每年向大气中释放超过300亿吨的二氧化碳。 尽管一些火山喷发在遥远的过去释放了大量的二氧化碳，但美国地质调查局（USGS）报告说，人类活动现在每年排放的二氧化碳是火山的135倍以上。 人为造成的二氧化碳在大气中的积聚就像一个装满水的浴缸，水龙头流出的水比排水管可以带走的还要多。
其他温室气体
尽管这种浓度远低于二氧化碳的浓度，但甲烷（CH 4）的效力是温室气体的28倍。 甲烷是在细菌在厌氧条件下分解有机物时产生的，并且可能由于自然或人为过程而释放。 当有机物被困在水下（例如稻田里）或食草动物的肠道中时，就会发生厌氧状况。 人为原因现在占甲烷总排放量的60％。 例子包括农业、化石燃料开采和运输、采矿、垃圾填埋场使用和森林焚烧。 具体而言，饲养牛由于在瘤胃中发酵而释放甲烷，会产生甲烷，甲烷会从胃肠道排出。 现在，地球大气层中的甲烷比过去至少65万年的任何时候都要丰富，并且在20世纪的大部分时间里，甲烷的浓度急剧上升。 它们现在已超过工业化前水平的两倍半（1.9 ppm），但近几十年来增长速度已大大放缓。
水蒸气是最丰富的温室气体，尽管其在大气中的寿命很短，但就其对自然温室效应的贡献而言，也是最重要的温室气体。 一些人类活动会影响当地的水蒸气水平。 但是，在全球范围内，水蒸气的浓度受温度控制，温度会影响总的蒸发和降水速率。 因此，全球水蒸气浓度没有受到人类直接排放的重大影响。
地面臭氧（O 3）是一种强效的温室气体，它在大气中的寿命也很短。 在阳光照射下，汽车、发电厂和其他工业和商业来源排放的氮氧化物和挥发性有机化合物会产生臭氧（如第10.1节所述）。 除了捕获热量外，臭氧还是一种污染物，可导致呼吸系统健康问题并破坏农作物和生态系统。
太阳能量的变化会影响到达地球的能量
气候可能受到自然变化的影响，自然变化会影响太阳能到达地球的量。 这些变化包括太阳内部的变化和地球轨道的变化。 太阳本身发生的变化会影响到达地球表面的阳光的强度。 阳光的强度可能导致变暖（在太阳强度较强的时期）或降温（在太阳强度较弱的时期）。 太阳遵循11年的自然周期，强度起伏不定，但对地球气候的影响很小。 地球轨道形状以及地球轴线的倾斜度和位置的变化也会影响到达地球表面的阳光量。
过去，太阳强度的变化影响了地球的气候。 例如，17至19世纪之间的所谓 “小冰河时代” 可能部分是由1645年至1715年的低太阳活动阶段造成的，当时气温降低。 小冰河时代是指北美、欧洲以及可能还有全球其他地区的轻微降温。 数万年来，地球轨道的变化对气候产生了重大影响。 这些变化似乎是过去冰河时代周期的主要原因，在这个周期中，地球经历了长时间的寒冷温度（冰河时代），以及较短的间冰期（冰河时代之间的时期），温度相对较高。
太阳能的变化继续影响气候。 但是，自20世纪中叶以来，除了11年的周期外，太阳活动一直相对稳定，因此并不能解释最近地球变暖的原因。 同样，地球轨道形状的变化以及地球轴线的倾斜和位置会影响相对较长的时间尺度（数万年）的温度，因此无法解释最近的变暖。
反射率的变化会影响进入地球系统的能量
当阳光能量到达地球时，它可以被反射或吸收。 反射或吸收的量取决于地球表面和大气层。 浅色物体和表面，如雪和云，往往会反射大部分阳光，而较暗的物体和表面，例如海洋和森林，往往会吸收更多的阳光。 反照率一词是指从物体或表面反射的太阳辐射量，通常以百分比表示。 整个地球的反照率约为30％，这意味着到达地球的阳光中有70％被吸收。 被吸收的阳光会使地球的土地、水和大气变暖。
反照率也受到气溶胶的影响。 气溶胶是大气中的小颗粒或液滴，可以吸收或反射阳光。 与温室气体（GHG）不同，气溶胶的气候影响因其组成和排放地点而异。 那些反射阳光的气溶胶，例如火山喷发产生的颗粒或燃烧煤炭产生的硫排放，具有降温作用。 那些吸收阳光的东西，例如黑碳（烟灰的一部分），会产生变暖作用。
过去，反照率的自然变化，例如海冰的融化或云层的增加，曾促成气候变化，通常是其他过程的反馈。 火山在气候中发挥了显著的作用。 到达高层大气的火山颗粒可以将足够的阳光反射回太空，从而使地球表面冷却十分之一度，持续数年。 单次喷发产生的火山颗粒不会产生长期变化，因为它们在大气中的停留时间比温室气体短得多。
人类在土地利用和土地覆被方面的变化改变了地球的反照率。 砍伐森林、重新造林、荒漠化和城市化等过程往往会导致其发生地的气候变化。 这些影响在区域范围内可能很明显，但如果对整个地球进行平均计算，则较小。
科学共识：全球气候变化是真实的
政府间气候变化专门委员会（IPCC）由联合国环境规划署和世界气象组织于1988年设立。 它负责评估和综合有关全球气候变化的科学证据。 除了为决策者提供评估外，IPCC还使用这些信息来评估当前的影响和未来的风险。 这些评估大约每六年发布一次。 最新报告，即第五次评估，于2013年发布。 来自世界各地的数百名顶尖科学家被选中撰写这些报告。 纵观IPCC的历史，这些科学家审查了数千项经过同行评审的公开研究。 科学界的共识是明确的：全球气候变化是真实存在的，人类很可能是这种变化的原因。
此外，美国的主要科学机构，包括美国国家航空航天局（NASA）和国家海洋与大气管理局（NOAA），也一致认为气候变化正在发生，人类正在推动气候变化。 2010年，美国国家研究委员会得出结论：“气候变化正在发生，很可能是由人类活动引起的，并对广泛的人类和自然系统构成重大风险”。 许多独立的科学组织在美国和国外都发表了类似的声明。 这并不一定意味着每位科学家都对气候变化问题的每个组成部分保持一致，但人们普遍认为，气候变化正在发生，主要是由人类活动产生的过量温室气体造成的。 气候变化的批评者在意识形态而不是证据的驱使下，试图向公众暗示，在全球气候变化问题上没有科学共识。 这样的说法显然是错误的。
全球气候变化的现状和未来的变化
除非每年数十亿吨的人为排放量大幅减少，否则大气中的温室气体浓度将继续增加。 预计浓度的增加将产生以下影响：
- 提高地球的平均温度（图\(\PageIndex{g}\)），
- 影响降水的模式和量，
- 减少冰雪覆盖以及永久冻土，
- 提高海平面（图\(\PageIndex{h}\)），
- 增加海洋的酸度。
图\(\PageIndex{h}\)：海高随时间的变化（mm）。 自1993年以来，海拔平均每年增加约3.3毫米。 数据来自美国宇航局戈达德太空飞行中心的卫星海平面观测。 图片由美国航空航天局（公共领域）提供。
这些变化将影响我们的食物供应、水资源、基础设施、生态系统，甚至我们自己的健康。 未来气候变化的规模和速度将主要取决于以下因素：
- 我们大气中温室气体浓度持续增加的速度，
- 气候特征（例如温度、降水量和海平面）对预期温室气体浓度增加的反应有多强，
- 自然对气候的影响（例如，火山活动和太阳强度的变化）和气候系统内的自然过程（例如海洋环流模式的变化）。
过去和现在的温室气体排放将在很长一段时间内影响气候
许多温室气体会在大气中停留很长时间。 因此，即使排放量停止增加，大气中的温室气体浓度也将在数百年内继续保持较高水平。 此外，如果我们稳定浓度并且当今大气的组成保持稳定（这将需要大幅减少当前的温室气体排放），地表空气温度将继续升高。 这是因为储存热量的海洋需要几十年才能完全应对更高的温室气体浓度。 在接下来的几十年到数百年中，海洋对更高的温室气体浓度和更高温度的反应将继续影响气候。
未来的温度变化
气候模型预测了以下与温度相关的关键变化：
- 预计到2100年，全球平均气温将上升2°F至11.5°F，这取决于未来的温室气体排放水平以及各种气候模型的结果。
- 到2100年，预计全球平均气温的升温幅度将至少是过去100年间的两倍。
- 预计陆地上空的地面气温将继续比海洋更快地升温。
- 预计世界某些地区的气温上升幅度将超过全球平均水平。
未来的降水和风暴事件
降水和风暴事件的模式，包括降雨和降雪，可能会发生变化。 但是，其中一些变化不如与温度相关的变化那么确定。 预测显示，未来的降水和风暴变化将因季节和地区而异。 有些地区的降水量可能较少，有些地区的降水量可能更多，有些地区可能变化很小或没有变化。 在大多数地区，强降水事件中的降雨量可能会增加，而风暴轨迹预计将向两极移动。 气候模型预测以下降水和风暴变化：
- 预计到本世纪末，全球年平均降水量将增加，但降水量和强度的变化将因地区而异。
- 平均而言，降水事件的强度可能会增加。 这在热带和高纬度地区尤其明显，预计这些地区的总体降水量也将增加。
- 与热带风暴相关的风力可能会增加。 热带风暴造成的降水量也可能增加。
- 预计某些地区的年平均降水量将增加，而另一些地区的年平均降水量将减少。
未来的冰、积雪和永久冻土
北极海冰已经急剧减少。 自1970年以来，北半球的积雪面积有所减少。 在过去的一个世纪中，永久冻土温度升高，使其更容易融化。 在下一个世纪，预计海冰将继续减少，冰川将继续缩小，积雪将继续减少，永久冻土将继续融化。
模型预测，每升温2华氏度，年平均海冰量将减少约15％，9月北极海冰减少25％。 预计格陵兰岛和南极冰盖的沿海部分将继续融化或滑入海洋。 如果这种冰融化的速度在21世纪加快，那么冰盖可能会大大加剧全球海平面的上升。 预计冰川的面积将继续缩小。 预计融化速度将继续加快，这将导致海平面上升。
未来的海平面变化
温度升高导致海平面上升，海水膨胀，山地冰川和冰盖融化，导致格陵兰岛和南极冰盖的部分融化或流入海洋。 自1870年以来，全球海平面上升了约8英寸。 不同地区对未来海平面上升的估计各不相同，但预计下个世纪的全球海平面上升速度将高于过去50年。 热膨胀、冰盖和小冰川对海平面上升的贡献的研究相对较为充分，但气候变化对冰盖的影响知之甚少，是一个活跃的研究领域。 因此，预测冰盖的变化将在多大程度上导致海平面上升就更困难了。 格陵兰岛和南极冰盖可能导致海平面再上升1英尺，具体取决于冰盖的反应。
区域和地方因素将影响世界各地特定海岸线未来的相对海平面上升（图\(\PageIndex{i}\)）。 例如，相对海平面上升取决于沉降（下沉）或隆起（上升）导致的陆地高程变化，以及局部海流、风、盐度、水温和距离变薄的冰盖等因素。 假设这些历史地质力量仍在继续，那么到2100年全球海平面上升2英尺将导致以下相对海平面上升：
- 在纽约市 2.3 英尺
- 位于弗吉尼亚州汉普顿路 2.9 英尺
- 位于德克萨斯州加尔维斯顿 3.5 英尺
- 在华盛顿州 Neah Bay 行驶 1 英尺
未来的海洋酸化
海洋酸化是海水pH值下降的过程。 随着大气中排放的二氧化碳（CO 2）溶解在海洋中，海洋变得更加酸性。 这种变化是在 pH 值上测量的，值越低表示酸性越强。 自工业化前时期以来，海洋的pH值降低了大约0.1 pH单位，相当于酸度增加了25％。 预计到本世纪末，海洋的pH值将进一步降低，因为预计二氧化碳浓度在可预见的将来会增加。 海洋酸化对许多海洋物种产生不利影响，包括浮游生物、软体动物、贝类和珊瑚。 随着海洋酸化的加剧，碳酸钙的供应将减少。 碳酸钙是许多海洋生物贝壳和骨骼的关键组成部分。 如果大气中的二氧化碳浓度增加一倍，预计珊瑚钙化率将下降30％以上。 如果二氧化碳浓度继续以目前的速度上升，那么到2050年，热带和亚热带珊瑚礁上的珊瑚可能会变得稀有。
不匹配的互动
气候变化还影响物候学，即研究气候条件对周期性生命周期事件（例如植物开花或鸟类迁徙）时间的影响。 研究人员表明，英国有385种植物物种的开花时间比过去40年前记录的要早4.5天。 此外，昆虫授粉物种比风授粉物种更有可能更早开花。 如果昆虫传粉者早点出现，开花日期变化的影响就会减轻。 这种植物和传粉媒介的时间不匹配可能会对生态系统造成有害影响，因为昆虫授粉的植物必须在其传粉媒介存在时开花，才能持续生存。
同样，候鸟依赖日间线索，而这些线索不受气候变化的影响。 但是，由于气温升高，它们的昆虫食物来源是在今年早些时候出现的。 因此，气候变化减少了候鸟物种的食物供应。
疾病的传播
全球气温的升高将扩大携带疾病的昆虫及其所携带的病毒和致病寄生虫的范围。 因此，疾病将传播到全球的新区域。 根据世界卫生组织的数据，登革热的传播已经记录在案，登革热每年影响数亿人。 较低的温度通常会限制某些物种的分布，例如传播疟疾的蚊子，因为寒冷的温度会破坏它们的卵。
一些致病昆虫的范围不仅会扩大，温度升高还将加速它们的生命周期，从而使它们能够更快地繁殖和繁殖，甚至可能更快地发展出抗农药性。 除登革热外，随着全球气候变暖，预计其他疾病将传播到世界的新地方。 其中包括疟疾、黄热病、西尼罗河病毒、寨卡病毒和基孔肯雅热。
气候变化不仅会增加疾病在人类中的传播。 温度升高与 chytridiomycosis 导致的两栖动物死亡率增加有关（参见入侵物种）。 同样，气温升高加剧了树皮甲虫对松树和云杉等针叶树的侵扰。
气候变化影响所有人
我们的生活与气候息息相关。 人类社会已经适应了自几千年前结束的最后一个冰河时代以来我们所享受的相对稳定的气候。 气候变暖将带来变化，这些变化可能影响我们的供水、农业、电力和运输系统、自然环境，甚至我们自身的健康和安全。
平均而言，二氧化碳可以在大气中停留近一个世纪，因此在未来几十年中，地球将继续变暖。 天气越温暖，气候和地球系统发生更严重变化的风险就越大。 尽管很难预测气候变化的确切影响，但显而易见的是，我们习惯的气候已不再是未来预期的可靠指南。
我们可以减少气候变化将面临的风险。 通过做出减少温室气体污染的选择，并为已经发生的变化做好准备，我们可以降低气候变化的风险。 我们今天的决定将塑造我们的子孙后代生活的世界。
您可以在家里、路上和办公室采取措施，减少温室气体排放和与气候变化相关的风险。 其中许多步骤可以为您省钱。 有些东西，例如步行或骑自行车上班，甚至可以改善你的健康状况！ 您还可以在地方或州一级参与，以支持能源效率、清洁能源计划或其他气候计划。
建议的补充读物
政府间气候变化专门委员会，2013年。 第五次评估：决策者摘要。
美国航空航天局。2018。 全球气候变化：地球的生命体征。 美国宇航局的这个网站提供了大量引人入胜的多媒体内容。 使用 NASA 卫星收集的数据等了解气候变化。