12 POSITIVE FEEDBACKS IN CLIMATE CHANGE

气候变化中的正反馈

布鲁斯·帕克（BRUCE PARKER）

史蒂文斯理工学院海事系统中心客座教授；著有《海洋的力量》（ The Power of the Sea ）

公众（甚至许多科学家）对气候变化机制的复杂性知之甚少。气候变化涉及物理学、化学、生物学、地质学和天文学的推动等重要因素。目前政治辩论的焦点在于，自从人类开始砍伐世界各地的森林，（特别是）开始燃烧大量矿物燃料以来，地球大气中二氧化碳的增加带来了怎样的影响。但这场辩论往往忽略了二氧化碳的增加所改变的（或不改变的，这取决于人们的政治观点）复杂的气候系统。

地球的气候在其存在的45亿年里一直在变化。至少在过去的240万年里，地球的北半球经历了许多有规律的显著变冷和变暖周期，我们称之为冰期旋回。在每一次旋回中，都有一段漫长的冰期，缓慢增长的大陆冰盖覆盖了北半球大部分冰盖，这些冰盖厚度可达数千米，同时海平面下降约90多米。最后，冰盖迅速融化，海平面随之上升，开始了一个相对短暂的间冰期，我们现在就处于这种时期。在大约160万年的时间里，冰期-间冰期旋回的时间平均约为4.1万年。从世界各地的冰芯、海底沉积物芯以及洞穴化学淀积物（钟乳石和石笋）中收集的许多显著的古气候数据中就可以看到这方面的证据。最近，科学家收集了更多有关这方面的数据记录，分辨率也更高，在某些情况下，甚至达到了10倍的分辨率。数百万年来的温度、冰盖体积、海平面高度以及其他参数的变化可以通过不断变化的各种同位素对（诸如氧18/氧16、碳13/碳14，等等）的比率得以确定，其确定的依据是对这些元素的同位素在不同的物理、化学、生物和地质过程中存在何种差异的了解。比如大气中二氧化碳和甲烷的变化就可以通过格陵兰岛和南极冰盖的冰芯得以测量。

在这些数据中，冰期-间冰期旋回的平均周期与地球倾角（地球自转轴与轨道轴之间的夹角）的振荡相吻合。地球倾角在22.1°和24.5°之间来回震荡，周期为4.1万年，导致日照的空间分布发生小幅变化。然而，从大约80万年前开始，冰期-间冰期旋回的周期变化为大约8.2万年，而最近又变化为大约12.3万年。许多科学家把最近这种更长的冰期-间冰期旋回的变化称为“10万年的问题”，因为他们不明白为什么会发生这种变化。

然而，科学家不明白的事情远不止这一件。他们仍然不知道为什么这些周期会开始和结束。地球近代史上最显著的气候变化仍然是个谜。有一段时间，科学家也不确定如此微小的日照变化如何会导致北半球大陆上主要冰盖的形成，也不明白这微小的日照变化又如何导致这些冰盖的融化。他们最终认识到，地球气候系统中存在着正反馈机制，这些机制缓慢地导致了这种剧烈的变化。也许更好地理解这些正反馈机制将有助于公众认识到气候变化的复杂性。

人们普遍认同的、最容易理解的正反馈机制包括在冰期形成的大范围冰盖对阳光的反射（反照率）。与土壤、植被和水相比，冰和雪会将更多的光反射回太空（从而减轻变暖）。一旦在冰期伊始时冰盖开始形成，更多的阳光就会被反射出去，因此就会减轻地球变暖。这样地球就会变冷，冰盖就会扩大，覆盖更多的土壤、植被和水，从而进一步增加向太空的反射，导致进一步的变冷和冰盖面积增大。在间冰期也有正反馈，但是趋向变暖：随着冰盖的融化，越来越多的土地和海洋暴露出来，从而吸收更多的光，这样进一步使地球变暖，冰盖减少，进而加剧变暖等。

在冰期-间冰期旋回中，大气中的二氧化碳也会发生变化。它的浓度在冰期较低，在间冰期较高。有多种过程可以导致二氧化碳在寒冷时期减少，在温暖时期增加，这些过程涉及温度对二氧化碳的影响、二氧化碳在海洋中的溶解度、海洋中和陆地上生物生产力的变化、盐度的变化、进入海洋的尘土的变化，等等。所以这场争论的焦点是，究竟是二氧化碳导致了变暖从而引发了间冰期，还是别的原因导致了最初的变暖从而引发了二氧化碳的增加。不管是哪种方式，都有涉及二氧化碳的重要正反馈，因为温度的变化和二氧化碳的变化是一致的。

还有其他可能的正反馈机制以及更多的细节，但这些不可能在一篇短文中得以详细讨论。这里讨论的重点是，通过各种正反馈机制，气候科学家可以在某种程度上了解到冰期是如何随着冰盖的扩大而变得越来越冷，间冰期是如何随着冰盖的融化而变得越来越暖。但最大的问题还是未能解决：没有人能够解释冰期是如何转变为间冰期，然后再回到冰期的。没有人知道是什么导致了冰期的终结（地球的突然变暖和冰盖的融化），以及是什么导致了冰期的开始（地球相对缓慢地变冷和冰盖不断扩大）。如果你不理解这一点，你就不能完全理解气候变化，你的气候模型就缺乏关键的气候变化部分。

在地球的不同历史时期，二氧化碳含量可能都比较高，但有证据表明，在人类的影响下，二氧化碳迅速上升到目前的水平，这是史无前例的。是大气中二氧化碳的含量重要呢，还是其增加速度重要呢？在间冰期结束时二氧化碳的增加速率对冰期旋回有什么影响？要想准确评估人类对气候变化的影响程度（尤其是未来的可能影响程度），其关键是使气候模型尽可能准确。这意味着包括所有重要的物理、化学、生物和地质过程。测试这些模型的唯一方法是让它们在过去的情境里运行，并将它们的预测与我们精心获取的古气候数据进行比较。目前，这些模型还不能产生与古气候数据精确匹配的冰川终结期和冰川起始期。这将又是一个大障碍。如果那些争论人为使得全球变暖的人能够更多地了解他们所争论问题的复杂性，那将是非常有益的。