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面对茫茫天宇，人类从未停止过思考和探索。既有中国的“盘古开天辟地”“女娲补天”的神话，又有西方“创世纪说”“诺亚方舟”的传说。然而人类在慨叹宇宙的大不可方之余，抬眼望星际银河，龙光牛斗，回头俯身察宇宙中的地球母亲，万类繁衍，万物得时，人类不禁又要问，宇宙产生又经过亿万斯年后，初生的地球情形又是怎样？那时地球的地质地貌、天气气候又是如何？
美国学者斯蒂芬施奈德在他的《地球——我们输不起的实验室》一书中描写到：“一段特别值得一游的时期将是生命的萌芽时期，那就是大约35亿年以前的所谓的太古代时期。在那里……我们会看到什么？……我们将会看到太阳从天空云彩背后冉冉升起，看到高耸的、喷着烟雾的火山，看到海浪在轻轻拍打着既无树木也无杂草的瘠薄平地。海岸线上凸立的是一些古怪的、N米见方的、蘑菇状的石块。如果没有保护眼睛和皮肤的装置，我们不敢离开我们的时间机器，因为外面紫外线辐射强度极高，高到足以对陆地或空气中所有已知的生命的生存构成威胁。我们还必须佩戴氧气面罩，因为大气主要由二氧化碳气体组成，虽然存在一些氧气，但其含量大约只有今天的一亿分之一。大气温度高达38℃，但正午的太阳比起我们所熟悉的全新世间冰川期（我们生活的时代）的太阳似乎要暗淡一些，而且显得要小一些。我们的时间机器外部的太阳能接收面板显示接收的能量约为600瓦，这大概是我们今天所接收的太阳能的四分之一。35亿年以前的太阳要比今天的太阳小……”这就是斯蒂芬施奈德结合科学研究和他的文学造诣，以及他无比绝伦的幻想，为人们描述的充满浪漫、想象力而又不乏科学依据的地球遥远的太古时代的气候。
大约又过了数亿年，地球无声地走过了由古生代（5.7亿—2.25亿年以前）、中生代（2.25亿—0.65亿年以前）以及新生代（0.65亿年以前至今）组成的“晚近”时期，地球的生命在这一地质时代悄然形成。地球上的诸多生命，随着地球“冷—暖”“干—湿”、极端舒适、极端恶劣等一系列的自然气候变化，有的退化灭绝，有的生存繁衍。而由气候变化引起的不同物种的灭绝和新生，为人类敲响了警钟，也指引了方向。
通过科学家不懈的努力，他们发现，在最近的一百万年中以寒冷气候为主导，即第四纪大冰期时期，北极地区的冰盖向中纬度地区大幅度扩张，最强盛的时候到达过北纬57度，某些地方冰盖的厚度达2千米。大冰期中间隔着温暖的间冰期，冷暖的气候变迁引起冰川的消长进退，对欧洲阿尔卑斯山的冰川地貌研究表明，第四纪冰期分为四个冰期，为三个相对温暖的间冰期所分隔。冰期与间冰期相比较，中纬度地区的山地雪线升降幅度可超过1200米。
在距今1.1万—0.5万年，由于地球轨道参数的变化，气候转暖，冰川退缩，北半球山地冰川发生一次显著的退缩事件，地球再次进入了温暖的间冰期，但当时冰川退缩的规模比20世纪末要小得多。大冰期以后，地球大部分地区的气候在公元前5000至公元前3000年前最为温暖，被认为是冰期以后的气候最适期。
公元前900—450年，即所谓铁器时代的早期，欧洲的气候进入了冷湿时期，阿尔卑斯山的冰川显著扩张，从爱尔兰到德国的许多泥炭层刨面中显示出2500年前在这一广大地区分布着沼泽，北美洲落基山北纬50度以南所发现的现代冰川遗迹大多在这个时期形成。此后，大致在公元1000—1200年，南、北半球的气候又处于适宜的温暖状态，也被称为“第二个气候最适期”。当时格陵兰岛南部的气温据推测比现在高4度左右，由于气候比较适宜，维金人在公元982年移民到格陵兰定居。公元1430—1850年间，北半球的气候转冷，特别是在1650—1750年间，被称为“小冰期”。伴随着寒冷期气候而来的，是中纬度地带的湿润，雨量的增加，使这一时期里海的水平面较之以前和以后几个世纪高出了5米以上。
总之，从遥远的太古至1750年即工业革命以前，全球气候变化基本由地球本身的自然变化引起，而且也呈现出一定的规律性。如在过去的42万年里，地球的温度有4个变化周期，一个周期大概10万年，温度从6度到10度不等。在此期间，地球气候也出现过几次突变情况，如在距今12500年、8000年和距今三四百年前都发生过地球温度忽然发生突变的情况，正如电影《后天》中描述的那样，但这些气候变化都是不以人的意志变化为转移，和人类活动本身大体无关。而工业革命以后，人类文明在加速前进的同时，全球气候也因人类活动的肆意无度，经历了一个真正意义上的史无前例的大变化。
气候系统是地球系统中最为活跃的组成部分之一，从地质历史看，地球一直以来就经历着“冷—暖”和“干—湿”等一系列的自然变化，而且不排除在某一时期存在比现在更适宜或更恶劣的地球气候。1860年，英国科学家廷德尔（Tyndall）发现，造成温室效应的因素不是大气里主要的氮和氧，而是比较少量的其他各种气体，特别是水汽、CO 2 和CH 4 ，于是人们把这些气体称为“温室气体”。由于温室气体排放增加，全球气候呈明显的变暖趋势。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第四次评估报告指出：全球地表平均温度近百年来（1906—2005年）升高了0.74℃，最近50年的升温速率几乎是过去100年的两倍，最近10年是有记录以来最热的10年。报告认为，若不采取减排措施，21世纪全球气候仍将持续变暖。到2020年，全球地表平均温度相对于20世纪后20年大约升高0.4℃，到21世纪末可能升高1.l℃—6.4℃，其中以陆地和北半球高纬度地区的增暖最为显著。这将对地球气候系统产生深刻影响，进一步破坏人类与生态环境系统之间已建立起的相互适应关系，使全球的可持续发展受到严重的挑战。
（一）从极端事件透视气候的恶化
天气和气候极端事件，主要是指天气和气候状态在一定时间内较大程度地偏离正常状况。据国际气象组织报告，2008年全球气象特征表现非常极端。例如，土耳其度过了50年来最冷的1月，美国中西部地区2月的平均气温低于正常值约5℃，加拿大多伦多的降雪量为70年之最，阿根廷在5月迎来了历史上最冷的冬天，而11月又经历了50年来最热的夏天。据统计，2008年，太平洋、大西洋和印度洋共生成了约60个热带风暴，它们遍布南亚、东南亚、非洲、加勒比海、欧洲及美洲，甚至连国土主要被沙漠和地表岩石所覆盖的陆地都曾一度变成沼泽之国。其中，5月在印度洋北部生成的纳尔吉斯气旋是l991年以来亚洲遭遇过的最具破坏性的热带风暴，在缅甸造成了近8万人死亡的空前灾难。而在这些国家饱受洪涝灾害之苦的同时，澳大利亚、葡萄牙、西班牙，以及南美洲的乌拉圭、巴拉圭等国却都发生了严重的旱灾。
与全球气候变化几乎保持同步，中国近年来的天气和气候极端事件也呈上升趋势。2008年1月10日至2月2日，我国连续遭受4次低温雨雪及冰冻天气的袭击，影响范围之广、强度之大、持续时间之长，总体上为百年一遇，受灾人口达1亿多人，而同年我国的台风登陆次数之多、登陆时间之早、登陆比例之高，也都打破了历史记录。2008年3月，黄河内蒙古段因气温回升迅速，开河速度明显加快，由于开河期河槽蓄水量大、水位高，导致黄河内蒙古部分河段发生新中国成立以来最为严重的凌汛灾害。2008年8月25日，上海市出现入汛后最强暴雨天气，徐汇区1小时最大降水量为117.5毫米，为1872年有气象记录以来的最大值。10月下旬至11月上旬，中国南方地区出现了罕见的持续性强降水天气。10月21日至11月8日，南方平均降水量为94.9毫米，是常年同期的1.6倍，为1951年以来的最大值。
据国家气候变化对策协调小组办公室的初步估计，由极端天气和灾害所带来的损失和50年前相比已增加了10倍，20世纪90年代，全球发生的重大气象灾害比20世纪50年代多5倍。20世纪60年代，气象灾害平均每年造成的经济损失约40亿美元，而到了20世纪80年代和90年代灾害每年造成的经济损失则高达290亿美元。中国因气象灾害造成的年平均经济损失，20世纪50年代为80亿元，80年代增至年均410亿元，而到了90年代则年均高达1300亿元。随着气候变化问题的日益加剧、极端天气气候事件及其引发的相关事件（如海平面上升）发生概率的增加，人类社会生活的各个方面将面临更大的威胁和挑战，其中的一些影响可能会危及人类社会沿袭数千年的生产生活方式，甚至带来不可恢复的毁灭性的灾难。
（二）从行业层面分析气候的变化
就中国而言，气候变化对各行业的影响十分巨大。例如，气候变化对中国农牧业生产的负面影响已经显现，农业生产不稳定性增加；因气候变暖引起农作物发育期提前而加大早春冻害；草原产量和质量均有所下降，气象灾害造成的农牧业损失增大。未来气候变化对农牧业的影响仍以负面影响为主，小麦、水稻和玉米三大作物均可能以减产为主；农业生产布局和结构将出现变化；土壤有机质分解加快；农作物病虫害出现的范围可能扩大；草地潜在荒漠化趋势加剧；火灾发生频率将呈增加趋势；畜禽生产和繁殖能力可能受到影响，畜禽疫情发生风险加大。
有研究指出，北半球年平均气温每增减1度，会使农作物的生长期增减3—4周。这个变化对农作物生长具有重大影响，如在气候温和时期，单季稻种植区可北进至黄河流域，双季稻则可至长江两岸；而在寒冷时期，单季稻种植区要南退至淮河流域，双季稻则退至华南。气候变化对农业产量的影响，在高纬度地区表现最为明显，而对低纬度地区则影响相对较小。在中高纬地区，如果局地平均温度增加1℃—3℃，作物生长季节延长，生长速度加快，粮食产量预计会有少量增加；若升温超过这一范围，某些地区农作物产量则会降低。从全球角度看，若局地平均温度增加范围在1℃—3℃，粮食生产潜力预计会随温度升高而增加；若超过这一范围，则会降低。
现有的研究表明，气候变化导致温度的升高，能够直接影响作物的生长发育，从而影响粮食生产能力。而气温和降水的反常变化、干旱和洪涝等自然灾害发生的频率和强度的增大，都将导致粮食生产的不稳定性加剧，作物产量波动加大。气候变暖还可能会改变土壤条件、加剧病虫害的流行和杂草蔓延，从而使农业生产条件恶化。因适应气候变化，未来粮食生产结构与布局可能发生重大调整，种植制度、作物种类、品种质量、生产成本和投资等都可能发生重大变化。气候变化也会影响到其他种植业、畜牧业和水产业的生产环境、布局、结构、产量等。按照目前的趋势，全球平均气温很可能继续升高2℃—3℃，中国的农业生产届时将受到严重冲击。根据中国农业和气候科学家的最新研究，气候变化可能导致中国三大主要粮食作物（水稻、小麦和玉米）产量持续下降，受气温升高、农业用水减少和耕地面积下降等因素的综合作用，估算表明，气候变化和极端气候灾害将导致我国农业生产尤其是粮食生产的波动，从过去的10％增加到20％，极端年景甚至达到30％以上。2050年中国的粮食总生产水平可能下降14％—23％（林而达，2008），如果不采取措施，气候变化将严重影响中国长期的粮食安全。
另外，为减缓气候变化，生物能源被作为矿物燃料的替代品正不断发展壮大，这有可能加剧土地和粮食供求矛盾，从而对世界粮食安全构成另一种挑战。在气候变化的背景下，全球粮食生产的不稳定性、产量下降和格局调整还可能影响世界粮食的贸易和价格，粮食可能被视为一种重要的战略资源被实行出口配额和贸易限制措施，使粮食供应问题加重，高粮价将严重挫伤那些靠进口粮食来满足内部需求的发展中国家和贫困人口，引发潜在的冲突。
全球气温升高后，某些病虫的分布区域可能扩大，一些病虫害发生的起始时间提前，使多世代害虫繁殖的代数增加，危害时间延长，从而影响农业生产。
（三）从区域层面剖析气候的演变
由于地域的不同和自然生态系统的差别，地球上不同区域所面对的气候变化问题可能存在类型、范围和程度上的差异，而且由于社会生产和生活体系的差异，不同区域在面对气候变化问题时也表现出了不同的脆弱性，这两个因素使地球上不同区域的气候变化影响及其表现存在着一定程度的区域差别。
第一，非洲。非洲是应对气候变化最为脆弱的大陆之一。因为气候变化，预计到2020年，将有0.75亿—2.5亿非洲人口的用水安全会受到较大冲击，这不仅会直接影响当地的生活，而且会使与水有关的其他问题（如地区安全）进一步恶化。
第二，亚洲。据估计在未来20—30年内，由于冰川融化，喜马拉雅地区的岩崩和洪水概率将明显增大。同时，由于海水入侵加上部分源于河流的洪水暴增，广大沿海地区尤其是东亚、南亚和东南亚等大三角洲地区，由于人口十分稠密，洪水产生的风险将十分巨大。
第三，澳洲。到2020年，预计在那些生态资源相对比较丰富的区域，气候变化将导致生物种类急剧衰减，当然，这种风险在其他地区也势必存在。到2030年，由于火灾和干旱事件频发，预计在新西兰东部和澳大利亚东南部等很多地区，林业和农业产量将明显减少。
第四，欧洲。预计在未来，气候变化将对欧洲绝大多数地区产生极为不利的影响，包括内陆地区洪水突发概率会增大，而海岸地区的洪水暴发次数更多，且侵蚀也越来越重，很多部门都将受到威胁。对多数生态系统和生物群落来说，这种气候变化是非常难以适应的。
第五，南美洲。由于温度持续升高，土壤含水量逐步降低，预计到21世纪中叶，在亚马孙东部地区，热带稀树草原将逐渐取代热带雨林，半干旱植被也将慢慢被干旱地区的植被所代替。在热带拉丁美洲，将有部分物种灭绝，从而导致生物多样性迅速减少。
第六，北美洲。对于北美洲农作物而言，面临的风险主要是不断升高的温度将超出其适宜范围的最高限，还有农作物需要的水资源是否能够提高利用效率的问题。对于那些遭遇热浪比较频繁的城市来说，21世纪将会面临更为严重的热浪袭击，这将对人们的健康产生极为不利的影响。
第七，极地地区。对极地地区来说，气候变化的主要影响包括冰盖、冰川厚度变薄，以及海冰面积将进一步减少。在北极地区，海冰的面积将持续下降，并且多年冻土的融化深度也将不断增加。此外，由于气候变化，容易造成物种入侵，从而使极地地区生态系统遭到破坏。
第八，小岛屿。由于海平面上升，风暴潮、洪水及其他灾害发生的频率大为增加，使得小岛屿上的人居环境和重要的基础设施遭到破坏，影响居民的生活和生产环境。
瓦特发明的蒸汽机，将大西洋的一个海岛小国推向日不落帝国之巅，与此同时，也将人类历史推进了工业化时代。这个被马克思称为“一百多年创造的财富，相当于人类几千年创造的财富总和”的时代，在加速推进人类文明进程的同时，也在悄然改变着恒居万年不变的全球气候系统。
对于气候变暖造成的异常，有自然原因，也有人类活动原因。自然原因包括地球系统本身的某些因素如火山爆发、海—陆—气相互作用、地壳运动和地球转动等；有的是地球以外的因素，如太阳辐射、银河系尘埃等。但经过科学家长期艰苦的探索，他们认为：虽然影响气候变化的因子非常复杂，但全球气候正在加速变暖的主要原因是温室气体增加，而温室气体增加主要原因是由于大气中CO 2 浓度不断增加，是人类大量排放的结果。
大气温室气体增温效应即“温室效应”早在1827年就被证实，
“温室效应”是由于人为活动产生的温室气体（CO
2
、CH
4
、N
2
O、HFCs、PFCs、SF
6
）排放量不断增加，打破了原来各种天然温室气体成分的自然平衡，使大气中的温室气体浓度呈现不断增长的趋势。
1750年以来，全球大气中CO
2
、CH
4
、N
2
O和一些氢氟碳化物的含量剧增，目前已经远远超出工业革命前的水平。
CO
2
的增加主要是人类使用化石燃料所致，而CH
4
和N
2
O的增加主要是由于人类的农业生产活动。目前，这些气体已经大大超出了根据冰芯记录得到的工业化前几千年来的浓度值，其中CO
2
浓度从工业化前的约0.280mol ／ L增加到2005年的0.379mol ／ L，CH
4
浓度值从工业化前的约7.15 × 10
－4
mol ／ L增加到2005年的1.774 × 10
－3
mol ／ L，N
2
O浓度从工业化前的约2.70 × 10
－4
mol ／ L增加到2005年的3.19 × 10
－4
mol ／ L。
Crowley利用能量平衡模式（Energy Balance Climate Model）研究了近1000年来北半球的气温变化，他认为，20世纪的升温中，温室气体的强迫贡献已超过了气候的自然变化。
CO
2
一旦排放到大气中，可以生存50—200年。从CO
2
的生存周期来看，现在空气中很大一部分CO
2
是发达国家从工业革命以来排放到大气中的，现在仍在起作用，1750—1950年发达国家排放的二氧化碳占世界总量的95％，1950—2002年发达国家二氧化碳排放量占世界累计排放量的77％。
鉴于气候变化是世界性的问题，各国政府在做决策时，需要有一个科学的权威依据，于是在1988年11月世界气象组织和联合国环境规划署联合成立了政府间气候变化专门委员会（简称IPCC），为国际社会就气候变化问题提供科学依据。从20世纪80年代中期开始至今，IPCC对人类活动影响气候变化做了四次评估。2007年2月2日开始发布第四次评估报告，对这个问题有了越来越清晰的认识。第四次评估报告对引起气候变暖的原因，综合了全世界的研究指出：过去100年特别是过去50年的全球气候变暖很可能主要是由大气中CO
2
等温室气体浓度增加引起的。这一结论主要基于大量的观测事实和气候模式模拟分析。模拟研究一般采用全球大气—海洋环流耦合模式，考虑自然强迫因子如太阳活动和火山活动，以及人类排放的温室气体和硫化物气溶胶，模拟20世纪全球年平均气温的变化。这些研究表明，当只考虑自然强迫时，模拟不出20世纪的全球变暖；当只考虑人类活动影响时，可以基本上模拟出20世纪全球变暖的趋势；而当输入所有的强迫时，模拟与观测的气温变化过程吻合得最好。 IPCC报告还认为，影响20世纪气候变化的主要因子是太阳活动、火山活动和人类活动，而人类活动排放的温室气体在近50多年的全球变暖中起到主导作用。总之，根据IPCC的观点，结论十分清楚：全球气候正在变暖，原因是由于大气中CO
2
浓度不断增加，这是人类大量排放的结果，为此应严格限制CO
2
的排放。如果不采取措施控制二氧化碳等温室气体的排放，地球平均气温很可能（90％可能性）将持续升高，造成海平面上升和极端气候等灾难性后果。
那么是什么原因造成了人类往大气中排碳。这是由于1860年工业革命以来，社会文明的发展，人类的生产模式越来越依赖机器，这就需要更多的能源来维持其运作，这也意味着需要燃烧更多化石燃料来满足需求，结果导致大量的温室气体排放。据统计，1965—2010年全球每年由化石能源燃烧产生的碳排放量从117.4 × 108t增加到331.6 × 108t，增长了2.82倍，年均增长2.4％。全球二氧化碳排放量呈现出不断上升的趋势，但变化有一个曲折的过程。1965—1973年期间增速较快，年均增长4.8％，1974年和1975年增速回落，1976—1979年恢复增长，达到高点后，又有4年的回落，然后迂回增长，2002—2008年又进入一个快速增长期，年均增长3.09％，2009年受美国金融危机的影响，全球经济萎缩，对能源的需求下降，碳排放量降低了1.8％，为增速回落最大的年份，而2010年又强劲反弹，二氧化碳排放量增长5.8％，接近历史最高值。研究还表明，近50年来大气中CO 2 含量以0.4％的增速增加，近年来有加速之势，过去10年（2001—2010年）每年平均增加2.04ppm，增速为0.54％，明显高于平均值，形势令人堪忧。
从CO 2 排放的地区分布来看，经计算1965—2008年二氧化碳累计排放量中，美国是40年来累计排放量最大的国家，累计排放238102百万吨，占全球累计排放量的25.5％，超过1 ／4。欧洲国家在累计排放量前10名中最多，俄罗斯、德国、英国、法国都是二氧化碳排放量的大户，其他欧洲国家也占到全球累计排放量的21％。中国由于人口众多，所以累计排放量也占到全球的1 ／10。
在过去的一个世纪中，人类在工业化过程中创造了辉煌的物质文明，而物质文明的取得是建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料需求量的大幅增加的基础之上。这一结果使全球CO 2 排放量大幅增加，从而导致全球气温变暖，使得自然界发生了不可逆转的变化。温室效应及其全球气候变暖问题与臭氧层破坏、生物多样性保护等问题一起构成了当今全球环境问题的主要内容。