周春江

法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家傅里葉首次用數(shù)學(xué)物理學(xué)的方法，計算地球表面溫度時，認(rèn)為大氣對地球的保溫作用和溫室玻璃有異曲同工之妙，此后，“溫室氣體”這個詞漸漸步入人們視野。由于容易理解，“溫室氣體”逐漸成為大氣科學(xué)領(lǐng)域普及程度最高的專業(yè)術(shù)語之一。

政府間氣候變化專門委員會（IntergovernmentalPanel on Climate Change，簡寫為IPCC）的《第5次評估報告》指出：20世紀(jì)50年代以來，全球氣候變暖一半以上是由人類活動造成的。要控制全球氣候變暖，必須大幅度減少溫室氣體的排放。

也許近年來，對全球變暖的擔(dān)憂，讓不少人看到“溫室效應(yīng)”就皺眉頭。事實(shí)上，溫室氣體并不是專職的搗蛋鬼，如果沒有它們帶來的溫室效應(yīng)，地球同樣無法孕育大量生命;但過多的溫室氣體就會造成溫室效應(yīng)異常增強(qiáng)。所以，溫室效應(yīng)異常增強(qiáng)才是問題的源頭。

溫室效應(yīng)異常增強(qiáng)，人類難辭其咎

溫室氣體帶來溫室效應(yīng)，這是由它們自身的分子結(jié)構(gòu)決定的。溫室氣體的分子結(jié)構(gòu)使其在震動時可以吸收紅外線，因此具有保存紅外熱能的能力。如果沒有溫室效應(yīng)，地球無法保存輻射能量，溫度將穩(wěn)定在-18℃左右。而地球今天的實(shí)際溫度約為15℃，這增加的33℃的保暖效果就是溫室效應(yīng)提供的。它像一床溫暖的被子保護(hù)著地球上的生命。除了常說的二氧化碳，水汽、臭氧、甲烷、氫氟碳化物等也都是溫室氣體。

但如果非得把過多的溫室氣體看作搗蛋鬼，那么，人類就是不能推卸責(zé)任的始作俑者了。

拿二氧化碳這個關(guān)注度最高的溫室氣體來說。二氧化碳占大氣總體積的0.03%～0.04%，但由于人類活動的影響，大氣中的二氧化碳濃度正在快速上升，在目前人類的溫室氣體總排放量中，二氧化碳約占76%。在過去的數(shù)十萬年時光中，地球大約以10萬年1次的頻率在大的冰期和間冰期中循環(huán)，地表溫度有升有降。而大氣的二氧化碳濃度始終遵循著自然界物理化學(xué)規(guī)律的制約，保持在180～280百萬分比濃度之間。

但工業(yè)革命之后，人類利用地球能源的能力快速增強(qiáng)。原本埋藏在地下，可能數(shù)千萬到數(shù)億年都不見天日的化石燃料，在短短幾十年內(nèi)就被大量燃燒，產(chǎn)生的二氧化碳引發(fā)大氣二氧化碳濃度前所未有的增長變化。截至2020年3月，大氣二氧化碳濃度已達(dá)到414.5百萬分比濃度，比工業(yè)革命前升高45% 以上，比過去80萬年中的任何時候都高。

然而還有一些人認(rèn)為，與自然本身的二氧化碳排放基數(shù)相比，人類排放的二氧化碳數(shù)量并沒有多到夸張，怎么就能產(chǎn)生如此巨大的影響呢？

打個比方吧：如果人一日三餐規(guī)律飲食，一般都可以保持身材勻稱、身體健康;但如果從某一天開始，每天晚上多吃1個小蛋糕，一年之后就會長胖10斤。1個小蛋糕看起來比一日三餐的量少，但實(shí)際上它破壞了長期以來人體熱量的供需關(guān)系，所以就會導(dǎo)致人長胖。說回二氧化碳排放，人類進(jìn)一步改造自然，開墾森林草原，建立城市，使得自然界的固碳能力不斷下降，影響了全球碳循環(huán)的平衡，因此導(dǎo)致溫室效應(yīng)異常增強(qiáng)，地表溫度異常升高。

監(jiān)測溫室氣體，組建大氣觀測網(wǎng)

面對溫室氣體造成的巨大氣候危機(jī)，人類作為始作俑者也到了非管不可的地步。于是，各個國家、各個國際組織紛紛推出了不同的溫室氣體監(jiān)測計劃，上天入地，給溫室氣體裝上了360°無死角的“攝像頭”。

1957年，美國莫納羅亞天文臺的查里斯·大衛(wèi)·基林開始了最早的二氧化碳地基觀測數(shù)據(jù)記錄。1970年，受聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署委托，世界氣象組織（World MeteorologicalOrganization，簡寫為WMO）組織實(shí)施了大氣本底污染監(jiān)測網(wǎng)計劃（本底監(jiān)測，指對未受到人類活動影響的大氣自然狀態(tài)下各種成分的濃度監(jiān)測，堪稱氣候變化的“忠實(shí)記錄者”）。

隨著全球變暖問題日益突出，WMO 于1989年開始組建全球大氣觀測網(wǎng)（Global Atmosphere Watch，簡寫為GAW），長遠(yuǎn)目標(biāo)是記錄有關(guān)大氣化學(xué)成分的變化，監(jiān)測那些對環(huán)境造成危害的氣體粒子，如二氧化碳、臭氧等溫室氣體。截至2012年3月，來自65個國家的325個站點(diǎn)向世界溫室氣體數(shù)據(jù)中心提交了111種溫室氣體和相關(guān)氣體的觀測數(shù)據(jù)。2004年，總碳含量觀測網(wǎng)絡(luò)（Total ColumnCarbon Observing Network，簡寫為TCCON）建立起來，旨在測量精確的二氧化碳等溫室氣體柱濃度，目前已建立全球站點(diǎn)接近70個，國內(nèi)建有合肥站。

常規(guī)的地基觀測無法解決全球大氣碳含量的空間分布問題，更無法監(jiān)測到海洋上空大氣中二氧化碳的含量，因此需要飛機(jī)、高塔、航船、衛(wèi)星觀測資料來幫忙，結(jié)合同期氣象資料和模式推算，從而更及時、準(zhǔn)確地測算不同區(qū)域溫室氣體的排放、吸收狀況，分析評估不同區(qū)域間的輸送和相互影響。

近年來，利用衛(wèi)星平臺對地球大氣二氧化碳濃度進(jìn)行監(jiān)測獲得越來越多的關(guān)注。但溫室氣體觀測衛(wèi)星對科學(xué)技術(shù)綜合實(shí)力與國力有較高的要求，因此，目前只有少數(shù)國家成功發(fā)射了溫室氣體觀測衛(wèi)星。

2016年，我國首顆用于監(jiān)測全球大氣二氧化碳含量的科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，成為國際上第3顆具有高精度溫室氣體探測能力的衛(wèi)星。2018年，我國首顆碳衛(wèi)星獲取的第一幅全球二氧化碳分布圖對外公布。該分布圖有助于準(zhǔn)確監(jiān)測二氧化碳的時空變化，在碳排放數(shù)據(jù)上知己知彼，對提升我國在國際氣候變化方面的話語權(quán)具有重要意義。 畢竟，管理大氣問題也不能一直聽人說，也要有自己的經(jīng)驗和方法。

中國的溫室氣體監(jiān)測

我國位于亞洲季風(fēng)區(qū)，是受全球變暖影響較大的區(qū)域之一。我國在應(yīng)對全球變暖問題上一直做著積極的努力。自20世紀(jì) 90 年代開始，我國首先在青海瓦里關(guān)站開展溫室氣體觀測。該站是WMO/GAW 的31個全球大氣本底觀測站之一，也是目前歐亞大陸腹地唯一的大陸型全球本底站。中國的科研人員也在溫室氣體濃度觀測、源匯分析、溫室氣體與全球變暖關(guān)系分析，以及未來氣候變化預(yù)測等多個方面，做出了巨大貢獻(xiàn)。

2019年5月，第一屆中國溫室氣體監(jiān)測研討會在北京召開，約200位科研和技術(shù)人員交流介紹了自己的工作。比如，利用內(nèi)蒙古的二氧化碳剖面測量結(jié)果，直接觀測到大氣傳輸和平流層- 對流層的物質(zhì)交換;對長江三角洲地區(qū)高強(qiáng)度氫氟碳化物排放的研究;對珠江三角洲地區(qū)的背景大氣二氧化碳和潛在源區(qū)測量;通過地基傅里葉變換紅外光譜儀和Picarro 光譜儀的測量，首次揭示了河北廊坊香河地區(qū)甲烷的時空分布和垂直分布;對近地面臭氧的觀測;用狗尾巴草監(jiān)測城區(qū)碳排放等。

人類對溫室氣體的認(rèn)識是不斷深化的：1861年，英國物理學(xué)家丁達(dá)爾發(fā)現(xiàn)，大氣溫室效應(yīng)是由含量很少的水汽和二氧化碳貢獻(xiàn)的;1896年，瑞典物理化學(xué)家阿倫尼烏斯首次通過自己設(shè)計的氣候變化模型計算了溫室效應(yīng)，提出二氧化碳濃度增加1倍，全球溫度將升高6℃。今天，我們認(rèn)識到了更多種類的溫室氣體，對氣候變化機(jī)制的理解也更加深刻。根據(jù)2013年發(fā)布的IPCC《第5次評估報告》給出的評估結(jié)論，二氧化碳濃度增加1倍，全球升溫3℃（±1.5℃）。大氣中溫室氣體濃度的監(jiān)測也是一項復(fù)雜而繁重的工作，它集研究、工程、設(shè)備、組織于一體，目前依然存在許多問題和挑戰(zhàn)，但從100多年前粗糙的二氧化碳觀測，到現(xiàn)在的地基、天基、衛(wèi)星一體化的觀測網(wǎng)建立，其未來的發(fā)展值得期待。