陸凡

2021年諾貝爾物理學獎頒發(fā)給兩位研究地球氣候變暖的科學家，其實，全球變暖并不是近幾十年才被人類發(fā)現(xiàn)的，早在19世紀就有科學家預(yù)見，二氧化碳終有一天會改變地球溫度。

傅里葉：最早研究氣候變暖的科學家

19世紀初，科學技術(shù)突飛猛進，催生了人類對氣候問題的早期研究。其中一位是法國數(shù)學家、物理學家約瑟夫·傅里葉，他窮盡畢生精力研究控制熱量傳遞的力學原理以及方程式，但他一直被一個問題所吸引：為什么地球能夠如此溫暖？因為根據(jù)他估算出的太陽照射到地球的能量，地球的溫度照理應(yīng)該比實際低很多。

1807年，傅里葉寫成關(guān)于熱傳導(dǎo)的論文《熱的傳播》，為了解熱傳導(dǎo)方程，他才創(chuàng)立了傅里葉分析理論。1820年，傅里葉計算出，一個物體假設(shè)有地球那樣的大小，到太陽的距離和地球一樣，如果只考慮太陽輻射的熱效應(yīng)，那么這個物體應(yīng)該比地球?qū)嶋H的溫度更低。因此，必然有其他熱源。雖然傅里葉認為，星際輻射或許占了其他熱源的一大部分，但是他第一次提出，地球大氣層可能是一種隔熱體，大氣層像溫室一樣，保存了從太陽輻射進來的一部分熱量，使得地球不至于像沒有大氣層的月球一樣，被太陽照射時溫度急劇升高，不受太陽照射時溫度急劇下降。

傅里葉提出了以下預(yù)言：“人類社會的發(fā)展和進步，加上大自然力量的作用，可能在地球的廣泛地區(qū)引起地表狀態(tài)、水資源分布以及大氣運動等方面的顯著變化。在幾個世紀后，這樣的變化一定會使那些地區(qū)的平均氣溫發(fā)生變化。”這是人類對地球可能發(fā)生氣候變化做出的最早預(yù)測之一—盡管當時，人類尚未弄清氣候變化的原因、氣候?qū)绾巫兓约熬烤故呛畏N氣體會對氣候造成影響。

尤尼斯·牛頓·富特：最早發(fā)現(xiàn)“溫室氣體”

19世紀20年代，法國數(shù)學家和物理學家約瑟夫·傅里葉提出了“大氣層像溫室一樣”的假設(shè)，30多年之后，美國業(yè)余科學家、杰出的婦女參政論者尤尼斯·牛頓·富特用嚴謹?shù)目茖W實驗驗證了傅里葉的假設(shè)。

富特出生于1819年，17歲時，富特進入當?shù)匾凰麨椤鞍敗ね隆钡呐訉W校學習，如今這所女子學院被譽為“女性教育的圣地”。富特在學校的化學實驗室中完成了研究項目所需要的規(guī)劃，且熟練掌握了化學實驗儀器的使用和操作技能。

1856年，富特對不同氣體的吸熱能力進行了測試，這是人類歷史上首次進行此類實驗。當時，她的研究工作只使用了一些簡單的儀器，包括兩個長76厘米、直徑10厘米的玻璃瓶，每個玻璃瓶裝有一支溫度計。她在這兩個玻璃瓶中加入了不同的氣體，并通過溫度變化比較氣體對太陽光照射的熱效應(yīng)。富特發(fā)現(xiàn)，潮濕的空氣比干燥的空氣能吸收更多的太陽輻射。與一般的空氣相比，二氧化碳吸收的太陽輻射更多。同時，她還發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，充滿二氧化碳的玻璃瓶，比充滿氫氣或氧氣的玻璃瓶要熱得多。由此，富特揭示了二氧化碳和水蒸氣在溫室效應(yīng)中的重要作用。富特將實驗結(jié)果寫進了論文，并提出了一個驚人的預(yù)言：“發(fā)生在裝滿二氧化碳的玻璃瓶里的事情，同樣也可能發(fā)生在我們的星球上……如果大氣層中充滿了這類氣體，地球的溫度將會升到很高?！边@篇論文發(fā)表在1856年的美國《科學》雜志上。當時，全球的氣候變化并不明顯，但富特前瞻性地預(yù)測，二氧化碳濃度的改變會影響全球溫度。

這是氣候物理學史上第一個真正的實驗，但不幸的是，她的實驗后來被人們遺忘了。而且，當她要在當時美國最著名的科學組織—美國科學促進協(xié)會面前展示她的研究成果時，協(xié)會不允許女性發(fā)言，因此，她的研究報告是由一名男性同事宣讀的。

一個多世紀以來，尤其是早期主要集中在歐洲的氣候科學家，似乎都沒有討論或引用過富特的研究成果。直到21世紀，退休的石油地質(zhì)學家雷蒙德·索倫森在他搜集的《科學發(fā)現(xiàn)年鑒》舊版本1857年卷中，意外地看到了關(guān)于富特工作的描述。他立刻意識到，這是第一篇將二氧化碳與氣候聯(lián)系起來的論文。2011年，他公開發(fā)表了他的發(fā)現(xiàn)。隨后越來越多的科學家和歷史學家開始發(fā)現(xiàn)富特研究的價值。

約翰·廷德爾：首次證明了大氣中的二氧化碳與溫室效應(yīng)之間的聯(lián)系

愛爾蘭物理學家、氣象學家約翰·廷德爾經(jīng)過多年的觀察與研究，于1859年得出結(jié)論：水蒸氣對保持地球大氣的溫度十分重要，其他氣體（如二氧化碳和氧氣）也起到同樣的作用。他開始進行大量計算，通過改變公式中這些氣體的值來得出不同的結(jié)果，最后的結(jié)論是：增加像二氧化碳這樣的氣體會對氣候產(chǎn)生十分顯著的影響。這就是我們現(xiàn)在所說的全球變暖，亦稱之為溫室效應(yīng)。廷德爾發(fā)現(xiàn)，二氧化碳在吸收熱量上具有非常強的能力。

廷德爾也是第一個提出天空藍色理論的人，他的理論被稱為“廷德爾效應(yīng)”。當時人們用廷德爾效應(yīng)來解釋天空的顏色，認為是由于大氣中存在大量的灰塵、小水滴、冰晶等眾多的小微粒，而太陽光在通過大氣時，會不可避免地遇到這些微粒，將太陽光中波長較短的藍色光散射到整個天空當中，因此整個天空才會呈現(xiàn)藍色。這種說法流行一時，直到1900年英國物理學家瑞利勛爵發(fā)現(xiàn)了瑞利散射現(xiàn)象，天空的“藍色之謎”才被真正揭開。

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斯凡特·阿倫尼烏斯：創(chuàng)建了世界上第一個氣候變化模型

人類在氣候科學方面的最終進步出現(xiàn)在1896年，那一年瑞典物理學家斯凡特·阿倫尼烏斯創(chuàng)建了世界上第一個氣候變化模型。

1896年，阿倫烏尼斯發(fā)表了“大氣中的二氧化碳對地球溫度的影響”的論文，在論文中，他不僅提出了“人類向大氣排放二氧化碳將使地球表面不斷升溫”這樣一個觀點，還給出了計算公式。他提出，如果大氣中的二氧化碳含量增加1倍，地球表面溫度會升高5℃或6℃，這跟后來一些氣候?qū)W家的計算模型差別不大。1908年，阿倫尼烏斯又寫出了另一篇論文《形成的世界》，進一步指出，由于工業(yè)的迅速發(fā)展，大氣中二氧化碳的比重在未來幾個世紀中會增加到令人矚目的程度。但是他判斷要經(jīng)過3000年不斷燃燒化石燃料，大氣中的二氧化碳含量才會翻番。阿倫尼烏斯計算出了地球溫度上升的速率，但沒有考慮到人類文明演進的速度—隨著科技的進步，越來越多的在地下埋藏了千萬年的煤被挖掘出來，填入了工業(yè)文明這臺巨大的發(fā)動機里去。

說到災(zāi)難，令阿倫尼烏斯和他同時代的科學家更為擔心的是，火山爆發(fā)可能會嚴重擾亂世界氣候。19世紀的科學家知道氣候突然發(fā)生變化會對人類造成致命威脅，但是他們想象不到氣溫的逐漸升高會帶來什么樣的危險。他們沒有預(yù)見到，全球變暖將給人類帶來很多嚴重的問題，例如，氣候變暖對遷徙入侵物種造成的各種挑戰(zhàn)、冰川消失后出現(xiàn)的復(fù)雜的生物圈反饋現(xiàn)象等。實際上，阿倫尼烏斯認為一個更暖和的地球會給人類帶來更多好處。

蓋伊：第一次提出氣候變暖與人類活動有關(guān)

盡管早在18世紀之前就建立了氣象學，但是我們看到，發(fā)現(xiàn)全球變暖與人類有關(guān)的科學家大多是其他領(lǐng)域的科學家，蓋伊也不例外。蓋伊是發(fā)動機工程師，但他有收集天氣數(shù)據(jù)的愛好。在收集天氣數(shù)據(jù)的過程中，他觀察到全球的溫度在近半個世紀以來有所上升。由于好奇全球變暖的成因，蓋伊利用業(yè)余時間，一共花了上千個小時跟世界各地的科學家和研究人員進行通信交流，并從數(shù)百個氣象站收集了大量的證據(jù)。蓋伊在考慮了各種能導(dǎo)致全球氣溫升高的因素之后，還進行了數(shù)以萬計的手工計算，最后他發(fā)現(xiàn)，大氣中二氧化碳的含量已從19世紀的274～292ppm，上升到1937年的300ppm。二氧化碳含量的增長不僅和全球氣溫上升呈高度相關(guān)，而且還能直接歸因于人類日益增加的生產(chǎn)活動。

蓋伊在1937年發(fā)表了論文《二氧化碳的人工生產(chǎn)及其對溫度的影響》，這篇論文發(fā)表一年后被更為專業(yè)的人士所注意。蓋伊得以在6位氣象學專家面前介紹他的研究成果。遺憾的是，盡管蓋伊的結(jié)論是建立在嚴格的科學程序上的，但是專家們首先質(zhì)疑的是蓋伊論文中二氧化碳和溫度的數(shù)據(jù)的準確性，而不是選擇檢驗數(shù)據(jù)，并直接忽略蓋伊的發(fā)現(xiàn)。其中一位專家還直言：“蓋伊并不是氣象學專家?！币虼松w伊的論文沒有被廣泛地宣傳。但蓋伊并沒有氣餒，他不斷地發(fā)表更為全面的論文，直到1964年去世之前，仍在進行相關(guān)的研究。

查爾斯·基林：為人類活動“干預(yù)”自然界提供了最有說服力的科學證據(jù)

蓋伊的努力并非是徒勞的，總有科學家會對蓋伊的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生興趣，美國地球化學家查爾斯·基林就是其中一員?；謴纳w伊的經(jīng)歷中吸取了教訓，他收集地球二氧化碳的數(shù)據(jù)所使用的是自己參與研制的、精確度享譽整個科學界的儀器。

基林于1958年開始在夏威夷莫納羅亞觀測站測量大氣中的二氧化碳濃度。他的初步測量結(jié)果顯示，二氧化碳濃度有很強的季節(jié)循環(huán)特性，每年夏天都會隨著植物吸收二氧化碳而降低。不過，到了1961年，他的結(jié)論是二氧化碳濃度確實在穩(wěn)定地上升中。著名的“基林曲線”就是基林的研究成果之一?；智€是一幅圖，該圖準確地顯示了地球上逐年增加的二氧化碳含量?；值难芯勘砻鳎怯捎谌祟惾找嬖鲩L的生產(chǎn)活動，造成了地球大氣二氧化碳含量的增加，從而導(dǎo)致全球變暖和溫室效應(yīng)。