绪论：地球气候系统的运行框架

如果问你“今天天气怎么样”，你大概会脱口而出“热得出奇，下午还下了场雷阵雨”；但如果问你“咱们这儿的气候是什么样的”，你可能需要想一想，才能说出“夏天热、冬天冷，春天多风、秋天干燥”这样的答案。你有没有发现，“天气”和“气候”虽然都和大气有关，却是完全不同的两个概念？而如果把地球当成一个活着的生命体，“气候”就是它维持了几十万年的稳定体温，这背后藏着一套精密到让人惊叹的运行系统——我们今天要聊的“地球气候系统”，就是解开这组“体温密码”的第一把钥匙。

一、地球的“体温调节系统”：五大圈层的协同作用

你有没有给宠物仓鼠造过生态箱？需要在箱子里放垫料（相当于岩石圈）、装个小水碗（水圈）、种点小植物（生物圈）、留透气孔（大气圈），冬天还要放点棉花（冰冻圈），这几个部分互相配合，仓鼠才能活得舒服。地球的气候系统就是这么个超大的“生态箱”，由五个互相嵌套、持续作用的圈层组成，缺一个都维持不住适合生命生存的稳定温度。

（一）五大圈层各自的功能

第一个是大气圈，就是包裹着地球的那层厚厚的气体，最厚的部分有1000多公里，我们平时说的“空气”只是它最底下的一小层。大气圈就像地球的“羽绒服内胆”，不仅给我们提供呼吸需要的氧气，还能拦住来自太阳的有害紫外线，更重要的是，它能留住太阳照射到地球的热量，不让热量全部散到太空里——如果没有这层“内胆”，地球的平均温度会降到零下18℃，根本没法长出花草、住下人类。你平时看到的云、下的雨、刮的风、打的雷，都是大气圈里发生的变化。

第二个是水圈，包括地球上的所有水：海洋、湖泊、河流、地下水，甚至岩石缝里的水、南极冰盖里的冰，都属于水圈。水圈是地球的“循环系统”，太阳把海水晒热，水变成水蒸气飘到天上，遇到冷空气变成雨落下来，流进河里、渗进地里，最后又流回海洋，这个循环我们叫“水循环”。水还有一个很重要的特性：比热容特别大，就是说它吸热慢、散热也慢，所以海边的地方夏天不会太热、冬天不会太冷，就是水圈在给地球“调温”。

第三个是岩石圈，就是地球表面的固体部分，包括地壳、地幔的最上层，我们脚下的土地、高山、火山、海底的岩石，都属于岩石圈。岩石圈是地球的“地基”，它不仅决定了地面的高低、海洋和陆地的分布，还会通过火山喷发、板块运动释放出大量的气体和热量，影响大气圈的温度。比如1991年菲律宾皮纳图博火山大爆发，喷出的气体和灰尘飘到大气圈顶层，挡住了部分太阳光，导致那一年全球平均气温降了0.5℃，相当于给地球“开了个降温的空调”。

第四个是生物圈，就是地球上所有生命的总和，从深海的热泉微生物，到参天的大树，从家里的宠物，到我们人类，都属于生物圈。生物圈是地球的“自调节系统”，植物通过光合作用吸收大气里的二氧化碳，释放氧气，能减少温室气体的含量；海洋里的浮游生物，每年能吸收人类排放的约30%的二氧化碳，相当于地球的“空气净化器”。而人类活动作为生物圈的一部分，现在已经成为影响气候系统最重要的力量之一。

第五个是冰冻圈，就是地球上所有以固态形式存在的水，包括南北极的冰盖、高山上的冰川、冬天结冰的河流湖泊、冻土层的冰，甚至高纬度地区的积雪，都属于冰冻圈。冰冻圈是地球的“反光镜”，冰的颜色是白色的，能把70%以上的太阳光反射回太空，而如果冰融化了，露出下面颜色更深的陆地或海水，就会吸收更多的太阳光，进一步加快升温——这个我们后面会详细讲的“正反馈效应”，就是冰冻圈给地球体温调节带来的特殊影响。

> 💡 电子版互动提示：点击这里可以查看五大圈层的3D动态模型，直观感受每个圈层的范围和相互作用 > 🔍 小知识：你可能会疑惑，南极的冰盖算不算水圈？其实冰冻圈是水圈的固态部分，和水圈是“同一个圈层的不同形态”，就像水的液态、固态、气态是同一种物质的不同状态一样。

（二）五大圈层如何协同“调温”

这五个圈层从来不是独立工作的，而是像咬合的齿轮一样，一个动了，其他的都会跟着转，共同维持地球的体温稳定。我们可以用2022年夏季长江流域的特大高温热浪做例子，看看五个圈层是怎么互相影响的： 首先是大气圈的变化：西太平洋的副热带高压比往年强了30%，一直控制着长江流域，就像给长江流域盖了个“大蒸笼”，云少了、降水少了、太阳光直接晒到地面，温度一下子就上去了。 然后是水圈的反应：因为降水少、温度高，长江流域的土壤水分蒸发量比往年多了40%，河流的水位降到了历史最低，很多地方甚至断流，水圈没法通过蒸发吸热，进一步加剧了升温。 接着是岩石圈的变化：地面温度最高的时候达到了70℃以上，石头都被晒得发烫，晚上散热也慢，导致夜间温度也降不下来，整个地区24小时都处于高温状态。 然后是生物圈的反馈：高温干旱导致农作物被晒蔫、森林火灾频发，植物被烧死之后，会释放出储存的二氧化碳，进一步增加了大气里的温室气体含量，让温度升得更高。 最后是冰冻圈的连锁反应：那一年青藏高原的冰川融化量比往年多了35%，融水虽然暂时增加了长江的水量，但长期来看，冰川越来越少，未来长江的供水就会出问题；同时北极的海冰也比往年少了20%，改变了大气环流的模式，进一步影响了东亚的天气系统。

你看，一个高温热浪的背后，是五个圈层共同作用的结果，而如果我们要应对气候变化，也必须从五个圈层一起入手，不能只盯着某一个。

【插图1：地球气候系统五大圈层相互作用示意图】 ```mermaid graph TD A[大气圈] --> B[水圈] A --> C[岩石圈] A --> D[生物圈] A --> E[冰冻圈] B --> A B --> C B --> D B --> E C --> A C --> B C --> D C --> E D --> A D --> B D --> C D --> E E --> A E --> B E --> C E --> D ```

> 🎯 小实践：画一画你心中的地球气候系统 拿出你的画本，画出你想象的五个圈层：天上飞的鸟、飘的云是大气圈，海里游的鱼、天上的雨是水圈，地上的山、火山是岩石圈，树上的猴子、地里的小虫子是生物圈，南北极的冰、冬天屋檐下的冰溜子是冰冻圈，然后画出它们之间互相作用的箭头，看看你和科学家画的气候系统示意图是不是一样？

二、天气和气候：不是一回事的“地球穿搭”

很多小朋友会把“天气”和“气候”混为一谈，其实它们的区别特别大：如果把地球当成一个要出门的人，“天气”就是它今天穿的衣服、带的伞，“气候”是它这一辈子的穿衣习惯。 最核心的区别是时间尺度：天气是短时间的大气状态，一般指几个小时到几周的变化，比如今天下午下雷阵雨、明天刮大风、这个周末降温，这些都是天气；而气候是长时间的气象统计特征，一般指30年以上的平均状态，比如北京夏天的平均气温是26℃，平均每年有20个雨天，这就是北京的气候。 还有一个更简单的判断方法：如果变化是“反反复复、忽上忽下”的，就是天气；如果是“长期往一个方向变”的，就是气候变化。比如今年冬天特别冷、去年冬天特别热，都是天气的正常波动；但如果过去10年，冬天的平均温度一年比一年高，平均下来10年升了2℃，这就是气候变化。 举个例子：东北的冬天平均气温是零下10℃左右，这是气候；但某一年突然寒潮来袭，气温降到零下25℃，这是天气反常，不能说明东北的气候变冷了。反过来，如果连续10年东北冬天的平均气温都比零下10℃高，那才是气候变暖的信号。

> 💡 小思考：你有没有注意到，最近冬天的雪是不是比小时候少了？夏天的蝉是不是叫得比以前早了？这些可能就是地球体温在变化的信号哦。 > 🔍 小实验：你可以连续记录一周的最高温、最低温、有没有下雨，算一算这一周的平均气温，和你去年同期的平均气温比一比，看看有没有差别？

三、什么是气候变化？自然变化和人为变化的区别

（一）气候变化的定义

地球46亿年的历史里，气候从来没有稳定过：有过全球都被冰盖覆盖的“雪球地球”，也有过两极都没有冰、热带都有恐龙生活的“温室地球”。我们现在说的“气候变化”，特指工业革命（1850年左右）以来，尤其是20世纪中期以后，气候系统的平均状态和极端状态发生了显著的、持续的改变，且这种改变的速度远超过自然波动的范围。 这里有几个关键点：第一，不是短期的天气波动，是几十年甚至上百年的长期变化；第二，不仅包括平均气温升高，还包括降水格局改变（比如有的地方更旱、有的地方更涝）、极端天气增多（比如台风更强、热浪更频繁）、海平面上升、冰川融化等一系列相关变化；第三，现在的气候变化速度特别快：过去100年全球平均气温升高了1.1℃，而过去一万年里，全球气温的自然波动幅度只有1℃左右，也就是说，现在100年的变化量，相当于过去一万年的自然波动总量，这个速度是地球历史上很少见的。

（二）自然气候变化：地球自己的“体温波动”

地球的气候本来就会自然变化，就像人的体温本来会在36-37℃之间波动一样，这些变化的主要原因有三个： 第一个是地球轨道的变化，也叫“米兰科维奇循环”。地球绕太阳转的轨道不是正圆，是椭圆，而且地轴的倾斜角度也会变，还有地轴的指向也会慢慢转，这三个变化加起来，会导致地球不同时期接收的太阳光总量不一样：当接收的太阳光少的时候，就会进入冰期，全球变冷，冰川扩大；当接收的太阳光多的时候，就会进入间冰期，全球变暖，冰川融化。过去100万年里，地球就经历了4次这样的冰期-间冰期循环，每次冰期和间冰期的温度差大约是5-6℃，变化周期大概是10万年。 第二个是火山活动。大规模的火山喷发会往大气里喷出大量的火山灰和二氧化硫气体，这些物质会挡住太阳光，导致全球气温下降，我们前面说的1991年皮纳图博火山喷发，就是典型的例子。而如果火山长时间不喷发，大气里的这些遮挡物减少，气温就会慢慢回升。 第三个是太阳活动的周期变化。太阳的表面有黑子，黑子多的时候，太阳的辐射会强一点，地球接收的热量就会多一点，温度就会高一点；黑子少的时候，温度就会低一点，这个周期大概是11年。不过太阳活动对地球温度的影响很小，过去100年太阳辐射的变化，只能解释不到10%的全球变暖。 自然气候变化的速度很慢，一般要几百年、几千年甚至几万年才能发生1℃的变化，而现在的变暖速度是自然变化速度的10倍以上，所以肯定有其他原因。

（三）人为气候变化：人类给地球“盖了太厚的被子”

现在的气候变化，90%以上都是人类活动导致的，核心原因是人类往大气里排放了太多的温室气体，相当于给地球盖了太厚的被子，把热量都关在里面，散不出去。 温室气体本来是大自然里就有的，比如二氧化碳、甲烷、水蒸气，它们本来就像地球的“羽绒被”，能留住热量，让地球保持温暖，没有它们的话，地球会冻得没法住人，这个本来是好事。但工业革命之后，人类开始大规模烧化石能源（煤、石油、天然气），砍伐森林，发展工业，往大气里排放了远超自然水平的温室气体：

• 化石能源燃烧：你家烧的天然气、学校锅炉烧的煤、爸爸妈妈开的汽车烧的汽油，都是化石能源，是几百万年前的植物和动物埋在地下变出来的，烧的时候就会放出二氧化碳，现在每年人类通过烧化石能源排放的二氧化碳有360亿吨左右，相当于每秒钟往大气里喷1100吨二氧化碳。
• 土地利用变化：砍伐森林、开垦农田、填湖造地，会破坏植物吸收二氧化碳的能力，还会释放出土壤里储存的碳，现在每年因为土地利用变化排放的二氧化碳有60亿吨左右。
• 其他温室气体：比如甲烷，主要是水稻种植、牛羊养殖、垃圾填埋产生的，甲烷的吸热能力是二氧化碳的28倍（100年尺度），虽然它在大气里存的时间短，但现在的浓度已经比工业革命前高了2.5倍；还有氟利昂，是冰箱、空调里用的制冷剂，吸热能力是二氧化碳的上万倍，虽然现在已经被禁止使用了，但以前排放的还能在大气里存几百年。

现在大气里的二氧化碳浓度已经达到了420ppm（也就是每100万个空气分子里，有420个是二氧化碳分子），比工业革命前的280ppm高了50%，比过去200万年里的任何时候都高。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）在2021年的第六次评估报告里明确说：“毋庸置疑，人类活动导致的温室气体排放，是导致1850年以來全球变暖的主要原因，置信度达99%。”

> 💡 电子版侧边栏：点击这里查看1850年至今全球二氧化碳浓度和气温变化的动态对比图，直观感受人为排放和变暖的关联 > 🔍 小知识：ppm是“百万分之一”的缩写，用来表示气体的浓度，比如420ppm就是每100万个空气分子里，有420个是二氧化碳分子，听起来很少，但就是这0.042%的额外二氧化碳，已经让地球的体温升高了1.1℃。

四、人类对气候变化的认知：从理论到共识的200年

人类发现气候变化不是最近几十年的事，从科学家第一次提出“温室效应”的概念，到全球达成“要控制变暖”的共识，整整走了200年。

（一）理论的萌芽：19世纪的发现

1824年，法国科学家傅里叶第一次提出了“温室效应”的概念：他发现地球接收的太阳光热量，本来应该比实际观测到的多，说明地球的大气层像温室的玻璃一样，能挡住部分热量散出去，让地球保持温暖。他当时把这个效应叫做“大气效应”，后来才慢慢演变成我们熟悉的“温室效应”。 1856年，美国女科学家尤妮做了一系列实验，把不同气体装进玻璃管里，放在太阳光下晒，发现二氧化碳、甲烷这些气体的吸热能力特别强，尤其是二氧化碳，能把玻璃管里的温度升高很多，她第一次用实验证明，二氧化碳确实是导致温室效应的核心气体。 1896年，瑞典科学家阿伦尼乌斯做了一个更厉害的计算：他算出来如果大气里的二氧化碳浓度翻一倍，全球平均气温会升高5-6℃。当时他还觉得这是个好事，因为他所在的瑞典冬天特别冷，要是气温升高几度，庄稼能多熟一季，还能多种点粮食。谁能想到，100多年后，这个“好事”变成了全人类都要面对的大问题。

（二）观测的证实：20世纪的突破

19世纪的理论还只是假设，直到20世纪，科学家才第一次用观测数据证明，地球的温度真的在升高，而且和二氧化碳浓度有关系。 1958年，美国科学家基林在夏威夷的莫纳罗亚山建立了一个大气监测站，开始连续监测大气里的二氧化碳浓度。这个地方特别选得好：远离人类活动的地方，没有污染，能测到全球大气的平均二氧化碳浓度。基林发现，大气里的二氧化碳浓度每年都在升高，而且升高的速度越来越快，这个连续60多年的监测曲线，就是我们今天说的“基林曲线”，它是最直观的证明人类排放导致二氧化碳浓度上升的证据。 1970年代，全球的观测数据越来越多，科学家终于确认：全球平均气温

确实在持续升高，且这种升高速率已经远超过去1000年的自然波动范围。1979年，世界气象组织牵头组织了第一次世界气候大会，来自50多个国家的科学家齐聚日内瓦，第一次正式向全世界发出预警：如果人类维持当前的化石能源消耗和土地利用模式，到21世纪末，全球平均气温可能较工业化前升高2~3℃，这将引发海平面上升、粮食减产、极端灾害频发等一系列连锁反应，威胁全球生态系统和人类社会的稳定。这次大会虽然还没有形成有约束力的国际协议，但第一次把气候变化从科学界的学术讨论，推到了全球公共政策的议事桌前。

1988年，联合国环境规划署（UNEP）和世界气象组织（WMO）共同发起成立了政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC）。它既不是科研机构，也不是政策执行机构，而是一个中立的“科学评估机构”：核心任务是把全世界已经发表的、经过同行评议的气候变化相关研究成果汇总起来，评估不同结论的置信度，为各国政府的政策制定提供客观、科学的依据。为了保证报告的公正性，IPCC的所有评估作者都来自全球各地的科研机构，完全自愿参与工作，不领取IPCC的任何薪酬，仅靠所在机构的经费支持，最大程度排除商业利益和政治因素的干扰。截至2023年，IPCC已经发布了六次综合评估报告，每一次的结论都比上一次更明确、更紧迫：

```mermaid timeline title IPCC历次评估报告核心结论演进 1990年 第一次评估报告 : 人类活动排放的温室气体增强了温室效应 若维持当前排放速度，21世纪末气温将升高1.5~4.5℃ 1995年 第二次评估报告 : 越来越多的证据表明，过去数十年的变暖“很可能”与人类活动有关 2001年 第三次评估报告 : 过去50年的变暖“极可能”（66%以上置信度）由人类活动导致 2007年 第四次评估报告 : 过去50年的变暖“毋庸置疑”（90%以上置信度）由人类活动导致 IPCC因此获得诺贝尔和平奖 2014年 第五次评估报告 : 人类对气候系统的影响“明确且史无前例” 若维持高排放情景，21世纪末气温可能升高4℃以上 2021-2023年 第六次评估报告 : 人类活动导致1850年以来全球变暖的置信度达99% 必须在2030年前将全球排放较2019年削减43%，才能将升温控制在1.5℃以内 ```

1992年，联合国在巴西里约热内卢召开了“联合国环境与发展大会”，也被称为“地球峰会”，来自150多个国家的元首或政府首脑出席了会议，共同签署了《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）。这是全球第一个应对气候变化的法律文件，明确了“共同但有区别的责任”核心原则：发达国家由于历史上排放了绝大部分温室气体，且具备更强的技术和资金能力，应当承担主要的减排责任；发展中国家虽然当前排放量较低，但也要在可持续发展的框架下，逐步采取减排行动。这个原则至今仍是全球气候谈判的基础。

1997年，《联合国气候变化框架公约》的第三次缔约方大会在日本京都召开，通过了《京都议定书》，这是全球第一个具有法律约束力的温室气体减排协议，明确规定了38个发达国家在2008~2012年的量化减排目标：欧盟整体减排8%，美国减排7%，日本减排6%等。《京都议定书》的生效推动了全球清洁能源技术的发展，但也暴露了发达国家和发展中国家在减排责任上的分歧：美国在2001年宣布退出《京都议定书》，认为减排会损害本国经济，也不同意承担历史排放的责任。

2015年，《联合国气候变化框架公约》第二十一次缔约方大会在法国巴黎召开，近200个国家共同签署了《巴黎协定》，这是目前全球气候治理的基石性文件。《巴黎协定》设定了明确的长期目标：把全球平均气温较工业化前水平的升高控制在2℃以内，并努力限制在1.5℃以内；同时建立了“国家自主贡献”（NDC）机制，每个国家根据自身国情提交减排目标，每5年进行一次全球盘点，评估减排进展，逐步提高减排力度。太平洋岛国图瓦卢的遭遇，最能体现这个目标的紧迫性：这个全国由9个环形珊瑚岛组成的国家，最高点海拔仅4.6米，是全球海拔最低的国家之一。受海平面上升影响，图瓦卢每年都有部分沿海地区被海水淹没，首都富纳富提的机场跑道在涨潮时经常被淹。图瓦卢政府多次在国际气候谈