开启时光之旅：什么是气候变化

开启时光之旅：什么是气候变化

当我们谈论天气时，我们在谈论什么

清晨起床，你打开窗户，一阵凉爽的空气扑面而来。天空湛蓝，阳光明媚，远处几只鸟儿在枝头欢快地鸣叫。你可能会想：“今天天气真不错！”然后决定穿什么衣服、要不要带伞、要不要涂防晒霜。这些决定都基于你对今天天气的判断。

但是，请稍等片刻。当你说出“今天天气真不错”这句话时，你有没有想过，你所感知到的“天气”，和科学家们研究的“气候”，其实是两个既相关又不完全相同的概念？理解这一点，是我们踏上气候探索之旅的第一步。

让我们先来做一个小小的观察。请回想一下，上周这个时候的天气是什么样的？上个月呢？去年呢？如果你生活在北京，你可能记得去年冬天的某几天特别寒冷；如果你生活在广州，你可能记得去年夏天有一段持续的雨天。但如果你要描述“北京的冬天”或“广州的夏天”，你会怎么说呢？

你可能会说：“北京冬天很冷，经常刮风，偶尔下雪，但屋里暖气很足。”“广州夏天很热，雨水很多，台风也时不时来光顾。”当你用这样的方式描述时，你实际上已经在描述“气候”了。

天气（Weather）是指一个地区在短时间内的大气状况——今天的温度是多少度、下不下雨、风有多大。而气候（Climate）则是指一个地区长期的、平均的大气状况，通常用30年或更长的时间段来衡量。我们说“这周的天气变化无常”，但我们说“这个地区的气候特点是四季分明”。天气就像一个人的日常心情，而气候则像这个人的性格——性格是相对稳定的，而心情每天都在变化。

这个区别看似简单，却非常重要。当我们讨论气候变化时，我们讨论的不是某一天或某一年的异常天气，而是整个地球气候系统长期、持续的变化趋势。一场异常的暴雨可能只是天气波动，但如果这样的暴雨越来越频繁、越来越强烈，那就可能是气候变化的信号。

四季的故事：气候就在我们身边

也许你会觉得气候变化是一个遥远的话题，是科学家们在实验室里研究的事情。但实际上，气候就在我们身边，它就在每一次四季轮回中悄然发生着变化。

让我们以四季为例，来看看气候是如何影响我们生活的。当你还是小学生的时候，你可能学过一首儿歌：“春暖花开，夏日炎炎，秋高气爽，冬雪绵绵。”这短短四句话，概括了中国大部分地区一年四季的气候特点。

春天，大地从沉睡中苏醒。气温逐渐回升，冰雪消融，植物开始发芽开花。你有没有注意过，春天总是伴随着和煦的春风？这不是偶然的。春天是冬季风（来自西伯利亚的寒冷干燥空气）和夏季风（来自太平洋的温暖湿润空气）交替的季节。当冬季风逐渐减弱、夏季风逐渐增强时，两者交汇的地方就会产生频繁的风——这就是我们常说的“春风”。

夏天，你可能最期待的就是放暑假、吃冰棍、游泳避暑。夏天的气候特点是高温多雨，这和太阳直射点的北移密切相关。夏至前后，太阳直射点移到北回归线附近，北半球获得的太阳辐射能量达到最大值。同时，夏季风将大量的水汽从海洋带到陆地，遇到地形抬升或冷空气时就会形成降水，这就是为什么夏天经常会有雷阵雨或暴雨。

秋天，是一个收获的季节。你可能注意到秋天的天空特别蓝，云彩特别美。这是因为秋天是季风转换的过渡期，天气相对稳定。秋天的气温开始下降，但还没有到寒冷的程度。树叶变黄、果实成熟，这些都是植物对气候变化的适应——它们在用独特的方式告诉我们：气候正在从暖向冷转换。

冬天，你可能最不愿意离开温暖的被窝。冬天的气候特点是寒冷干燥，这和太阳直射点的南移有关。北半球获得的太阳辐射减少，而且因为太阳高度角变小，同样的阳光要照射更大的面积，所以单位面积获得的能量也减少了。与此同时，来自西伯利亚的冷空气频繁南下，带来寒潮和大风天气。在中国的北方地区，冬天还会下雪——雪是水汽在低温条件下凝结成冰晶的结果，雪的多少取决于空气中水汽含量和温度。

四季的变化，本质上是地球围绕太阳公转的结果。地球的公转轨道是一个近似圆形的椭圆，地球自转轴相对于轨道平面倾斜了约23.5度。这个倾斜角导致了太阳直射点在南北回归线之间来回移动，造成了季节变化和昼夜长短的变化。这是气候形成最基本的自然原因之一。

但你可能也听说过“全球变暖”这样的说法。是的，即使在全球变暖的背景下，四季依然存在，但它们的表现形式正在发生变化。也许冬天的雪少了，也许春天的脚步提前了，也许夏天的热浪更加猛烈了。这些变化，可能就在你身边的每一个季节里悄悄发生着。

极端天气：气候变化的真实面孔

如果说四季更替让我们感受到气候的规律性，那么极端天气事件则让我们直面气候的剧烈变化。近年来，你可能经常在新闻里听到“百年一遇的暴雨”“有史以来最热的夏天”“前所未有的暴风雪”这样的报道。这些极端天气事件，正在变得越来越频繁，越来越强烈。

让我们来看几个真实的例子。2019年，澳大利亚经历了史上最严重的丛林大火，烧毁面积超过1000万公顷，相当于韩国全国的面积。那场大火烧了几个月，造成了数十亿只动物死亡，无数人失去家园。科学家们指出，气候变化导致的干旱和高温，是这场灾难的重要推手。

2021年7月，中国河南省遭遇了特大暴雨。郑州气象站的数据显示，7月20日16至17时，一小时降雨量达到了201.9毫米——这是什么概念？这意味着在一个小时内，整个郑州的地面上积起了近20厘米深的水。按照中国气象标准，24小时降雨量超过250毫米就已经是最高级别的“大暴雨”了，而郑州那一小时的降雨量就几乎达到了这个标准。气象学家称之为“千年一遇”的极端降水事件。这场暴雨造成了巨大损失，也让我们深刻认识到极端天气的可怕威力。

2022年夏季，北半球遭遇了罕见的热浪。欧洲多国气温突破40摄氏度，英国首次出现40摄氏度以上的高温，法国、西班牙、葡萄牙等国发生了严重的森林火灾。巴基斯坦和印度则遭遇了季风洪水，数千万人受到影响。这些极端天气事件，都与气候变化有着密切的联系。

你可能会问：这些极端天气事件，是不是气候变化造成的？这个问题需要谨慎回答。气候变化本身并不能直接“制造”某一场具体的极端天气，就像我们不能说某一场考试没考好是因为教育制度有问题一样。但是，气候变化确实在改变极端天气事件发生的概率和强度。

科学家们用了一个很形象的比喻：气候变化就像是在给天气事件“重新洗牌”。在没有气候变化的情况下，一场特定强度的暴雨可能平均每100年发生一次。但现在，因为大气变暖、水汽增多，这样的暴雨可能平均每50年甚至每20年就会发生一次。换句话说，极端天气事件正在变得更频繁、更强烈。

对于我们这一代青少年来说，极端天气可能不再是什么新鲜事。你可能已经注意到，小时候觉得很少见的“桑拿天”（又闷又热又潮湿的天气）、超级暴雨、强台风，现在好像越来越常见了。这不是错觉——这是气候变化正在发生的真实写照。

地球的气候系统：一台精密的超级机器

了解了天气和气候的区别，以及极端天气事件的增多，现在让我们来深入了解一下，地球的气候究竟是如何运作的。

地球的气候系统（Climate System）是一个极其复杂但又精妙无比的整体系统。它由五个主要部分组成：大气圈、水圈、冰雪圈（也叫冰冻圈）、岩石圈和生物圈。这五个部分相互作用、相互影响，共同维持着地球的气候平衡。

大气圈：我们呼吸的空气之海

大气圈是包裹着地球的气体层，就像一件看不见的外衣。虽然我们看不见空气，但它的存在无处不在。大气的主要成分是氮气（约78%）和氧气（约21%），还有少量的氩气、二氧化碳、水汽以及其他微量气体。

大气不仅仅是供我们呼吸的空气，它还是地球气候系统的调节器。白天，大气允许太阳辐射透过，到达地面，给地球带来热量；夜晚，大气又能阻止地球的热量散失得太快，这就是大气的“保温作用”。如果没有大气，地球表面的昼夜温差会达到几百摄氏度，生命根本无法生存。

大气中还存在着复杂的大气环流。大气环流是指全球范围内的大气运动模式，它包括全球尺度的三圈环流、季风环流，以及各种规模的天气系统。正是因为有了大气环流，热带地区的热量才能被输送到两极，寒冷的极地地区才不会越来越冷，炎热的赤道地区才不会越来越热。

水圈：蓝色星球的生命之源

地球被称为“蓝色星球”，因为地球表面约71%都被海洋覆盖。水圈包括海洋、湖泊、河流、地下水，以及大气中的水汽。水是气候系统中最为活跃的成分之一，它以固态、液态、气态三种形式在地球系统中不断循环。

海洋是气候系统中最重要热量储存器。你可能不知道，海洋吸收了地球气候系统中超过90%的多余热量。当大气变暖时，海洋会吸收大部分热量；当大气变冷时，海洋又会释放储存的热量。这个过程就像一个巨大的缓冲器，调节着地球的气温。

海洋还是二氧化碳的重要储存库。海洋吸收了人类排放的约四分之一的二氧化碳，这个过程被称为“海洋碳汇”。但是，海洋吸收二氧化碳会导致海水酸化，这对海洋生态系统构成了威胁。

冰雪圈：白色世界的神奇力量

冰雪圈包括地球表面的冰川、积雪、海冰和永久冻土层。这些白色的“镜子”有着惊人的反射能力，科学家称之为“反照率”（Albedo）。当阳光照射到冰雪上时，大部分阳光会被反射回太空，而不是被地球吸收。这就是为什么有冰雪覆盖的地区，虽然接受的阳光可能和赤道地区一样多，但温度却低得多。

冰雪圈对气候的影响远不止于此。当冰雪融化时，原本被冰雪覆盖的深色地面或海洋就会暴露出来，这些深色表面会吸收更多的阳光，导致进一步升温。这就是一种典型的“正反馈”机制——变暖导致冰雪融化，冰雪融化又进一步加速变暖。北极地区的升温速度是全球平均速度的两到三倍，这就是一个重要的原因。

岩石圈：塑造地球表面的无形之手

岩石圈是指地球的固体外壳，包括大陆地壳和海洋地壳，以及它们下面的上地幔。岩石圈在气候系统中的作用主要体现在两个方面：一是地质作用，二是地形影响。

地质作用可以在很长的时间尺度上改变气候。例如，火山喷发会把大量的二氧化碳和硫化物释放到大气中，可能导致全球降温；板块运动可以改变海洋通道，影响全球热量和物质的输送。这些过程虽然缓慢，但可能在数百万年的时间尺度上对气候产生深远影响。

地形对气候的影响则更加直观。高山地区气候寒冷，因为海拔越高，气温越低；迎风坡降雨多，背风坡降雨少。青藏高原被称为“第三极”，它的高海拔改变了亚洲的大气环流，塑造了南亚季风和东亚季风，可以说深刻影响了中国大部分地区的气候。

生物圈：生命的调节作用

生物圈是指地球上所有生命存在的区域，从深海的热泉口到高山的积雪带，从热带雨林到极地的苔原，生命几乎无处不在。生物在气候系统中扮演着多重角色。

植物通过光合作用吸收二氧化碳，释放氧气，这直接影响了大气中的温室气体含量。一片健康的森林就是一个巨大的碳库，能够储存大量的碳。反过来，气候变化又影响着植被的分布和生长状况。

动物和微生物也参与着地球的物质循环。例如，海洋中的浮游植物每年吸收的二氧化碳量惊人，相当于森林和陆地植物吸收量的一半以上。微生物在分解有机物时释放的甲烷，也是重要的温室气体。

人类作为生物圈的一部分，对气候的影响是前所未有的。自工业革命以来，人类活动排放的大量温室气体，正在以前所未有的速度改变着地球的气候系统。

五个圈层的舞蹈

这五个圈层并不是孤立存在的，它们时刻在进行着复杂的相互作用。太阳辐射穿过大气，一部分被反射，一部分被大气吸收，一部分到达地面，被陆地或海洋吸收。陆地吸收的热量会通过红外辐射散发出去，一部分被大气吸收，一部分散失到太空。大气中的水汽会凝结成云，云又会反射阳光。海洋会蒸发水汽，水汽上升形成云，云又以降水的形式回到海洋或陆地。

这种复杂的相互作用构成了气候系统的动力学基础。科学家们建立气候模型，就是试图用数学方程来描述这些过程，从而预测气候的变化。但这套系统极其复杂，即使是最先进的气候模型，也难以完全准确地模拟所有的气候过程。这也是为什么气候预测存在一定不确定性，但不确定性并不等于“不知道”——我们知道气候正在变化，我们知道变化的原因，只是具体的数值预测还存在一定的范围。

穿越万年：地球气候的漫长历史

了解了现代气候系统的运作机制，让我们把目光投向更久远的历史。地球的气候并非一成不变，它在漫长的地质历史中经历了无数次的变化。了解地球气候的历史，是理解当前气候变化的重要前提。

冰期与间冰期：大自然的冷热交替

地质学家发现，在过去250万年的更新世时期，地球经历了多次大规模的冰期（Glacial Period）。冰期是指全球气温显著降低、大规模冰川扩张的时期。冰期最盛时，全球约30%的陆地被冰雪覆盖，海平面比现在低100多米。

冰期与冰期之间，是相对温暖的间冰期（Interglacial Period）。我们现在就生活在一次间冰期中——科学家称之为“全新世”（Holocene），它开始于约11700年前上一次冰期结束时。

冰期的产生主要与地球轨道参数的变化有关。地球围绕太阳公转的轨道参数（偏心率、倾斜角、岁差）会以约10万年、4万年、2万年的周期发生变化，这些变化会影响地球表面接收的太阳辐射分布，从而导致冰期的形成与消退。这是著名的“米兰科维奇理论”（Milankovitch Theory）。

但是，近几百年来的人类活动正在打破这种自然的周期规律。工业革命以来，人类排放的温室气体急剧增加，导致大气中的二氧化碳浓度从约280ppm（百万分之一）上升到现在的超过410ppm，增长了约47%。这个速度远远超过了任何已知的自然变化速度。

历史上的气候剧变

地球气候历史上有几次特别引人注目的剧变。大约5500万年前，地球经历了一次突然的全球变暖事件——古新世-始新世极热事件（Paleocene-Eocene Thermal Maximum，简称PETM）。在短短两万年（地质时间尺度上非常短暂）内，全球平均气温上升了5到8摄氏度。这次事件的起因可能是海底甲烷水合物的释放——当海水温度升高时，原本稳定储存的甲烷被释放出来，造成了剧烈的温室效应。

大约3400万年前，南极洲开始形成永久冰盖，地球从“温室地球”进入了“冰室地球”状态。这次转变与大气二氧化碳浓度的下降有关。

而在大约260万年前，随着北极冰盖的形成，地球开始进入频繁的冰期-间冰期旋回模式。这就是我们目前所熟悉的更新世冰期。

全新世：人类文明的温室

全新世是人类文明飞速发展的时期，也是地球相对温暖的间冰期。大约1万年前，人类开始从狩猎采集转向农业定居，文字、青铜器、铁器、蒸汽机、电器……人类文明在全新世时期蓬勃发展。

在全新世的大部分时间里，气候相对稳定，全球平均气温波动不超过1摄氏度。这种气候稳定性为农业发展和人类文明的繁荣提供了重要基础。四大文明古国——古埃及、古巴比伦、古印度和古代中国——都是在全新世这个相对温暖稳定的气候窗口期发展起来的。

然而，自工业革命以来，特别是过去100年里，人类活动排放的温室气体正在打破这种稳定。大气中的二氧化碳浓度已经超过了至少过去80万年以来的任何时期。2019年，全球平均气温比工业革命前高出约1.1摄氏度，而且升温速度还在加快。

气候变化的信号：我们已经看到的改变

说了这么多，你可能最关心的是：气候变化到底造成了哪些具体的变化？让我们来看看科学家们记录到的真实情况。

气温升高：不仅仅是数字的变化

自工业革命以来，全球平均气温已经上升了约1.1摄氏度。这个数字看起来不大，但它的影响却是巨大的。科学家们用了一个很形象的比喻：给一个发烧的病人测量体温，体温升高1度可能就意味着严重的感染。地球“发烧”了1度多，这意味着气候系统正在发生深刻的改变。

气温升高在不同地区的表现不同。北极地区升温最为明显，有些区域的升温速度是全球平均的2到3倍。海洋的升温速度相对较慢，因为海水有巨大的热容量。但海洋升温会导致珊瑚白化、海洋生态系统失衡。

极端高温事件也在增多。热浪变得更加频繁、更加猛烈、持续时间更长。2019年，欧洲经历了有记录以来最热的夏天，多国气温突破40摄氏度，甚至出现了50摄氏度以上的极端高温。高温不仅影响人类健康，还会导致农作物减产、森林火灾增多、电力供应紧张。

海平面上升：被淹没的家园

因为冰川融化和海水热膨胀，全球海平面正在持续上升。自1900年以来，全球平均海平面上升了约20厘米，而且上升速度还在加快。2019年的海平面比1993年（开始有卫星测量数据）上升了约10厘米。

海平面上升对沿海地区和小岛屿国家构成了严重威胁。马尔代夫、图瓦卢、基里巴斯等低洼岛国面临被淹没的危险。如果全球变暖按照目前的速度继续下去，到2100年，海平面可能上升0.5米到1米以上，届时许多沿海城市和岛屿都可能面临被淹没了命运。

即使海平面上升不那么严重，也会造成海岸侵蚀、盐水入侵地下水、风暴潮加剧等问题。对于中国这样有漫长海岸线的国家，海平面上升的影响不容忽视。

冰川消融：亿年积雪的消失

全球冰川正在以前所未有的速度消退。青藏高原被称为“亚洲水塔”，它是长江、黄河、澜沧江、怒江等亚洲多条大江大河的发源地。但随着气候变暖，青藏高原的冰川正在加速消退。有些冰川已经在缩小，有些可能在几十年内完全消失。

冰川学家发现，自20世纪中叶以来，全球冰川的体积已经减少了约50%。欧洲阿尔卑斯山的冰川面积已经缩小了一半以上。非洲乞力马扎罗山的雪顶——海明威小说中那个“在阳光下闪闪发光”的雪顶——可能在未来几十年内完全消失。

冰川融化短期内可能带来更多的水资源，但长期来看，当冰川大规模消退后，许多依赖冰川融水补给的河流将面临水量减少的问题，数十亿人的用水安全将受到威胁。

生态系统的变化：动植物也在迁徙

气候变化也在深刻影响着地球的生态系统。许多动植物的分布范围正在向两极或高海拔地区移动。科学家们发现，物种分布的平均范围每十年向北移动约17公里，或向上移动约11米。

珊瑚礁是海洋中生物多样性最丰富的生态系统，但它们对水温变化极其敏感。当海水温度升高时，珊瑚会驱逐生活在自己组织内的藻类，变成白色，这就是珊瑚白化。如果白化持续，珊瑚就会死亡。2016到2017年，大堡礁经历了历史上最严重的白化事件，超过三分之一的珊瑚死亡。

候鸟的迁徙时间也在改变。许多候鸟的迁徙时间提前了，因为它们赖以生存的昆虫出现时间提前了。如果候鸟迁徙时间没有同步调整，就可能出现“时间错位”——鸟儿到达时，食物已经没有了，或者天敌已经出现了。

极端天气增多：越来越频繁的灾害

正如前面提到的，极端天气事件正在变得越来越频繁、越来越强烈。热浪、暴雨、干旱、台风、森林火灾……这些极端事件的发生频率和强度都在增加。

干旱地区的干旱更加严重，湿润地区的降雨更加集中。气候变化改变了水循环的模式：有的地方变得更干，有的地方则面临更多的暴雨和洪水。

温室效应：看不见的毯子

现在让我们来深入了解一下气候变化最重要的机制——温室效应。你可能已经在课堂上或科普书中听说过这个词，但你真的理解它是如何工作的吗？

地球的能量平衡

地球获得能量的唯一来源是太阳。太阳每秒钟向地球辐射约1.74×10^17焦耳的能量。这些能量中，约30%被大气和地面反射回太空，约20%被大气吸收，约50%被地面和海洋吸收。被吸收的能量最终会以红外辐射的形式散发到太空。

地球需要保持能量收支平衡——吸收的能量和散发的能量大致相等，地球的平均温