气候变暖的罪魁祸首是二氧化碳吗？

地球已经有46亿年左右的历史，而地质考古发现生命在35亿年前就出现了，在这么长的时间里地球温度起起伏伏，经历的严寒期、高温期远比我们想象的严峻，那为什么这一次的气候变化尤为关注？那是因为人类啊，人类文明的出现距今不超过1万年，但是自18世纪工业革命以后人类生产生活对地球的影响是显而易见的。科学家们通过在南北极的冰川上钻冰芯来探测史前的地球气候信息，下图为2010年前最长的时间记录冰芯，Vostok，包含了80万年以来的气候信息。下图为温度变化与冰芯二氧化碳浓度的对比曲线，由此可见在80万年的时间里，地球的CO2浓度一直都在300ppm以下，而且CO2的浓度与地球当时的温度相对应。CO2浓度高，地球变为温暖期，万物繁荣，草木皆生，地球森林植物泛滥会吸收大量CO2，导致地球二氧化碳减少，地球温度降低，进入寒冷冰川期，热带亚热带植物相继死亡，地球大气中二氧化碳浓度又渐渐升高，气候回暖，周而复始。但是人类的工业化进程仅仅不到二百年，便将大气中的二氧化碳浓度提升到了400ppm，不得不说人类的行为功不可没。下图为近60年来地球大气中二氧化碳浓度的变化。其中的折线波动是由于地球主要大陆都在北半球，而北半球的四季变化会使得森林树木吸收的二氧化碳量呈现季节周期性变动。这也被形象地成为地球的呼吸。但是由于人类活动，其二氧化碳含量呈现不断上升的趋势是显而易见的。究其原因，主要是人类过度的开采以及大部分的现代工业、能源生产都在以消耗化石能源为代价，不断地向大气中释放温室气体。这里的温室气体不光是二氧化碳，而是指大气中能吸收地面反射的长波辐射，并重新发射辐射的一些气体。他们类似于温室大棚一样，相当于地球的塑料膜，使其变得更暖。地球的大气中重要的温室气体包括下列数种：二氧化碳（CO₂）、臭氧（O₃）、氧化亚氮（N₂O）、甲烷（CH₄）、氢氟氯碳化物类（CFCs，HFCs，HCFCs）、全氟碳化物（PFCs）及六氟化硫（SF₆）等。由于水蒸气及臭氧的时空分布变化较大，因此在进行减量措施规划时，一般都不将这两种气体纳入考虑。至于在1997年于日本京都召开的联合国气候化纲要公约第三次缔约国大会中所通过的《京都议定书》，明确针对六种温室气体进行削减，分别是二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N₂O）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）及六氟化硫（SF₆）。在新版的ISO标准中将NF₃也纳入到需要核酸的温室气体范围中。但是其中二氧化碳虽然不是温室效果最厉害的，但是由于二氧化碳含量最多，应用最广，所以二氧化碳的排放量很大程度是决定了全球的温室效应。同时其他温室气体的排放对大气的影响以CO2为参照，采用全球变暖潜力值（GWP）进行衡量，且《京都议定书》中规定的是基于100年影响的GWP值。而评估一个过程的温室气体排放时也采用二氧化碳当量（CO_2e）来表示。https://carbon.landleaf-tech.com/wp-content/uploads/2022/03/捕获.png在19世纪50年代，科学家首次发现二氧化碳的温室效应，虽然大气中99%都是氮气和氧气，但是他们并不会吸收热量，而占大气不到0.04%的二氧化碳、甲烷却影响着地球的气候。地球不断接受来自太阳的能力，并将它们辐射回太空。由于太阳温度很高，主要以短波辐射，地球接收到热量之后，由于温度较低，会以长波辐射的形式向外太空发射。但二氧化碳和其他吸热气体的分子结构，使其更容易吸收红外辐射。当光子的能量与分子震动的频率相对应时，能量就会吸收并转移到分子上，吸热气体含有三个或更多的原子，能够与地球发出的红外辐射频率相对应。所以地球放出的长波辐射会有一部分被温室气体吸收并返回地球，日积月累，会使地球变得更加温暖。由上图可见水蒸气、云层同样吸收了大量的长波辐射，而且水蒸气同样是温室气体。想必大家也有相关的体验，干燥晴朗的夜晚会比多云的夜晚更冷。那为什么在谈到控制温室气体是不考虑水蒸气呢？主要是因为水蒸气主要在地球的低空，且受到地球下垫面以及温度影响。而高空中空气稀薄，水蒸气含量很少，主要是二氧化碳气体控制着逃逸到太空中的辐射。随着地球环境变暖，大气层可以容纳更多的水蒸气，会放大初始的升温效果，这个现象叫做“水蒸气反馈”。或者说水蒸气是比较被动的角色，但是二氧化碳则更多地被人类主动排放到大气中，控制二氧化碳排放量才是控制全球变暖的关键。上图为NASA监测的近一百多年的地球平均温度变化。自上世纪70年代开始，温度开始了一路飙升。如今地球表面的平均温度已经上升了1℃。所以在2015年的《巴黎协定》中提出在本世纪末，将全球平均温升保持在工业化前水平的2℃以内，并为全球平均温升控制在1.5℃以内付出努力，以降低气候变化的风险和影响。