JOVANA
Library Glossary Getting Started Three Levels Fields How it works Mission
Join the mission
Back to the library
氣候科學 1896

論空氣中碳酸對地面溫度的影響

斯萬特·阿倫尼烏斯

史上第一次算出:空氣中二氧化碳越多,整個地球就越暖。

Choose your version
In depth · the introduction

1896 年,僅憑一支鉛筆、一疊紙,和幾縷月光,一位瑞典化學家成了第一個算出「燒煤可能讓整個地球變暖」的人。

核心想法

地球之所以溫暖,靠的是一層薄薄的氣體毯子。陽光穿過清澈的空氣、曬熱地面;地面又把這份暖意以看不見的熱射線輻射回去,而某些氣體——首推二氧化碳和水汽——吸住這些射線,再把一部分送回地面。阿倫尼烏斯僅憑算術,就推算出:若空氣裡的二氧化碳更多,地球會暖多少。

他的答案是一條簡單的規律:加得越多,就越暖——而且穩定到,二氧化碳每翻一倍,升溫的幅度都差不多。他算出,翻一倍會讓世界暖上五六度。

它是如何誕生的

他擔心的並不是煤煙;他琢磨的是冰期。地質學家已經表明,浩瀚的冰蓋曾經掩埋整個北歐,而後又消融退去。什麼東西,能把地球的恆溫器上下撥動這麼大?阿倫尼烏斯猜想,空氣中二氧化碳的多少,也許正是那個旋鈕。

要驗證它,他得先知道這種氣體吸熱有多強——於是他借來薩繆爾·蘭利對月光的測量,那是月球微弱的暖意,向下穿過大氣時被削弱的樣子。接著便是苦工:成千上萬次的手算,一條緯度帶接一條緯度帶,一個季節接一個季節。這花了他約莫一年。他發現,把二氧化碳減半足以引來一場冰期,翻一倍則會讓世界暖上五六度。

它為何重要

在此之前,從沒有人為它標過一個數字。阿倫尼烏斯把一個模糊的念頭——空氣能困住熱量——變成了一條可度量的物理定律,把一種氣體與整個行星的溫度聯繫了起來。我們今天關於氣候變化所知的一切,都立足於他第一個回答的那個問題之上:當我們往空氣裡添加二氧化碳,地球會暖多少?

一個可以想像的畫面

想像大太陽底下停著的一輛車。光透過玻璃傾瀉進來,曬熱座椅;座椅放出熱量,但玻璃不肯讓這熱輕易跑出去——於是車裡比外頭的空氣更熱。二氧化碳,就是整個行星的那層玻璃。加得越多,玻璃就越厚,地球便在一個更暖的溫度上安頓下來。而就像一層層加蓋毯子,你添的每一層,暖你的幅度都比上一層略小——但總歸是越加越暖。

可互動的溫室模型:把空氣中的二氧化碳從起點值的一半滑到四倍,看預測的溫度沿一條直線上升;氣體每翻一倍,升溫的幅度都差不多。按鈕可比較阿倫尼烏斯 1896 年的估計與科學家今天採用的值。

它的位置

阿倫尼烏斯站在兩位前人的肩上:約瑟夫·傅立葉在 1820 年代頭一個追問,地球為何比空蕩的太空更暖;約翰·丁達爾則在 1860 年代於實驗室裡測出,二氧化碳與水汽確實困得住熱。阿倫尼烏斯補上了那個缺失的數字。此後數十年,這一想法被擱在一旁,到 1930 年代重又被提起,並在查爾斯·基林於 1958 年開始測量二氧化碳穩步攀升後得到證實——正是我們今天身處其中的那一場攀升。

The original document
Original source text
Svante Arrhenius · Philosophical Magazine (5th series) 41 (1896): 237–276 · developed from a paper read to the Royal Swedish Academy of Sciences, 11 December 1895
The paper opens from a geological puzzle. Vast ice sheets had once buried northern Europe and then withdrawn; what could turn the Earth's thermostat up and down by so much? Arrhenius asks whether a change in the amount of "carbonic acid" (carbon dioxide) and water vapour in the air could be the cause.
The absorbing power of the atmosphere
He needed to know how strongly carbon dioxide and water vapour soak up heat radiation. For this he borrowed Samuel Langley's measurements of the Moon's infrared rays reaching the ground through different thicknesses and dampnesses of air — reasoning that the Moon's heat, descending through the atmosphere, is absorbed much as the Earth's heat ascending through it.
The calculation
He then balanced incoming sunlight against outgoing heat for ten-degree bands of latitude across the seasons, including the water-vapour feedback, and solved by hand for the surface temperature with carbonic acid set to 0.67, 1, 1.5, 2, 2.5 and 3 times its present amount — many thousands of arithmetical operations.
The rule
If the quantity of carbonic acid increases in geometric progression, the augmentation of the temperature will increase nearly in arithmetic progression.
He found that lowering the carbonic acid to roughly 0.55–0.62 of its value would cool the middle and high latitudes by some 4–5 °C — enough, he argued, to bring on an ice age — while doubling it would warm the globe by about 5–6 °C, the change being greatest toward the poles.
[ … ]
Stockholm · 1896