氣候科學 1960

《大氣中二氧化碳的濃度與同位素豐度》

查爾斯·大衛·基林

一台嚴謹的儀器，捕捉到空氣中的二氧化碳逐年「呼吸」——也逐年攀升。

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In depth · the introduction

一位年輕的化學家，動手去測一件幾乎沒人覺得值得測的東西——空氣裡到底有多少二氧化碳——結果發現它在逐年攀升。

把這個想法拆開看

二氧化碳只佔空氣極小的一部分——大約萬分之四。很長時間裡，沒有人測得夠精細，足以判斷這一比例是穩定還是在變。查爾斯·基林造出了一台儀器、磨出了一套足夠嚴謹的流程，把這件事一錘定音。

他的記錄同時顯示出兩件事。空氣會呼吸：每到夏天，北方森林生長、把 CO₂ 吸下去，CO₂ 便下降；入冬又回升。而在這逐年的呼吸之下，整條曲線在向上漂移——每一年，空氣裡的二氧化碳都多一點點，與全世界燒掉的煤、石油和天然氣同步。

那個不肯「四捨五入」的人

基林對把數字測準幾乎到了執拗的地步——他花了好幾年，只為把「在潔淨空氣中測 CO₂」這件事打磨到位。在斯克里普斯海洋研究所，海洋學家羅傑·雷維爾看出了它的價值，並以國際地球物理年的經費，於 1958 年在茂納羅亞——一座遠離城市與樹木的偏遠夏威夷火山——架起一台分析儀。最初的幾批讀數，就捕捉到了那隨季節的起落。到 1960 年，憑著幾年的數據，基林已能寫下：這氣體不只是在循環，更是在累積。此後餘生，他一直把這測量延續下去，一路都在為經費奔走。

它為何重要

早在六十年前，化學家斯萬特·阿倫尼烏斯就已算出，向空氣中添加 CO₂ 會使地球變暖。但當時沒人知道，人類的排放是否真的在大氣裡堆積，抑或被海洋與植物一併吸走。基林的曲線回答了這個問題：二氧化碳確實在累積，而那多出來的碳，帶著化石燃料燃燒的化學指紋。它把全球變暖，從一個關於未來的理論，變成一項關於當下的測量——成為此後一切氣候科學的基石。

一缸正在蓄水的浴缸

想像一隻浴缸，水龍頭開著，排水口也開著。排水口——海洋與植物吸收的碳——是真實存在的，但龍頭放水更快，於是水位悄悄上漲。逐年的季節性漲落，就像水面上來回晃盪的小波；而整條水線緩緩抬升，才是要緊的那部分——只要進水快過出水，它就不會回頭。

之前與之後

阿倫尼烏斯（1896）給出了「CO₂ 使地球變暖」的理論；蓋伊·卡蘭德在 1938 年論證它正在上升，但數據太零碎，難以服人。基林給出了證明。其下游的一切——IPCC 評估、350 與 450 ppm 的目標、乃至「碳足跡」這個說法本身——都立在他於 1958 年起筆、如今已越過 420 ppm 仍在攀升的那條不曾中斷的線上。在本館裡，它與阿倫尼烏斯的溫室計算並肩而立：一個是預言，一個是印證那預言的測量。

The original document

Original source text

Charles David Keeling (1928–2005) · Tellus 12(2):200–203 (1960) · measurements at Mauna Loa Observatory (Hawaii, from March 1958) and in Antarctica (from 1957)

What was measured

Keeling reports continuous and flask measurements of the concentration of atmospheric carbon dioxide, together with its carbon and oxygen isotopic abundances, made at remote baseline sites chosen so the air sampled would represent the free atmosphere rather than nearby sources. The Mauna Loa and Antarctic records, only a few years long at the time of writing, already show a consistent pattern.

A seasonal rhythm

In the northern hemisphere the concentration varies systematically through the year — falling in summer and recovering in winter — a swing of several parts per million that Keeling reads as the seasonal uptake and release of CO₂ by land vegetation. The isotopic data move in step, consistent with plant matter as the agent.

And a rise

Beyond the seasonal swing, the averages do not return to where they began: where the data extend over more than a year, the second year reads higher than the first. The increase is small but persistent, and its size is what fossil-fuel combustion would predict.

…at the South Pole the observed rate of increase is nearly that to be expected from the combustion of fossil fuel.

(From the paper's discussion of the year-on-year change. The carbon released by burning coal and oil is depleted in the heavy isotope ¹³C, so the added CO₂ carries an isotopic signature — the thread Keeling's isotope measurements were built to follow.)

[ … ]

Scripps Institution of Oceanography · La Jolla, California · 1960