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气候科学 1896

论空气中碳酸对地面温度的影响

斯万特·阿伦尼乌斯

史上第一次算出:空气中二氧化碳越多,整个地球就越暖。

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In depth · the introduction

1896 年,仅凭一支铅笔、一叠纸,和几缕月光,一位瑞典化学家成了第一个算出「烧煤可能让整个地球变暖」的人。

核心想法

地球之所以温暖,靠的是一层薄薄的气体毯子。阳光穿过清澈的空气、晒热地面;地面又把这份暖意以看不见的热射线辐射回去,而某些气体——首推二氧化碳和水汽——吸住这些射线,再把一部分送回地面。阿伦尼乌斯仅凭算术,就推算出:若空气里的二氧化碳更多,地球会暖多少。

他的答案是一条简单的规律:加得越多,就越暖——而且稳定到,二氧化碳每翻一倍,升温的幅度都差不多。他算出,翻一倍会让世界暖上五六度。

它是如何诞生的

他担心的并不是煤烟;他琢磨的是冰期。地质学家已经表明,浩瀚的冰盖曾经掩埋整个北欧,而后又消融退去。什么东西,能把地球的恒温器上下拨动这么大?阿伦尼乌斯猜想,空气中二氧化碳的多少,也许正是那个旋钮。

要验证它,他得先知道这种气体吸热有多强——于是他借来萨缪尔·兰利对月光的测量,那是月球微弱的暖意,向下穿过大气时被削弱的样子。接着便是苦工:成千上万次的手算,一条纬度带接一条纬度带,一个季节接一个季节。这花了他约莫一年。他发现,把二氧化碳减半足以引来一场冰期,翻一倍则会让世界暖上五六度。

它为何重要

在此之前,从没有人为它标过一个数字。阿伦尼乌斯把一个模糊的念头——空气能困住热量——变成了一条可度量的物理定律,把一种气体与整个行星的温度联系了起来。我们今天关于气候变化所知的一切,都立足于他第一个回答的那个问题之上:当我们往空气里添加二氧化碳,地球会暖多少?

一个可以想象的画面

想象大太阳底下停着的一辆车。光透过玻璃倾泻进来,晒热座椅;座椅放出热量,但玻璃不肯让这热轻易跑出去——于是车里比外头的空气更热。二氧化碳,就是整个行星的那层玻璃。加得越多,玻璃就越厚,地球便在一个更暖的温度上安顿下来。而就像一层层加盖毯子,你添的每一层,暖你的幅度都比上一层略小——但总归是越加越暖。

可交互的温室模型:把空气中的二氧化碳从起点值的一半滑到四倍,看预测的温度沿一条直线上升;气体每翻一倍,升温的幅度都差不多。按钮可比较阿伦尼乌斯 1896 年的估计与科学家今天采用的值。

它的位置

阿伦尼乌斯站在两位前人的肩上:约瑟夫·傅里叶在 1820 年代头一个追问,地球为何比空荡的太空更暖;约翰·丁达尔则在 1860 年代于实验室里测出,二氧化碳与水汽确实困得住热。阿伦尼乌斯补上了那个缺失的数字。此后数十年,这一想法被搁在一旁,到 1930 年代重又被提起,并在查尔斯·基林于 1958 年开始测量二氧化碳稳步攀升后得到证实——正是我们今天身处其中的那一场攀升。

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 Vast ice sheets had once buried northern Europe and then withdrawn; what could turn the Earth's thermostat up and down by so much?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