气候科学 1960

《大气中二氧化碳的浓度与同位素丰度》

查尔斯·大卫·基林

一台严谨的仪器，捕捉到空气中的二氧化碳逐年「呼吸」——也逐年攀升。

Choose your version

In depth · the introduction

一位年轻的化学家，动手去测一件几乎没人觉得值得测的东西——空气里到底有多少二氧化碳——结果发现它在逐年攀升。

把这个想法拆开看

二氧化碳只占空气极小的一部分——大约万分之四。很长时间里，没有人测得够精细，足以判断这一比例是稳定还是在变。查尔斯·基林造出了一台仪器、磨出了一套足够严谨的流程，把这件事一锤定音。

他的记录同时显示出两件事。空气会呼吸：每到夏天，北方森林生长、把 CO₂ 吸下去，CO₂ 便下降；入冬又回升。而在这逐年的呼吸之下，整条曲线在向上漂移——每一年，空气里的二氧化碳都多一点点，与全世界烧掉的煤、石油和天然气同步。

那个不肯「四舍五入」的人

基林对把数字测准几乎到了执拗的地步——他花了好几年，只为把「在洁净空气中测 CO₂」这件事打磨到位。在斯克里普斯海洋研究所，海洋学家罗杰·雷维尔看出了它的价值，并以国际地球物理年的经费，于 1958 年在莫纳罗亚——一座远离城市与树木的偏远夏威夷火山——架起一台分析仪。最初的几批读数，就捕捉到了那随季节的起落。到 1960 年，凭着几年的数据，基林已能写下：这气体不只是在循环，更是在累积。此后余生，他一直把这测量延续下去，一路都在为经费奔走。

它为何重要

早在六十年前，化学家斯万特·阿伦尼乌斯就已算出，向空气中添加 CO₂ 会使地球变暖。但当时没人知道，人类的排放是否真的在大气里堆积，抑或被海洋与植物一并吸走。基林的曲线回答了这个问题：二氧化碳确实在累积，而那多出来的碳，带着化石燃料燃烧的化学指纹。它把全球变暖，从一个关于未来的理论，变成一项关于当下的测量——成为此后一切气候科学的基石。

一缸正在蓄水的浴缸

想象一只浴缸，水龙头开着，排水口也开着。排水口——海洋与植物吸收的碳——是真实存在的，但龙头放水更快，于是水位悄悄上涨。逐年的季节性涨落，就像水面上来回晃荡的小波；而整条水线缓缓抬升，才是要紧的那部分——只要进水快过出水，它就不会回头。

之前与之后

阿伦尼乌斯（1896）给出了「CO₂ 使地球变暖」的理论；盖伊·卡兰德在 1938 年论证它正在上升，但数据太零碎，难以服人。基林给出了证明。其下游的一切——IPCC 评估、350 与 450 ppm 的目标、乃至「碳足迹」这个说法本身——都立在他于 1958 年起笔、如今已越过 420 ppm 仍在攀升的那条不曾中断的线上。在本馆里，它与阿伦尼乌斯的温室计算并肩而立：一个是预言，一个是印证那预言的测量。

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