人類的第一生存要義 就是擺脫「溫室地球」的命運

來源：中科院之聲

「人類世」概念的確定，標誌著地球氣候系統的演變再也不是純「自然」的過程，人類活動參與氣候系統的演變並起到重要作用，這樣的系統包含眾多的臨界點，一旦越過臨界點，有可能引發「多米諾」骨牌式的反應，使得地球系統不可避免地滑入「溫室地球」的深淵，屆時全球溫度會比工業革命前高4-5攝氏度，海平面比今天高10-60米。進入「人類世」，人類的第一生存要義，就是擺脫「溫室地球」的命運。

「人類世」的到來

在2000年的一個國際會議上，大氣化學家、諾貝爾獎獲得者 Paul Crutzen（保羅·克魯岑），受不了主講人反覆說地球現在處於全新世（Holocene）的看法，提出了「人類世」（Anthropocene）的概念。2002年，Nature 雜誌發表了他的文章《人類地理學》（Geology of mankind），在這篇文章里，他具體闡述了「人類世」的概念。

「人類世」的概念核心在於，人類活動的影響已經超過了自然變化的影響，尤其是自工業革命以來，人類在土地利用、建壩挖河、水資源利用等方面改變了地球的面貌和環境，最為重要的是，人類活動改變了大氣成分，化石燃料巨量燃燒造成大氣中溫室氣體濃度飆升，改變了氣候變化的方式，從此地球的歷史演變進入了全新的階段。

在過去300年，地球面貌發生了翻天覆地的變化。全球人口增長了10倍以上，保羅·克魯岑在2002年發表文章的時候，全球人口在60億左右，而2018年初，全球人口已經飆升到了74.4億以上。因為化石燃料燃燒引起大氣中溫室氣體增加，2002年，大氣中CO2濃度達到370ppm，這比工業革命前高30%，到2018年中期，大氣中CO2濃度達到410ppm以上，這比工業革命前高45%以上，比過去80萬年任何時候都高，甚至會是過去300~500萬年以來的最高值。

人類的各項活動，深刻地影響著地球的演變，圖片來自於http://www.anthropocene.info

保羅·克魯岑把「人類世」的起始地質年代精確定為1784年，即瓦特發明蒸汽機開始。而「人類世」的最後時限，應當是到人類自然消亡的那一天，這個時間目前未知，保守估計至少應該有數萬年。按照克魯岑的說法，除非發生全球巨災，例如小行星撞擊、世界大戰、全球性瘟疫，徹底改變全球的演變歷程，人類未來將始終是影響環境的最主要因子，這一影響也許會持續數千年，因此在「人類世」里，全球科學家和工程師們任務艱巨，需要為人類尋找一條可以保持環境繼續穩定發展的新路，在「人類世」里，一切都是未知，在地球歷史上沒有過去的記錄可以借鑒。

儘管圍繞著「人類世」的概念還有很多學術爭議，但是「人類世」的概念深刻地影響了全球各界看待世界的方式。我國「黃土學之父」、著名地質學家劉東生院士指出：「人類世的提出是一個值得考慮的問題，因為它不僅是一個地質學分期的問題，同時還涉及到人在自然界的地位的問題，和人類認識自己的問題」（《中國三千年氣象記錄總集》序，2004年）。2011年5月，約20名諾貝爾獎得主向聯合國提交了《斯德哥爾摩備忘錄》，建議將人類現在所處的地質年代改為「人類世」。

人類活動給湖底的沉積物留下了與全新世截然不同的物質， 包括塑料、煤灰、核試驗和核泄漏的放射性元素、金屬、殺蟲劑、活性氮及溫室氣體增加導致的結果，圖片來自於 Science 雜誌綜述文章（Waters et al。， 2016）

2016年， Science發表了綜述文章The Anthropocene is functionally and stratigraphically distinct from the Holocene ，來自英國地質調查局的 Colin Waters 等提供了大量的數據，他們指出「人類世」應該被認作是一個新的地質時間單位，其開始的時間應該為20世紀中期，即1950年左右，當時核能時代開始、人口膨脹、工業急劇發展、礦產和能源加快使用。人類活動給地球留下了無處不在而且持久的印記，與之前的全新世（Holocene）截然可分。

2016年，第35屆國際地質大會在南非召開，會議正式通過人類紀（period）、人類世（epoch）和人類期（stage），隨著地質年表的修訂，被世界公認的「人類世」徹底到來。

圖片來自於 https：//www.gdcinteriors.com/anthropocene/

「人類世」的氣候挑戰

根據對兩極冰芯的分析，自從進入第四紀（Quaternary）以來，隨著地球軌道參數的變化，地球大概維持著10萬年左右的周期，進行冰期-間冰期-下一個冰期-……的循環。自從1.2萬年前進入全新世（Holocene）以來，地球進入溫暖的間冰期，高緯度冰雪消融，海平面上升，農業和生產工具的不斷進步，促進了人類社會的繁榮發展。

全新世里，人類成為地球系統演變里不可忽視的力量，甚至成為重要的改變因子。人類活動已經改造了至少50%的陸地表面，對生物多樣性、土壤結構和氣候都造成了重大影響。人類每年向大氣排放1.6億噸二氧化硫，這是所有自然排放量的兩倍以上。人類化石燃料的燃燒產生的氮氧化物總量，遠遠超過自然過程的排放量。人類活動引發的風化率比自然風化率高出一個數量級。最重要的是，人類活動引起大氣中溫室氣體量飆升，目前大氣中CO2濃度達到410ppm，這比過去80萬年任何時候都高，目前的地球氣溫幾乎和第四紀裡間冰期的歷史最高溫度一樣高。

2018年8月6日，澳大利亞國立大學、瑞典斯德哥爾摩大學、丹麥哥本哈根大學和德國波茨坦氣候影響研究所等研究機構的科學家在《美國國家科學院學報》發表文章，分析了「人類世」里地球氣候系統的可能演變軌跡。他們指出，在全球變暖的過程中，地球系統存在不少的臨界點，如果超過這些臨界點，會容易引起「多米諾」骨牌式的正反饋過程，突破一個個臨界點，會使得地球氣候系統脫離冰期-間冰期的循環，最終導致「溫室地球」（Hothouse Earth）時代的到來。在「溫室地球」狀況下，全球平均氣溫較工業革命前高4-5度，這將超過數百萬年間冰期的最高溫，甚至比中新世時期溫度還高，海平面比今天高10-60米。

在「人類世」里，在不進行大規模減排及積極應對的狀況下，全球溫度的升高可能會導致地球氣候系統擺脫第四紀冰期-間冰期的周期變化，持續的溫度升高和海平面升高，使得地球進入「溫室地球」（Hothouse Earth）狀態，全球應該共同努力避免這一結局，控制全球升溫在1.5-2℃之間，進入到「穩定地球」（Stabilized Earth），圖片來自於 Steffen et al。，（2018）

研究人員提出了至少10個可能加劇全球變暖的地球系統變化，包括：

1） 高緯度永凍土消融釋放甲烷和二氧化碳

2） 海底甲烷水合物中的甲烷逸出

3） 陸地和海洋儲存碳能力削弱

4） 海洋微生物呼吸作用增強

5） 亞馬遜雨林退化

6） 北半球中高緯針葉林退化

7） 格陵蘭島冰蓋消融

8） 北極夏季海冰喪失

9） 南極海冰減少

10）南極冰蓋消退

按照觸發以上過程的難易程度，可以分為三個檔次：

1） 1℃~3℃，在全球增溫的這個範圍內，容易引起夏季北極海冰消融、格陵蘭島冰蓋消融、阿爾卑斯山冰川消亡、南極洲西部冰蓋消融和珊瑚礁的白化。

2） 3℃~5℃，當增溫達到這個強度時，可能會導致亞馬遜雨林向草原退化、北半球中高緯針葉林退化、季風區變化、全球海洋溫鹽環流變化。

3） >5℃，當增溫超過5℃時，很有可能引起北極冬季冰雪量減少、高緯度永凍土消融釋放溫室氣體、南極洲東部冰蓋消融等。

地球系統本身的演變包含著眾多的正負反饋機制，人類每年通過燃燒化石燃料排放400億噸二氧化碳，其中大約一半被海洋、樹木和土壤吸收並儲存。然而，我們正通過砍伐過多的樹木、大量土壤退化、超量使用水資源，排放過量的二氧化碳，把自然系統的調節潛力推到極限，而一旦越過極限，自然過程的作用有些可能會發生逆轉。

1970年以來，25%的亞馬遜雨林已經消失，圖片來自於http://www.japantimes.co.jp

大規模熱帶雨林的存在，本身能夠調整濕度和降水分布，即使短暫脫離平衡，也可以通過自身的調整恢復過來，使得自身的生態系統保持平衡。然而如果持續升溫，這種機制就會慢慢變弱，一旦全球升溫3攝氏度，可能使40%的亞馬遜雨林「頂梢枯死」，這一過程一旦開始，就無法恢復，熱帶雨林會逐漸退化成稀樹草原，在這一過程中釋放出大量的碳，進一步加劇溫室效應。

冰雪在地球氣候系統中起到重要的作用，南北極海上浮冰的存在，反射了80%的太陽短波輻射，調控著進入地球系統的能量，然而如果增溫導致浮冰融化消失，太陽輻射會直接進入海洋，使得海水溫度升高，進一步引起更高的全球溫度升溫，更高的升溫反過來引起更嚴重的冰雪消融，通過冰雪-輻射的正反饋機制，加劇全球增溫。據估計，到本世紀中葉，北冰洋夏季將出現沒有浮冰的狀況，屆時冰雪-輻射的正反饋機制會推高全球溫度的走勢。

在俄羅斯、加拿大、歐洲北部等地區的永久凍土層內封存大量甲烷和二氧化碳，甲烷所產生的溫室效應能力大約是二氧化碳的25倍，一旦地球溫度升高，導致寒冷地區的凍土融化，就會導致甲烷釋放，而隨著全球增溫的加劇，高緯度的野火發生頻次也進一步增加，在極端情況下，也有可能導致大面積過火，從而引起凍土融化，釋放甲烷，加強火勢並進入大氣層，引起更強的溫室效應。

森林和植物一直被看做是碳匯，隨著大氣CO2濃度的升高，會使得植物生長更為茂盛，進而吸收更多的二氧化碳，然而這個關係並不穩固，隨著溫度的增加，過高的植物葉面溫度會導致光合作用效率降低，並且隨著溫度增加，土壤中微生物的呼吸作用會增強，這會把更多的土壤碳釋放進大氣。對於植物，更大的風險在於，隨著溫度增加、副熱帶地區降水減少及乾旱區的擴展，北半球中緯度森林的南部區域容易受乾旱的影響，從而導致植被的退化，從針葉林轉變為乾旱的草原，這些都會降低森林和植物作為碳匯的作用，甚至作用會反過來，成為碳排放的來源之一。

這些正反饋機制的臨界點可能並不相同，有高有低，然而當一個臨界點被觸發之後，可能會像「多米諾」骨牌一樣，就會推動地球系統倒向另外一張牌，而要阻止整排「多米諾」骨牌的倒下將會異常困難，甚至是不可能的，當最終地球氣候系統滑向「溫室地球」，地球上許多地方的宜居性將大打折扣。洪澇地區的暴風雨強度和頻次將大大增強，而全球範圍內的乾旱和酷暑也會更加劇烈，如果西南極洲和格陵蘭的冰蓋融化，大量淡水注入海洋，會導致全球海平面上升13米；而一旦東南極洲的冰蓋融化，海平面還會再上升12米，這種結果是毀滅性的，因為全球三分之二的特大城市處于海拔低於10米的區域，全球80%的人口生活在距離海岸線100公里之內。

一個可怕的前景。

海平面上升將引會使得全球三分之二的特大城市處於危險之中，圖片來自於電影《後天》（The day after tomorrow）

如何應對？

如果全球溫室氣體排放繼續「一切照舊」（business as usual），那隨著全球溫度的持續升高，氣候系統的關鍵的臨界點必然會被一一觸發，從而最終導致「溫室地球」的悲慘命運。因此，應對之策首先就是要改變「一切照舊」的發展方式和生活方式，採取更加積極的應對策略。

地球溫度已經比工業革命前高1.1攝氏度，並且依然保持加速升溫的勢頭，這已經使得氣候系統再難以恢復第四紀冰期-間冰期的周期循環，另外一方面我們要努力避免地球進入到溫室地球中，而讓氣候平衡到「穩定地球」（Stabilized Earth）可能是唯一的選擇，雖然這個狀態也許不是氣候系統內在的平衡態，但是在「人類世」人類活動的參與下，有可能會實現這樣一個穩定狀態，在這個穩定狀態里，溫度和海平面溫度幾乎是冰期間-冰期循環里最高的數值，但是卻避免了觸發各種氣候臨界點，從而保持氣候的穩定性。

以《美國國家科學院學報》這篇文章來看，全球氣候系統陷入氣候臨界點的逐級崩塌，大概是在升溫到約2攝氏度時，在此之前氣候的演變經過分叉點，一條路通往「溫室地球」的深淵，一條路可以走向「穩定地球」，這取決於人類如何應對。應對措施有效是在分叉點之前，一旦氣候越過分叉點，應對的難度就非常大，甚至是無能為力的。要儘可能提高避免進入這種「溫室」狀態的可能性，人類對待地球的態度必須有根本改變——從「過渡開採」模式轉為「有效管理」模式。

全球溫度增加是的「人類世」的氣候系統擺脫了第四紀的冰期-間冰期循環，然而如果應對不及時，氣候系統可能會滑向「溫室地球」的深淵，「溫室地球」和「穩定地球」之間的分叉點大概在地球增溫2℃左右，圖片來自於Steffen et al。， （2018）

人類當然不會坐以待斃，應對的策略在過去30年里被反覆討論，基本為以下幾個思路：

1）大幅度減少全球溫室氣體排放。

2）增強或者創造碳匯，這可以通過保護並增強全球生物圈，或者發展碳回收技術來實現。

3）在有必要的時候，通過氣候工程減少氣候系統的太陽輻射量。

在上面三種思路里，大幅度減少溫室氣體排放是最優先的選擇，同時保護熱帶雨林、森林和海洋生物多樣性，而氣候工程大都得失參半，副作用明顯。例如，往平流層播撒硫酸鹽氣溶膠，理論上可以降低到達地表的太陽輻射，但是很有可能引起全球水循環的改變，造成海洋和生物圈的損失與退化，並且很有可能引起臭氧損耗，使得到達地表面的紫外輻射增強，這也是嚴重的氣候災害，而且還無法抵消溫室氣體升高造成的海洋酸化，另外全球範圍內的氣候工程，一般都規模巨大，經濟和環境上並不可行。

大幅度減排並不是一件容易的事情，需要在全球範圍內構建共同的價值觀、原則和框架，甚至教育體系，從本質上講，人類社會構建有效的地球系統管理是實現「穩定地球」的基礎。

當然這將會是一個非常複雜與綜合的變革，除了全球治理層面上制度和社會創新以外，還需要全球範圍內人口、消費、教育、行為等的變革，這需要數十年才會取得效果。另外，全球低碳化發展，需要技術進步的加速發展，太陽能和可再生能源在一次能源消費中的比例增加，也使得未來低碳發展的能力增強，然而這距離大幅度減少碳排放還有很大的距離。

目前全球的經濟發展是建立在高碳排放量和開發性資源利用的基礎上的，為了遠離氣候系統的眾多臨界點，低碳發展和循環經濟成為必由之路。減少碳排放的第一目標應該是到2050年完全停止碳排放，並在此基礎上做得更多。不僅要減少溫室氣體排放，還要創造新的碳儲存方式，比如，通過改善和種植森林、改良農業和土壤管理方式、保護生物多樣性和開發新技術來消除空氣中的二氧化碳；並研發將二氧化碳從大氣中去除並儲存在地下的技術。但是當各個國家都打著自己的「小算盤」的時候，這就成了幾乎不可能完成的任務。

不確定性

目前預估未來氣候變化主要利用氣候數值模式，在假定的未來溫室氣體排放情景下，討論氣候系統的未來狀態，這就包含了預估未來三大主要的不確定性來源：1）未來溫室氣體排放情景的不確定性，2）數值模式的不確定性，3）氣候系統本身內部變率的不確定性。此前關注點主要在前兩個不確定性上，一方面設計更合理的未來溫室氣體排放情景，另一方面努力提高數值模式的模擬性能，然而關於臨界點的研究揭示了地球氣候系統本身的不確定性。

全球溫度增幅與CO2累積排放總量之間保持準線性關係，大概每累積排放500GtC的CO2，全球溫度增加1℃。圖中各曲線為各RCP情景，圖片來自於第五次IPCC報告

經過30多年的發展，氣候科學的研究基本上建立起了合理與可靠的預估未來的方法和數值模式，在全球未來溫度升高幅度與累積的碳排放之間建立起準線性的關係，21世紀末期及以後的平均地表變暖主要取決於累積CO2的排放。考慮到氣候系統臨界點的問題，當溫室氣體增加，溫度增加引起臨界點的突破及相應多個臨界點的連鎖反應，將給以上的線性關係帶來極大的不確定性，而這種不確定更有可能體現在溫室氣體增加會帶來更劇烈的氣候變化。

如果隨著溫度增加，發生生物地球物理反饋過程的變化，例如當生物圈的退化，引起生物圈碳匯能力的降低，甚至成為碳排放源，或者溫度變化引起海洋微生物呼吸作用的增強，從而減少海洋碳匯的能力，或者發生冰雪減少-反照率降低的冰雪-輻射的正反饋作用，那必然會引起非線性的反饋過程，甚至會變成主宰氣候系統走向的主要因子，這就會給未來的預估帶來極大的不確定性。

在這種不確定與非線性存在的情況下，為了避免臨界點的突破以及規避不確定性的風險，全球升溫幅度控制在2度甚至更低就成了必然的選擇，這要求人類在面臨全球變暖挑戰時，採取更有作為的應對思路。

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