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全球變暖真的很嚴(yán)重嗎?

2022-03-19 19:59 作者:哲學(xué)小先生  | 我要投稿

先說答案:我們不知道我們會遇到什么情況所以以很嚴(yán)重的態(tài)度對待為妥!

這要看你怎么理解。全球變暖的嚴(yán)重程度有至少兩個指標(biāo),絕對溫度增幅和溫度增長速率。

之前我回答這個問題的時候認(rèn)識不足,后來查閱了有關(guān)資料才知道問題。古新世始新世極熱事件之前的1000萬年內(nèi)地球表面平均氣溫的確是上升了3攝氏度,但是在這之前地球表面平均氣溫比1850至1900年的平均水平高9攝氏度,之后極熱事件使其又上升了3攝氏度達到了比上述的平均水平高15攝氏度。如下圖:


而根據(jù)IPCC的預(yù)測,CO?大氣累計排放量在人類完全不限制排放的情況下會在2300年達到PETM前的水平,地球表面平均溫度會達到11攝氏度。

由此我們講,實際上觸發(fā)甲烷水合物的正反饋機制所需的臨界氣溫要比之前我想像的高很多,且根據(jù)氣象學(xué)家的模擬,在8攝氏度的高溫下地球的宜居地區(qū)反而會更多,但是這里的預(yù)報模型考慮的因素過少可能無法作為論據(jù)。如下圖:


這里還要說的是,人類歷史上的地球表面平均氣溫并沒有某些人想象的那么高,如圖所示:


但是如果考慮溫度增長速率就不樂觀了。過去的地質(zhì)年代無論是絕對值還是變化幅度現(xiàn)在都比不了,但是溫度的變化速率是很慢的,即使是現(xiàn)在的全新世變化速率在近代之前最快也不過平均每年1/2000攝氏度。但是現(xiàn)在的變化速率卻差不多平均每年1/40攝氏度,快了近50倍!這種升溫速率也太快了吧!當(dāng)然也不能排除在地質(zhì)歷史上的那些氣候事件中變化速率更快。比如有研究認(rèn)為在PETM時期全球平均氣溫升高5至8攝氏度只用了13年,即平均每年5/13攝氏度至8/13攝氏度。如圖所示:


但是也有研究認(rèn)為這項研究的實驗數(shù)據(jù)無法證明結(jié)論。如圖所示:


這么快的變化速率生態(tài)系統(tǒng)有時間適應(yīng)嗎?


所以全球變暖到底有多嚴(yán)重,相信你已經(jīng)有答案了。

補充:另外還有一個因素需要考慮,在PETM期間地球的海陸分布和洋流分布模式與現(xiàn)在大相徑庭,尤其是當(dāng)時沒有巴拿馬地峽,在300萬年前巴拿馬地峽正式形成時造就了北大西洋暖流,使得全球氣溫隨著地球自轉(zhuǎn)傾角的變化而劇烈變化直到今天(也遠沒有現(xiàn)在這么劇烈)。甚至(個人猜測)在3000萬年前地球的劇烈降溫也是由巴拿馬海嶺隆起阻止了深海水通過巴拿馬海峽導(dǎo)致全球熱鹽環(huán)流分布模式變化造成的。而現(xiàn)在的這種“對環(huán)境變化更敏感”的海陸分布和洋流分布模式下碰上了地質(zhì)史上十分罕見的急速升溫,這種情況下全球的氣候模式、降水模式和土壤水分分布可能會出現(xiàn)十分不利的情況,而全球生態(tài)系統(tǒng)會發(fā)生怎樣的變化是很難預(yù)測的。根據(jù)IPCC的預(yù)測,全球溫度上升1oC、2oC、4oC時全球溫度、降水概率、土壤水分的變化分布如下圖:

可以看出在升溫4oC的情況下,全球降水概率和土壤水分乍一看是大幅增加的,但是其實是相對1850—1950年當(dāng)?shù)仄骄降淖兓壤?,因此可以看到現(xiàn)在的很多宜居區(qū)域會變得干旱,水少了30%到40%。如果升溫8oC乃至12oC、15oC就不好說了,我還沒有查到關(guān)于如此高溫下權(quán)威的氣候預(yù)測資料,誰有的話可以在評論區(qū)里補充,謝謝!


借此說一下全球變暖是怎么影響當(dāng)代全球氣候的。不少人對全球變暖的理解還只是全球平均氣溫上升,很多人可能知道全球變暖是氣候變化的元兇,但是對具體怎么影響的缺乏認(rèn)識,今天我?guī)愦致缘卣J(rèn)識一下。


聲明:下面的證明僅僅是對氣象系統(tǒng)在時間尺度上的定性分析,如果想進行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鲂枰獙庀笙到y(tǒng)在時間和空間兩個尺度上作定量分析,為此不僅需要海量的數(shù)據(jù)和算力,還至少需要考慮生態(tài)系統(tǒng)、地球化學(xué)和海洋動力學(xué)三個方面的影響,而這三個方面會導(dǎo)致氣象系統(tǒng)極其復(fù)雜的蝴蝶效應(yīng),使得對氣候長期前景的預(yù)測極端困難,以下證明僅僅是為了讓人們粗略地認(rèn)識全球變暖影響氣候的機理,如果有問題歡迎專業(yè)人士批評指正!


下面的微分方程組是動力氣象學(xué)中閉合條件下的大氣動力學(xué)方程組:


\begin{cases}\frac{dV}{dt}=g-\frac{1}{\rho}▽\bullet p-2\Omega\times V+F\\\frac{d\rho}{dt}+\rho(▽\bullet V)=0\\p=\rho RT\\C_{p}\frac{dT}{dt}-\frac{1}{\rho}\frac{dp}{dt}=Q\\\fracs0sssss00s{dt}(\frac{\rho_{w}}{\rho})=\frac{S}{\rho}\end{cases}


其中: \frac{dp}{dt}=\frac{\partial p}{\partial t}+(V\bullet▽)\bullet p


我們先看第四個方程(即熱力學(xué)方程),方程中 C_{p} 為定壓比熱容, \frac{dT}{dt} 為溫度隨時間的變化速度,Q 為單位體積空氣的非絕熱加熱率,指對空氣不在絕熱條件下單位時間內(nèi)吸收的熱量,顯然我們能得到:


\frac{dQ}{dt}\approx C_{p}\fracs0sssss00s{dt}(\frac{dT}{dt})


而非絕熱加熱率 Q 包括地表感溫、地表潛熱釋放和地表長波凈輻射三類的和。地表感溫與地表的比熱容和吸收來自太陽輻射的效率有關(guān),冰面最不容易加熱空氣,其次是森林綠地,再次是海平面,裸露的巖石沙漠最容易加熱空氣。地表潛熱釋放是指地表水汽凝結(jié)釋放的熱量。地表長波凈輻射是指地面以長波輻射的方式將地面的熱量釋放出來,所謂溫室效應(yīng)就是指大氣中的溫室氣體增加大氣對地表長波輻射的吸收效率,相當(dāng)于給地球加了一層保溫罩。由于大氣層會向太空散發(fā)熱量,由此可知:


Q>C_{p}\frac{dT}{dt}


將第四個方程變形:


-\frac{1}{\rho}\frac{dp}{dt}=Q-C_{p}\frac{dT}{dt}


由上面兩個式子可知方程右邊為正,且當(dāng)非絕熱加熱率 Q 增大時方程右邊也增大,則氣壓梯度力也隨 Q 的增大而增大,即:


(-\frac{1}{\rho}\frac{dp}{dt})\uparrow=Q\uparrow-C_{p}\frac{dT}{dt}\uparrow


而方程左邊密度 \rho 為正,所以 \frac{dp}{dt} 為負(fù)且不斷減少,也就是說大氣壓力不斷減小,這就是為什么信風(fēng)會不斷減弱。


由前面那個式子可知大氣壓的散度 ▽\bullet p 也為負(fù)且會不斷減小(因為空氣流速 V 不會減少否則與第一個方程相矛盾),將其代入第一個方程可知氣壓梯度力 -\frac{1}{\rho}▽\bullet p 為正且不斷增大,即:


\frac{dV}{dt}\uparrow=g+(-\frac{1}{\rho}▽\bullet p)\uparrow-2\Omega\times V\uparrow+F


而如果微分迭代方程每次迭代的值更大,方程輸出值就會更加趨于極端值且趨于混亂,而且對初值的敏感性更高即更難預(yù)測。


大氣壓的散度 ▽\bullet p 越小而大氣壓也越小也說明空氣的流向越趨于極端(即強對流天氣),而空氣流速 V 越大其旋度 ▽\times V 就越大,如果認(rèn)為空氣的體積元不隨時間改變位置的話,那么需將體積元的各物理量看作不隨位置而隨時間改變的物理量(歐拉觀點),而旋度越大說明空氣越來越容易形成氣旋且氣旋儲存的能量越大。這正好與前面空氣的流向越趨于極端相符合。


我們再來看一般的溫度升高對氣候的影響。


我們來看第三個方程,當(dāng)溫度 T 升高大氣壓 p 下降時,空氣密度 \rho 下降,即:


p\downarrow=\rho\downarrow RT\uparrow


將密度 \rho 代入第二個方程,由于密度的變化率 \frac{d\rho}{dt} 一定是負(fù)數(shù),所以空氣流速的散度 ▽\bullet V 增大且為正,而散度增大且為正說明空氣的流向越來越傾向于從中心向外膨脹,如果膨脹的是冷氣團就是寒潮,如果膨脹的是暖氣團就是熱浪。而潛熱釋放和溫度升高會使大氣中水蒸氣的出入量 S 增大,這會導(dǎo)致大范圍的降水,雖然水蒸氣也是溫室氣體,但是水蒸氣會凝結(jié),因此一般不考慮其對氣候的影響。


而第一個方程中隨著 V 的增大,地轉(zhuǎn)偏向力造成的旋度 2\Omega\times V 會變大,這意味著臺風(fēng)和各種風(fēng)暴的威力會越來越大,但是這同時又使得迭代的進程減緩,因此系統(tǒng)會達到新的穩(wěn)定狀態(tài),你可以理解為風(fēng)暴釋放能量降低了天氣系統(tǒng)的熵。


我們再看第五個方程,可以看到隨著溫度 T 升高,空氣密度 \rho 減少,水汽流量 S 和大氣濕度變化率 \fracs0sssss00s{dt}(\frac{\rho_{w}}{\rho}) 會更大,這就是說水汽會越來越充沛,天氣系統(tǒng)偏向暖濕化,即:


\fracs0sssss00s{dt}(\frac{\rho_{w}}{\rho})\uparrow=\frac{S}{\rho}\uparrow


所以,如果溫度高但是增長的速率很慢,氣候就會向著整體高溫多雨的方向轉(zhuǎn)變,干旱的地方無法居住,但是高溫多雨的地區(qū)會越來越多且寒冷地區(qū)會減少,天氣雖然更熱但是基本趨于穩(wěn)定,5500萬年前的古新世始新世極熱事件就是這樣。


前提是建立在非絕熱加熱率的變化率不大的情況下!

現(xiàn)在我們來看非絕熱加熱率 Q 的變化率 \frac{dQ}{dt} 對氣候的影響。


我們將第四個方程對于時間 t 求導(dǎo),得:


\fracs0sssss00s{dt}(-\frac{1}{\rho}\frac{dp}{dt})=\frac{dQ}{dt}


可以看出,如果 \frac{dQ}{dt} 越大,則方程左邊的變化率增長的越快,相應(yīng)氣壓梯度力的變化率增長的也越快,即:


\fracs0sssss00s{dt}(-\frac{1}{\rho}\frac{dp}{dt})\uparrow=\frac{dQ}{dt}\uparrow


將第一個方程對于時間 t 求導(dǎo)(注:重力加速度 g 和摩擦力 F 為常數(shù)),得:


\frac{d^{2}V}{dt^{2}}\uparrow=\fracs0sssss00s{dt}(-\frac{1}{\rho}▽\bullet p)\uparrow-2\fracs0sssss00s{dt}(\Omega\times V)\uparrow


則方程會在更短的時間內(nèi)達到平衡且最終的空氣流速 V 會大很多,這也就意味著天氣系統(tǒng)會非常極端、混亂和難以預(yù)測。


我們再把第二個方程對于時間 t 求導(dǎo),得:


\fracs0sssss00s{dt}(-\frac{d\rho}{dt})=\frac{d\rho}{dt}(▽\bullet V)+\rho\fracs0sssss00s{dt}(▽\bullet V)


當(dāng)氣溫加速升高時,方程左邊為正且越來越大,而密度的變化率 \frac{d\rho}{dt} 為負(fù)且越來越小,密度 \rho 越來越小,則空氣流速的散度的變化率 \fracs0sssss00s{dt}(▽\bullet V) 必須為正且越來越大,相應(yīng)空氣流速的散度 ▽\bullet V 也越來越大,即:


\fracs0sssss00s{dt}(-\frac{d\rho}{dt})\uparrow=\frac{d\rho}{dt}\downarrow(▽\bullet V)\uparrow+\rho\downarrow\fracs0sssss00s{dt}(▽\bullet V)\uparrow


這也就是說,散度大于0的氣團會越來越多,散度小于0的氣團會越來越少,且這種變化的速度會越來越快。就是說以后寒潮和熱浪會越來越多越來越嚴(yán)重且發(fā)展的速度也越來越快高溫?zé)崂藭S著溫度升高取代寒潮成為主流天氣。


將第五個方程對于時間 t 求導(dǎo),得:


\frac{d^{2}}{dt^{2}}(\frac{\rho_{w}}{\rho})\uparrow=\fracs0sssss00s{dt}(\frac{S}{\rho})\uparrow


可見水汽流量 S 和大氣濕度變化率 \fracs0sssss00s{dt}(\frac{\rho_{w}}{\rho}) 都會急劇增加,反映在天氣系統(tǒng)上就是降水在時間和空間上分布極不均勻,一旦形成降雨會伴隨極端強對流天氣。


將第四個方程對于時間 t 求二階導(dǎo)數(shù),得:


\frac{d^{2}}{dt^{2}}(-\frac{1}{\rho}\frac{dp}{dt})=\frac{d^{2}Q}{dt^{2}}


我們知道,溫度想要進一步提高增長速率是很難的,所以 Q 的二階導(dǎo)數(shù)一般為負(fù),這說明在溫度較低時溫度增速對天氣系統(tǒng)的影響更大,在溫度較高時反而更小,即:


\frac{d^{2}}{dt^{2}}(-\frac{1}{\rho}\frac{dp}{dt})\downarrow=\frac{d^{2}Q}{dt^{2}}\downarrow


而一旦 Q 的二階導(dǎo)數(shù)為正,則天氣系統(tǒng)會向極端混亂和難以預(yù)測急速發(fā)展直到這種趨勢被破壞為止,這種情況就是一般所說的“氣候臨界點”,誠然這種情況發(fā)生的可能性較?。ㄒ驗樽匀惶荚词軠囟扔绊懪欧鸥嗵嫉捻憫?yīng)時間比之前預(yù)計長的多),但是 Q 的增長率很高就足以讓人類喝一壺的了。


綜上所述,在全球氣溫在偏低的情況下升溫速度太快會使天氣系統(tǒng)很快處于紊亂狀態(tài)(俗稱“淬火天氣”),而這種情況下大部分地區(qū)會逐漸荒漠化,因為平時蒸發(fā)量大而降水過于集中于某時段很難存住水。


為此,我們需要立即采取以下行動:


一、盡快減少溫室氣體的排放量


不僅僅是遏制排放勢頭,還要降低排放量。因為非絕熱加熱率 Q 還與地表感溫有關(guān),冰川融化和土地荒漠化會提高地表對空氣的加熱率?,F(xiàn)在還覺得兩極冰川融化與各位沒有關(guān)系嗎?


二、盡快提高森林覆蓋面積,減少森林火災(zāi)的危害


植樹造林不僅可以提高大自然對溫室氣體的回收率,而且可以減少地表對空氣的加熱率,防控森林火災(zāi)還可以減少自然碳源的溫室氣體排放。


三、盡快修建更多的水庫,完善水利系統(tǒng)


未來的降雨會愈發(fā)極端,而且在時間和空間上分布得愈發(fā)不均勻,需要提高利用水的能力,防止頻繁的旱災(zāi)和洪災(zāi)對人類生產(chǎn)生活的沖擊。


即使上述措施都做到了,由于水蒸氣的作用,天氣系統(tǒng)仍需要很長一段時間才能恢復(fù)穩(wěn)定,但是至少我們決不能再讓它繼續(xù)惡化下去了,否則真就是自尋死路!


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