人类何时开始研究地球变暖

陆凡

2021年诺贝尔物理学奖颁发给两位研究地球气候变暖的科学家，其实，全球变暖并不是近几十年才被人类发现的，早在19世纪就有科学家预见，二氧化碳终有一天会改变地球温度。

傅里叶：最早研究气候变暖的科学家

19世纪初，科学技术突飞猛进，催生了人类对气候问题的早期研究。其中一位是法国数学家、物理学家约瑟夫·傅里叶，他穷尽毕生精力研究控制热量传递的力学原理以及方程式，但他一直被一个问题所吸引：为什么地球能够如此温暖？因为根据他估算出的太阳照射到地球的能量，地球的温度照理应该比实际低很多。

1807年，傅里叶写成关于热传导的论文《热的传播》，为了解热传导方程，他才创立了傅里叶分析理论。1820年，傅里叶计算出，一个物体假设有地球那样的大小，到太阳的距离和地球一样，如果只考虑太阳辐射的热效应，那么这个物体应该比地球实际的温度更低。因此，必然有其他热源。虽然傅里叶认为，星际辐射或许占了其他热源的一大部分，但是他第一次提出，地球大气层可能是一种隔热体，大气层像温室一样，保存了从太阳辐射进来的一部分热量，使得地球不至于像没有大气层的月球一样，被太阳照射时温度急剧升高，不受太阳照射时温度急剧下降。

傅里叶提出了以下预言：“人类社会的发展和进步，加上大自然力量的作用，可能在地球的广泛地区引起地表状态、水资源分布以及大气运动等方面的显著变化。在几个世纪后，这样的变化一定会使那些地区的平均气温发生变化。”这是人类对地球可能发生气候变化做出的最早预测之一—尽管当时，人类尚未弄清气候变化的原因、气候将会如何变化以及究竟是何种气体会对气候造成影响。

尤尼斯·牛顿·富特：最早发现“温室气体”

19世纪20年代，法国数学家和物理学家约瑟夫·傅里叶提出了“大气层像温室一样”的假设，30多年之后，美国业余科学家、杰出的妇女参政论者尤尼斯·牛顿·富特用严谨的科学实验验证了傅里叶的假设。

富特出生于1819年，17岁时，富特进入当地一所名为“艾玛·威拉德”的女子学校学习，如今这所女子学院被誉为“女性教育的圣地”。富特在学校的化学实验室中完成了研究项目所需要的规划，且熟练掌握了化学实验仪器的使用和操作技能。

1856年，富特对不同气体的吸热能力进行了测试，这是人类历史上首次进行此类实验。当时，她的研究工作只使用了一些简单的仪器，包括两个长76厘米、直径10厘米的玻璃瓶，每个玻璃瓶装有一支温度计。她在这两个玻璃瓶中加入了不同的气体，并通过温度变化比较气体对太阳光照射的热效应。富特发现，潮湿的空气比干燥的空气能吸收更多的太阳辐射。与一般的空气相比，二氧化碳吸收的太阳辐射更多。同时，她还发现，在相同条件下，充满二氧化碳的玻璃瓶，比充满氢气或氧气的玻璃瓶要热得多。由此，富特揭示了二氧化碳和水蒸气在温室效应中的重要作用。富特将实验结果写进了论文，并提出了一个惊人的预言：“发生在装满二氧化碳的玻璃瓶里的事情，同样也可能发生在我们的星球上……如果大气层中充满了这类气体，地球的温度将会升到很高。”这篇论文发表在1856年的美国《科学》杂志上。当时，全球的气候变化并不明显，但富特前瞻性地预测，二氧化碳浓度的改变会影响全球温度。

这是气候物理学史上第一个真正的实验，但不幸的是，她的实验后来被人们遗忘了。而且，当她要在当时美国最著名的科学组织—美国科学促进协会面前展示她的研究成果时，协会不允许女性发言，因此，她的研究报告是由一名男性同事宣读的。

一个多世纪以来，尤其是早期主要集中在欧洲的气候科学家，似乎都没有讨论或引用过富特的研究成果。直到21世纪，退休的石油地质学家雷蒙德·索伦森在他搜集的《科学发现年鉴》旧版本1857年卷中，意外地看到了关于富特工作的描述。他立刻意识到，这是第一篇将二氧化碳与气候联系起来的论文。2011年，他公开发表了他的发现。随后越来越多的科学家和历史学家开始发现富特研究的价值。

约翰·廷德尔：首次证明了大气中的二氧化碳与温室效应之间的联系

爱尔兰物理学家、气象学家约翰·廷德尔经过多年的观察与研究，于1859年得出结论：水蒸气对保持地球大气的温度十分重要，其他气体（如二氧化碳和氧气）也起到同样的作用。他开始进行大量计算，通过改变公式中这些气体的值来得出不同的结果，最后的结论是：增加像二氧化碳这样的气体会对气候产生十分显著的影响。这就是我们现在所说的全球变暖，亦称之为温室效应。廷德尔发現，二氧化碳在吸收热量上具有非常强的能力。

廷德尔也是第一个提出天空蓝色理论的人，他的理论被称为“廷德尔效应”。当时人们用廷德尔效应来解释天空的颜色，认为是由于大气中存在大量的灰尘、小水滴、冰晶等众多的小微粒，而太阳光在通过大气时，会不可避免地遇到这些微粒，将太阳光中波长较短的蓝色光散射到整个天空当中，因此整个天空才会呈现蓝色。这种说法流行一时，直到1900年英国物理学家瑞利勋爵发现了瑞利散射现象，天空的“蓝色之谜”才被真正揭开。

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斯凡特·阿伦尼乌斯：创建了世界上第一个气候变化模型

人类在气候科学方面的最终进步出现在1896年，那一年瑞典物理学家斯凡特·阿伦尼乌斯创建了世界上第一个气候变化模型。

1896年，阿伦乌尼斯发表了“大气中的二氧化碳对地球温度的影响”的论文，在论文中，他不仅提出了“人类向大气排放二氧化碳将使地球表面不断升温”这样一个观点，还给出了计算公式。他提出，如果大气中的二氧化碳含量增加1倍，地球表面温度会升高5℃或6℃，这跟后来一些气候学家的计算模型差别不大。1908年，阿伦尼乌斯又写出了另一篇论文《形成的世界》，进一步指出，由于工业的迅速发展，大气中二氧化碳的比重在未来几个世纪中会增加到令人瞩目的程度。但是他判断要经过3000年不断燃烧化石燃料，大气中的二氧化碳含量才会翻番。阿伦尼乌斯计算出了地球温度上升的速率，但没有考虑到人类文明演进的速度—随着科技的进步，越来越多的在地下埋藏了千万年的煤被挖掘出来，填入了工业文明这台巨大的发动机里去。

说到灾难，令阿伦尼乌斯和他同时代的科学家更为担心的是，火山爆发可能会严重扰乱世界气候。19世纪的科学家知道气候突然发生变化会对人类造成致命威胁，但是他们想象不到气温的逐渐升高会带来什么样的危险。他们没有预见到，全球变暖将给人类带来很多严重的问题，例如，气候变暖对迁徙入侵物种造成的各种挑战、冰川消失后出现的复杂的生物圈反馈现象等。实际上，阿伦尼乌斯认为一个更暖和的地球会给人类带来更多好处。

盖伊：第一次提出气候变暖与人类活动有关

尽管早在18世纪之前就建立了气象学，但是我们看到，发现全球变暖与人类有关的科学家大多是其他领域的科学家，盖伊也不例外。盖伊是发动机工程师，但他有收集天气数据的爱好。在收集天气数据的过程中，他观察到全球的温度在近半个世纪以来有所上升。由于好奇全球变暖的成因，盖伊利用业余时间，一共花了上千个小时跟世界各地的科学家和研究人员进行通信交流，并从数百个气象站收集了大量的证据。盖伊在考虑了各种能导致全球气温升高的因素之后，还进行了数以万计的手工计算，最后他发现，大气中二氧化碳的含量已从19世纪的274～292ppm，上升到1937年的300ppm。二氧化碳含量的增长不仅和全球气温上升呈高度相关，而且还能直接归因于人类日益增加的生产活动。

盖伊在1937年发表了论文《二氧化碳的人工生产及其对温度的影响》，这篇论文发表一年后被更为专业的人士所注意。盖伊得以在6位气象学专家面前介绍他的研究成果。遗憾的是，尽管盖伊的结论是建立在严格的科学程序上的，但是专家们首先质疑的是盖伊论文中二氧化碳和温度的数据的准确性，而不是选择检验数据，并直接忽略盖伊的发现。其中一位专家还直言：“盖伊并不是气象学专家。”因此盖伊的论文没有被广泛地宣传。但盖伊并没有气馁，他不断地发表更为全面的论文，直到1964年去世之前，仍在进行相关的研究。

查尔斯·基林：为人类活动“干预”自然界提供了最有说服力的科学证据

盖伊的努力并非是徒劳的，总有科学家会对盖伊的发现产生兴趣，美国地球化学家查尔斯·基林就是其中一员。基林从盖伊的经历中吸取了教训，他收集地球二氧化碳的数据所使用的是自己参与研制的、精确度享誉整个科学界的仪器。

基林于1958年开始在夏威夷莫纳罗亚观测站测量大气中的二氧化碳浓度。他的初步测量结果显示，二氧化碳浓度有很强的季节循环特性，每年夏天都会随着植物吸收二氧化碳而降低。不過，到了1961年，他的结论是二氧化碳浓度确实在稳定地上升中。著名的“基林曲线”就是基林的研究成果之一。基林曲线是一幅图，该图准确地显示了地球上逐年增加的二氧化碳含量。基林的研究表明，正是由于人类日益增长的生产活动，造成了地球大气二氧化碳含量的增加，从而导致全球变暖和温室效应。