基林和基林曲线

《基林和基林曲线》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基林和基林曲线（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、气象科技进展76Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 5（3）- 2015现在世界上越来越多的人认识到人类正 在改变地球气候。但是，这样一个重要结论 的获得，科学家必须拿出确凿的观测事实作 为依据。在这些观测事实中，最具有说服力 的，就是半个世纪以来地球大气中二氧化碳 （CO2）含量的变化情况，其中查里斯大卫 基林（Charles David Keeling）在位于美国夏威夷岛名为 莫纳罗亚山的活火山上开展的大气二氧化碳含量观测， 提供了最为关键和令人信服的证据。今年，这位受到全 球学者爱戴的严谨的美国科学家已经离开我

2、们10年，然 而，被称为现代气候变化科学先驱的基林开拓的观测和 分析还在延续，而且还因为IPCC主导的气候变化评估等 工作，基林开创的大气CO2含量观测的结果，即基林曲 线所代表的人类活动“干预”自然界的科学证据，获得 了更多、更广泛的深刻认知和反省。基林和基林曲线所 代表的科学家和揭示的科学事实，在人类如何应对气候 变化的过程中，快速融入社会生活之中，成为人类认识 自身与自然关系的思考者和重要事实依据的样本。1 基林曲线的孕育查里斯大卫基林 （图1） 1928年4月20日出生于美国 的宾夕法尼亚，1948年他在 伊利诺斯大学获得化学和同 位素地球化学专业学士学 位，1954年在美国西北大学

3、获得博士学位后，来到加州 技术研究所做博士后，开展 地球化学方面的研究并开始 对观测大气中CO2的含量问 题感兴趣。19世纪末，有科 学家提出温室气体可能会 影响大气温度，但是大气 中CO2增加的可能性，却因 为过度相信海洋会吸收大部分增加的CO2而没有受到关 注。那时科学界普遍认为，理论上大气中CO2的含量会 因为煤等化石燃料的燃烧出现全球尺度的变化，但因为 人类活动造成的CO2增量到底是累积在地球大气中还是 被海洋和陆地植被所吸收则没有任何认识。 地球大气层包含多种气体，其中的一些气体，例如，二氧化碳和甲烷等，具有的一个共同点是能够吸收红 外线。以可见光为主的太阳辐射，穿越地球大气层后，可

4、 以加热地表，后者被加热后发射红外线。正是由于CO2等 气体的存在，地表发射的红外线无法穿过地球大气层使得 热量在外层空间释放，这些气体也因为将热量保留在地球 大气层内而被称为“温室气体”。正是因为CO2等温室气 体的存在，使得地球大气具有了温室效应，这一机制是地 球成为适宜人类居住的家园的重要原因之一。 然而，因火山喷发等过程逐渐在地球大气层中存 储和通过自然循环过程保持基本稳定的地球大气CO2含 量，因人类活动，尤其是人类对能源的消耗而形成新的 人为来源而发生了改变。这种改变，或者说是急剧增加 （图2），伴随工业化革命以来人类开发化石燃料从而向 自然索取更多能源的出现，逐步引起科学家们的关

5、注。捕获环境能源，单位：千卡/人/天（指数坐标）觅食社会化石燃料消费带来的增加农业社会增加期年14000 BC6000 BCAD 20001000100101图2 人类在“抢劫”环境。人类从诞生之日起就靠从自然环境 获得能量而生存，但是，我们的祖先在公元1.4万年前开始的觅 食社会，以狩猎为生的人群从环境中“榨取”的能量很有限。 之后进入漫长的农业社会，获取的能量也只是缓慢增加。而这 一切，被工业化时代带来的化石燃料消费所改变。一个美国人 今天从环境中获得的能源，已经是先民的46倍，对环境来说， 已经无异于抢劫者 （来源：New Scientist，18 April 2015）基林和基林曲线：

6、 人类定量认识自身 与自然关系的先行者和风向标 贾朋群 郑秋红 基林和基林曲线所代表的科学家和揭 示的科学事实，在人类如何应对气候变化 的过程中，快速融入社会生活之中，成为 人类认识自身与自然关系的思考者和重要 事实依据的样本。图1 查里斯大卫基林 （Charles David Keeling， 19282005）People 人物77Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 5（3）- 201520世纪50年代，加州大学斯克里普斯海洋研究所的2位科学家罗格雷维尔（Roger Revelle，19501964年任海洋所所长

7、）和汉斯聚斯（Hans Suess）最早认识到，海洋作为CO2汇的能力是有限的，因为海洋的表层水与深层水的混合是一个缓慢的过程。于是观测大气中CO2含量成为紧迫的科学课题。雷维尔于是在1956年将基林招入海洋所，执着的基林从此就没有离开海洋所，将自己的事业定格在现代气候变化之观测和全球碳循环的研究上。基林开始找寻新的方法，来替代存在疑问的确定CO2变化的方法，他最终决定利用红外分析仪。但由于这是一个相对量的观测，因此需要设计更为精确的校准系统，使观测更为精确和不同测站长时间的观测记录之间具有可比性。在19571958年国际地球物理年期间，美国在莫纳罗亚山和南极分别建立了大气成分观测系统，同时在

8、实验室对南极冰芯中的空气样品进行常规采样和对样品进行测量。在南极的观测显然避开了各种局地CO2源的干扰，更能够代表全球背景大气成分变化的情况。仅仅两年以后，基林就发表了关于全球大气CO2变化的经典论文，指出南极的CO2含量和化石燃料释放与海洋吸收在同步增加。他还发现，在莫纳罗亚站大气CO2含量呈现季节变化的特征。利用同时对CO2进行的13C/12C 同位素比率观测, 基林还论证了这种季节变化可能是由北半球温带植被的年循环所驱动。基林用当时全球3个测站的连续观测结果，以及一些飞机观测和实验室数据，初步描绘了大气CO2的年变化属性。这张可以被称为“0版本”的基林曲线（图3），除了让后来趋于完整的基

9、林曲线找到了观测开始点，最大的科学意义在于，在很大程度上证实了CO2相对稳定的季节变化规律，从而改变了以前学界认为的，CO2不同于氧气、氮气等大气成分，其变化基本上是无常的概念。然而，基林和合作者近乎完美的工作结果，却很快就遇到了极大的困难。也许前后仅几年的零散观测，还无法揭示出大气CO2的长期变化趋势，政府部门面对几条简单的温室气体浓度变化曲线，提出继续进行CO2的观测已经没有必要，相应的研究资助也几乎中断。面对困境，基林似乎应该顺理成章地转入其他领域的研究。然而，他敏感地意识到对大气CO2长期变化进行观测的无法替代的科学意义，所以他近似严酷和更加执着地继续着观测。基林在很固执地继续CO2观

10、测，同时他把目光转向了人为大气CO2来源，即化石燃料燃烧的研究。为了更好地评估大气CO2的改变，他试图量化估计每年进入大气层的CO2。1970年，他梳理了从1800年到1969年全球因燃煤等排放的CO2，并给出了到1970年CO2累积增加可以表为：1.120.14 1017g（4.10.51017g CO2）这一量化估计表明，增加的CO2相当于19世纪后期地球大气层含量的18%。基林用他的研究结果告诫人们，化石燃料正在改变着人类生活，但同时也改变着地球大气中温室气体的含量，而且这种改变的趋势，已经达到了应该引起关注的量级。2 基林曲线的诞生1976年，基林在论文中再次给出大气CO2含量的观 测

11、结果。经过近20年的思考和研究，更有信心的基林这 次集中讨论莫纳罗亚山的记录，从而提示同行，大气 CO2含量长达15年的增加趋势（图4），不是以往所谓 多变性能够解释的，最好的解释应该来自人类活动本 身，即罪魁祸首是人类对化石燃料的消耗。基林指出， 19591971年，年均CO2浓度增加了3.4%。 实际上， 截止到1971年的观测结果， 早在当年就出现在出版物中 （图5） ，而且这时的曲线，还给出了变化趋势。但是，仔细观察可以发现，这条早期的基林曲线，在1964年出现明显的中断期，真实地反映了对这一后来被证明是至关重要的大气观测，政府的资金支持却是不连续的。正是基林不折不扣的追求，大约半个世

12、纪以后我们得到了大气CO2高度精确的记录：从20世纪50年代末的315ppmv（痕量气体单位，占体积的百万分之一）到20世纪初基林辞世前后的375ppmv。基林的同事们说，是他的坚韧、顽强和不懈让我们得到了这样严酷却真实、准确的关键数据。基林曲线图3 基林给出的包括莫纳罗亚站在内的最早的CO2观测结 果。其中，莫纳罗亚站的观测值（始于1958年初，图中为 实点线）构成了后来的基林曲线的开始部分这张可以被称为 “0 版本”的基林曲线， 除了让后来趋于完整 的基林曲线找到了观 测开始点，最大的科 学意义在于，在很大 程度上证实了 CO2相 对稳定的季节变化规 律，从而改变了以前 学界认为的，CO2

13、不 同于氧气、氮气等大 气成分，其变化基本 上是无常的概念。气象科技进展78Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 5（3）- 2015随着更长时间观测数据的加入，其影响也如曲线本身代表的趋势一样，在科学界得到巨大反响，乃至扩展到全球政治、社会和经济生活中（图6）。如果说这组简单的数据是目前气候研究和气候预测中最为权威和得到最广泛认可的量化判据，成为人类正视气候变暖问题的基石；那么基林的辛勤工作无疑使他成为雕塑这块基石的第一人。基林和他率领的小组以详实的事实描述了发生在莫纳罗亚山和南极大气中CO2的变化情况，他们的工作很

14、快得到了来自世界各地类似观测的呼应，从而得到了全球CO2分布和变化的图像。基林认识到这些数据可以应用于大气传输模式，决定温室气体区域源和汇的分布。他从20世纪60年代开始，与国际合作伙伴一起将观测与模式模拟结合起来，这就不仅能够揭示大气成分变化的事实，还从多方面对这一事实给出合理的解释，从而使现代气候变化科学一步步走向成熟。2002年，基林成为当年美国国家科学奖的获得者。在他的获奖辞里提到，基林在莫纳罗亚山站得到的CO2变化曲线被称作“基林曲线”，成为了20世纪气候变化的标志图。3 基林曲线的影响基林曲线的研究，始于19571958年国际地球物理 年，研究的进展是渐进式的，其影响也随着观测数据

15、的 累积，特别是增加的数据对大气CO2浓度持续增加的不 断确认在国际科学界逐步提高。根据Web of Science科学 文献数据库，可以检索到基林进入斯克里普斯海洋研究 所之后，以第一作者身份发表的27篇与大气和海洋碳观 测、碳循环和气候变化密切相关的文章。这27篇文章总 被引频次达3545次，篇均131.3次，h指数为21，施引文 献达2903篇次，这完全是热门领域一位出色科学家的数 字。可贵的是，基林是并非热门的大气科学领域里，将 碳循环与人类影响“带热”的学者，这一点可以从施引 文献来自多达119个学科领域得到证明，而遍布全球90个 国家和地区的施引作者，也清晰地勾画出基林曲线影响 的

16、广泛性。 在IPCC第一次评估报告（FAR，1990）和第五次评 估报告（AR5，2013）中，分别引用了3篇和6篇基林研 究成果。在IPCC最早和最近一次的评估报告中，莫纳 罗亚和南极站的CO2观测数据，都被视为迄今为止大气图5 基林观测结果出现在1971年MIT出版的人类对气候 的影响报告中，并开始被称为“基林曲线”图6 当今不断更新中的基林曲线（上：http:/www. climatecentral.org；下：美国气候变化第三次国家评估报 告，20世纪80年代后期和基林曲线同时出现的，是代表海 洋被酸化的指标）图4 1976年，基林给出的莫纳罗亚山站CO2观测结果，基林曲线开始浮现32932732532332131931731531319571959196119631965196719691971 年Atmospheric CO2 Mole Fraction (ppm)People 人物79Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展