碳循環(huán)、氣候變化和人工干預(yù)氣候 | 工作坊回顧
為實現(xiàn)溫控目標(biāo)、減緩氣候變化，可以從哪些方面入手？ 圖源：pexels.com
在《知識分子》主辦的“氣候?qū)W家面對面——科學(xué)傳播公益工作坊”上，IPCC第六次科學(xué)評估報告作者、浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院教授曹龍指出，二氧化碳是全球氣候變暖的 “活躍分子”，減緩全球變暖，要對全球二氧化碳的循環(huán)及其氣候效應(yīng)形成更清醒的科學(xué)認(rèn)知。
整理 | 仲英杰 任明源
責(zé)編 | 馮灝
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二氧化碳（CO2）等溫室氣體的大量排放正在深刻地影響全球的氣候格局。11月16日結(jié)束的中美領(lǐng)導(dǎo)人視頻會晤提到，氣候變化可以成為中美新的合作亮點。
11月18日，《知識分子》主辦“氣候?qū)W家面對面——科學(xué)傳播公益工作坊”，在論壇上，IPCC第六次科學(xué)評估報告作者、浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院教授曹龍分享了關(guān)于大氣二氧化碳循環(huán)及對氣候變化影響的最新認(rèn)識，并介紹了減緩氣候變化的可能路徑。
大氣最主要的組成成分是氮氣和氧氣，二氧化碳和其他溫室氣體僅僅占很小的部分，但就是這些少量的溫室氣體卻對全球氣候起著重要作用。根據(jù)大氣二氧化碳濃度最新的觀測及預(yù)測結(jié)果，2021年CO2濃度已經(jīng)達(dá)到了415 ppm（parts per million，干空氣中每百萬個氣體分子所含的該種氣體分子數(shù)）。這意味著，每百萬個分子中就有415個CO2分子，工業(yè)革命之前，這一數(shù)值大概是280 ppm，也就是說，現(xiàn)在的大氣CO2濃度實際上比工業(yè)革命之前增加了約50%。
圖1 過去（80萬年前）-現(xiàn)在（1850年至今）-將來（不同排放情境下對未來幾百年的預(yù)測）的大氣CO2濃度 | 圖源[1]
據(jù)全球碳計劃組織（Global Carbon Project，GCP）的數(shù)據(jù)，煤、石油和天然氣三大化石能源的燃燒所排放的CO2分別占到了CO2排放總量的40%、32%和21%?？傮w而言，化石燃料燃燒貢獻(xiàn)CO2排放的約90%。
從1990年至今全球化石燃料燃燒排放的二氧化碳量的結(jié)果來看，2020年CO2排放348億噸（34.8 Gt），比1990年高出一半以上，預(yù)計2021年這一數(shù)值高達(dá)364億噸（36.4 Gt）。
圖2 全球化石源CO2排放量，紅點為2021年CO2排放量預(yù)測值 | 圖源[2]
從全球主要國家和地區(qū)排放的CO2來看，2021年中國排放的CO2總量（11.1 Gt，111億噸）約占全球CO2排放總量（36.4 Gt，364億噸）的1/3，美國排放的CO2總量約為中國的一半。從人均CO2排放量來看，2020年中國人均排放7.4噸CO2，僅為同年美國人均CO2排放量的一半，但仍高于世界水平（人均4.5噸CO2排放量）。
圖3 不同國家/地區(qū)每年排放的化石源CO2量及人均排放水平，圖源[2]
那么，這些排入大氣中的CO2最終去了哪里？都留存在大氣中了嗎？
從近10年全球人為排放CO2的歸趨來看，每年排放的CO2只有近一半存留在大氣層，其他被陸地和海洋吸收。當(dāng)大氣二氧化碳的源（排放）超過了大氣二氧化碳的匯（海洋和陸地吸收）的時候，大氣二氧化碳濃度將會增加。由此可以認(rèn)識到碳循環(huán)和氣候變化的基本鏈條：人為活動（主要是化石燃料燃燒）向大氣中排放CO2，這些CO2一部分被陸地和海洋吸收，未被吸收的部分滯留在大氣中，造成大氣CO2濃度增長，進(jìn)而通過影響大氣的輻射平衡（溫室效應(yīng)）造成全球變暖。反過來，相關(guān)研究表明，全球變暖將會從總體上減緩海洋和陸地對CO2的吸收，從而使得大氣CO2濃度加速增長。
圖4 碳循環(huán)與全球變暖的基本關(guān)系鏈條 | 圖源：曹龍教授PPT
二氧化碳的排放除了造成全球變暖之外，還有許多其他方面的氣候效應(yīng)。比如對于海洋生態(tài)系統(tǒng)來說，會引起海洋酸化（Ocean Acidification）。CO2被海洋吸收后會產(chǎn)生碳酸，降低海水的pH值、增加海水的酸性并減少海水中碳酸根離子的濃度。海洋酸化會對海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，尤其不利于海洋貝類生物的生長和珊瑚礁的形成。隨著海洋酸化的加劇，海洋生物受到的影響會越來越嚴(yán)重。
海洋通過吸收大氣中的CO2減緩大氣CO2增加，因此，對大氣來說，是一件 “好事”；但是，海洋對于大氣CO2的吸收造成海洋酸化，對于海洋來說是一件 “壞事”。
全球變暖的本質(zhì)是大氣輻射過程，海洋酸化的本質(zhì)是化學(xué)過程，但它們的罪魁禍?zhǔn)锥际腔剂先紵a(chǎn)生的CO2排放。
據(jù)第六次IPCC評估報告的結(jié)果，自第一次工業(yè)革命以來，全球地表溫度與CO2累積排放量呈準(zhǔn)線性關(guān)系，每1萬億噸（1000 Gt）CO2的排放約引起0.45℃的溫升。
圖5 全球地表溫度與CO2累積排放量呈準(zhǔn)線性關(guān)系 | 圖源[1]
那么，為了實現(xiàn)1.5℃或2℃的溫控目標(biāo)，還能向大氣中排放多少CO2？
據(jù)全球碳計劃組織（Global Carbon Project，GCP）的最新估算結(jié)果，從工業(yè)革命前的1750年至今，人類已經(jīng)向地球排放了約2.5萬億噸（2475 Gt）CO2，若保持現(xiàn)在的排放速度不變，要實現(xiàn)1.5℃或2℃的溫控目標(biāo)分別還約能排放11年和32年。
很顯然，若不對CO2的排放加以控制，溫控目標(biāo)將無法實現(xiàn)。IPCC AR6的評估報告中指出，溫控1.5℃和2°C需要在本世紀(jì)中葉和2070年后實現(xiàn)凈負(fù)CO2排放，即人為從大氣中清除的CO2量要大于人為向大氣排放的CO2量。
相應(yīng)地，為了實現(xiàn)溫控目標(biāo)、減緩氣候變化，可以從三個方面入手：
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第一是減少CO2等溫室氣體的直接排放，從源頭大幅減排。
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第二是通過CO2移除方法（Carbon dioxide removal），即通過人為方法增加海洋或陸地碳匯，或者直接從大氣中捕捉CO2并封存。CO2移除方法的除碳潛力估算有很大的不確定性，并且會對生物化學(xué)循環(huán)和氣候環(huán)境（例如，水資源、生物多樣性、糧食供應(yīng)等）產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，AR6第二和第三工作組將會有對不同二氧化碳移除方法的除碳潛力和正負(fù)作用更加詳盡的評估。
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第三是進(jìn)行太陽輻射干預(yù)（Solar radiation modification），也稱為地球工程（或氣候工程），即通過人為方法減少到達(dá)地-氣系統(tǒng)的太陽輻射，或增加逃逸到太空的長波輻射，通過改變氣候地球系統(tǒng)的輻射平衡給地球降溫。這類技術(shù)包括向平流層注入硫酸鹽等具有散射性質(zhì)的氣溶膠、增加海洋上空低云反照率、高層卷云變薄等。地球工程有潛力作為大幅度減排的補充措施和應(yīng)對氣候變化的備用手段，但是不能作為減緩減排的理由。目前，對于地球工程的研究還停留在理論模擬研究階段。
每1度（每0.5度、每0.1度）溫升都會增加氣候變化帶來的風(fēng)險；每1噸的CO2和其他溫室氣體排放都會加劇溫升和海洋酸化；現(xiàn)在排放的溫室氣體越多，未來應(yīng)對氣候變化的難度越大。為了我們的子孫后代，為了地球的明天，大幅度減排刻不容緩。
參考文獻(xiàn)：
1. IPCC, 2021: Summary for Policymakers. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S. L. Connors, C.Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M. I. Gomis, M. Huang, K.Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T. K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelek?i,R. Yu and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press
2.Global Carbon Project開放數(shù)據(jù)：https://www.globalcarbonproject.org/carbonbudget/index.htm
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