诗人罗伯特·弗罗斯特在 1920 年沉思道：“有人说世界将在火中毁灭，有人说在冰中毁灭。”弗罗斯特以一句名言“赞同那些喜欢火的人”，而这种诗意的观点令人惊讶地与关于世界末日的主流科学共识相符，即太阳将在大约七十亿到八十亿年后演变成一颗红巨星，它将灼烧甚至可能吞噬地球。
然而，当这种情况发生时，地球早已死亡数十亿年，并且将更像今天的金星。随着太阳在其变成红巨星的道路上随着时间的推移缓慢变亮，它最终将跨越一个临界阈值，届时其光度将超过地球将吸收的辐射散发到太空中的能力。届时，大约在十亿到三十亿年后，地球表面温度将稳步上升，直到沸腾的海洋在地球周围抛下一层厚厚的水蒸气。所有这些水蒸气本身就是一种强效温室气体，将使温度进一步升高，从而将另一种温室气体二氧化碳从地球岩石中“煮”出来。最终结果将是“失控的温室效应”，其中地球失去水分进入太空，并在几乎纯二氧化碳的压迫性大气层下烘烤。
今年早些时候，人类历史上首次，大气二氧化碳达到百万分之 400 (ppm)，超过了过去数百万年来略有变化的约 280 ppm 的工业化前平均水平。联合国政府间气候变化专门委员会的悲观预测预测，本世纪晚些时候大气二氧化碳水平将飙升至超过 1,000 ppm。随着世界变暖不是因为太阳变亮，而是因为燃烧化石燃料的人类，一些科学家想知道我们的地球可能离陷入失控状态有多近。20 世纪 80 年代和 90 年代的研究表明，当今地球对于失控是安全的，但本周发表在《自然·地球科学》杂志上的一篇论文认为，“失控的温室效应可能比以前认为的更容易启动。”事实上，该研究表明，如果没有某些类型云的冷却效应，现代地球早已走上像金星一样被烤焦的道路。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
根据该研究的主要作者，不列颠哥伦比亚省维多利亚大学的科林·戈德布拉特的说法，令人不安的结果较少取决于二氧化碳，更多取决于不起眼的水蒸气，最近的调查表明，水蒸气吸收太阳辐射的效率高于先前认为的。“旧的答案是，地球现在发生失控在理论上是不可能的，”戈德布拉特说。“即使你蒸发掉一大块海洋，它也会重新下雨，因为水蒸气辐射掉的热能将多于它通过阳光吸收的热能。我们的新计算表明，富含水蒸气的大气层吸收的阳光比以前认为的更多，散发的热量更少，足以使地球陷入失控状态，并且无法返回。”
新研究的积极方面是，即使气候失控在理论上是可能的，但实际上通过人类温室气体排放造成这种情况仍然非常困难。“我们已经估计了获得这种蒸汽状大气层需要多少二氧化碳，答案是大约 30,000 ppm 的大气二氧化碳，这实际上对于人为气候变化来说是个好消息，”戈德布拉特说。他指出，30,000 ppm 大约是大多数专家估计的燃烧所有可用化石燃料可能释放的二氧化碳量的 10 倍，尽管理论上可以通过从地球上大量的石灰石和其他碳酸盐岩沉积物中释放大量二氧化碳来达到如此高的值。
多云的前景
然而，并非所有人都相信戈德布拉特的结果是有效的。詹姆斯·卡斯廷，宾夕法尼亚州立大学的地球科学家，怀疑即使在理论上，人为的失控仍然是人类无法企及的。卡斯廷进行了许多早期的开创性研究，这些研究似乎排除了当今的失控，并且他和他的学生拉姆西斯·拉米雷斯目前正在润色一项新的研究，以加强这些结论。在卡斯廷的模型中，无论向当今地球大气中泵入多少二氧化碳，由此产生的升温都不足以导致地球迅速沸腾其海洋。“底线，”卡斯廷说，“是我们不会发生失控。”
与戈德布拉特的团队一样，卡斯廷的团队使用一维模型研究地球的气候，该模型模拟了大气单一表面到太空条带对阳光的吸收、传输和反射。这些模型对光与空气相互作用的复杂处理密切再现了二氧化碳、水蒸气和其他温室气体的观测到的变暖效应，但它们仅包含对地球不断变化的天气和地表的最粗略的近似。此类模型尤其不擅长解释云的复杂影响，云根据其形成的位置和方式，可以冷却或加热地球：厚厚的低层云倾向于通过将更多的阳光反射回太空来降低温度，而高而薄的云将通过让光线通过然后捕获更多吸收的热量来温暖地球。卡斯廷和戈德布拉特结论之间的差异主要归结为卡斯廷的云的一维近似提供了稍微更多的冷却，而戈德布拉特的云则提供了稍微少的冷却。
三维建模是绕过这种僵局的唯一方法，但当前的三维气候模型无法胜任模拟地球云层和天气在非常蒸汽或富含二氧化碳的大气中将如何变化的任务。“使用当今最好的模型来解决这些极端情况就像驾驶本田思域爬山一样，”戈德布拉特说。“思域可以带你从海岸到海岸在铺好的道路上行驶，但把它开到越野路上，你就会遇到问题。今天的模型现在就像那样——它们不是为极端大气设计的。如果你想模拟失控的温室效应，你需要相当于悍马的气候模型，它将带你到这些狂野的地方。”
卡斯廷的团队最近从 NASA 获得了资金，与其他团队合作开发更好的 3D 模型，欧洲的少数其他研究小组也在追求类似的目标。
逃离火坑，跳入油锅
除了更好的模型外，关于失控温室效应情景的其他有用约束来自地球的漫长历史。对 5600 万年前的沉积岩的测量揭示了新生代中期发生的一次事件，称为古新世-始新世极热事件 (PETM)，其中千禧年尺度的温室气体脉冲使全球变暖。PETM 脉冲似乎大致相当于人类通过燃烧所有可回收化石燃料可能释放的量，并且可能使地球升温超过 10 摄氏度，但显然没有发生灾难性的失控，否则我们现在就不会在这里。许多研究人员认为，如果当时没有发生，那么现在也不会因类似的人为温室气体激增而发生。
“所有这些地质记录都告诉我们，即使过去大气二氧化碳水平非常高，地球也避免了失控，”戈德布拉特承认。“但这并没有告诉我们今天我们有多少误差幅度，或者过去的情况有多接近。这有点像在雾蒙蒙的悬崖顶上走来走去，不知道你离边缘是一米还是公里。即使是简单的建模也可以让你计算出一些硬性限制来帮助指导行为。”
大量的建模已经表明，在地球开始向金星的任何失控转变之前很久，容易实现的全球变暖量将远远超出安全范围。2010 年，悉尼新南威尔士大学的史蒂文·舍伍德和普渡大学的马修·胡伯的一项研究计算出，略微超过 10 摄氏度的变暖——就像 PETM 和对未来化石燃料燃烧的悲观情景一样——可能会使地球的大部分地区不适合许多生物居住。裸露的人类和其他温血哺乳动物在湿度高于 35 摄氏度的潮湿条件下可能会过热而死亡，因为它们的新陈代谢产生的热量多于容易散发到周围空气中的热量。卡斯廷团队的最新结果仍在审查中，表明如果人类文明燃烧足够的化石燃料使大气二氧化碳水平增加四倍，这种情况可能会在地球的大部分地区普遍存在。
胡伯说，达到如此危险的水平“当然是可行的”。“是否将下一个世纪致力于燃烧这些储量是我们的决定……5000 万年前，两极附近曾经有亚热带森林，这听起来还不错。但更靠近赤道的化石记录非常贫乏，这可能表明生命在这些温暖时期压力极大。如果地球表面积的一半以上变得不适宜居住，它不会使地球无法居住，但这将变得面目全非，并且对地球上的大多数人、物种和社区构成生存挑战。”
尽管失控的温室效应听起来像一场噩梦，但现代地球是否容易受到它的影响或许应该被视为本质上是一个学术问题。微生物可以在濒临失控的地球上忍受甚至蓬勃发展，但无论这种温室世界是否倾覆到更金星的气候，人类仍然会被蒸汽煮熟。撇开全球变暖的其他影响，如海平面上升、更强的风暴、更长的干旱和生物多样性骤降不谈，卡斯廷说，“仅热应力问题就可能在任何失控发生之前对人类致命，而且这种危险可能比以前意识到的要近得多。这已经足够严重，值得我们充分关注。”