气候变化科学背后的基本命题深深扎根于物理定律，任何理性的人都无法反驳它。在所有其他条件相同的情况下，向大气中添加二氧化碳（CO2）——例如，通过燃烧数百万吨石油、煤炭和天然气——将使其变暖。正如诺贝尔奖获得者化学家斯万特·阿伦尼乌斯在 1896 年首次解释的那样，这是因为 CO2 对于来自太阳的可见光相对透明，太阳在白天加热地球。但它对于红外线相对不透明，地球试图在夜间将红外线重新辐射回太空。如果地球是一个没有山脉、海洋、植被和极地冰盖的、没有特征的单色台球，那么二氧化碳浓度稳步上升将意味着地球稳步变暖。句号。
但地球不是台球。它是一个极其复杂、混乱的地球物理系统，有数十个变量，其中大多数变量彼此响应而变化。海洋吸收大量热量，减缓大气变暖，但它们也吸收过量的二氧化碳。植被也吸收二氧化碳，但最终会随着植物腐烂或燃烧而重新释放气体——或者，在更长期的情景中，漂流到海底形成石灰岩等沉积岩。较高的温度会驱动海洋中更多的蒸发；水蒸气本身是一种吸热气体，而它形成的云层会阻挡部分太阳的暖化射线。火山喷出二氧化碳，但它们也喷出散射太阳射线的微粒。而这仅仅是部分清单。
由于将所有这些因素纳入关于二氧化碳增加影响的计算非常困难，因此气候科学家仍在努力理解这一切可能如何发展也就不足为奇了。鉴于詹姆斯·汉森作为气候变化鼓动者的记录，同样不足为奇的是，美国国家航空航天局戈达德空间研究所所长詹姆斯·汉森一直在分发一篇期刊论文的预印本，称结果可能比大多数人想象的更糟。政府间气候变化专门委员会在 2007 年发布的最新主要报告预测，气温将上升 3 摄氏度，正负 1.5 度——足以引发海平面上升、大范围干旱、天气模式变化等对人类生活的严重影响。
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但根据汉森及其九位合作作者（他们已将论文提交给开放大气科学期刊）的说法，正确的数字更接近 6 摄氏度。“那是平衡水平，”他说。“我们不会很快达到那里。但那是我们的目标。”汉森说，尽管这种气温升高的全部影响要到本世纪末甚至更晚才能感受到，但重大气候破坏不可避免的时间点已经来临。“如果人类希望保护一个类似于文明发展所依赖的、地球生命所适应的星球，”该论文指出，“二氧化碳需要从目前的 385 ppm [百万分之几] 减少到最多 350 ppm。”他说，情况“比我们隐含假设的要敏感得多”。
与汉森的许多论断一样，这一论断将科学推向了比他的一些同事愿意接受的更远的地方。例如，早在 1998 年，汉森就认为人类对气候的影响是毋庸置疑的，即使其他主要气候科学家继续质疑它。事实证明他是对的，不仅关于人类的影响，而且关于未来气温上升的大致速度。但就像 1998 年一样，他的主张背后的根本动机，即使不是他所有的结论，也几乎是普遍认同的。
问题在于，每个人都知道，对气温将升高多少的传统预测来自一个错误的计算。它被称为查尼敏感度，它估计如果大气中二氧化碳浓度从工业化前水平（在人们开始大规模燃烧煤炭和石油之前）翻倍，全球平均气温将升高多少。在 19 世纪中期，二氧化碳浓度约为 280 ppm。将此浓度翻倍至 560 ppm，查尼敏感度计算告诉您，气温应升高约 3 摄氏度。
但查尼敏感度虽然不像台球模型那样简化，但仍然过于简单化。该计算确实考虑了一些反馈机制，这些机制可以在短期内改变气温升高的影响——例如，水蒸气、云层和海冰的变化。但为了简单起见，它假设其他长期因素没有变化，包括冰川作用和植被的变化；微粒（如尘埃）的变化；以及海洋吸收二氧化碳的能力的变化，这种能力会随着海水温度升高而降低。
气候模型与现实的斗争
“包括我们自己在内的许多人，都倾向于采用 [查尼敏感度] 并将其应用于现实世界，”戈达德气候学家加文·施密特（也是一位气候学家，但不是新论文的合著者）说。“但现实世界不是一个模型，在模型中，一些事物可以改变，而另一些事物保持不变。”施密特说，在某些时候，“我们必须谈论真正的气候。”
这就是汉森试图做的事情。他不是第一个：包括斯坦福大学的斯蒂芬·H·施耐德在内的其他科学家，多年来一直在谈论将更多的现实世界因素引入标准气候模型。困难在于，要添加这些因素，您必须想出一种合理的方法来权衡它们。
与其他气候科学家一样，汉森及其合作作者也使用来自遥远过去的证据来梳理这些反馈机制。例如，在过去的 80 万年中，我们知道气候在漫长的冰河时代和短暂得多的间冰期温暖期之间振荡——非常像我们现在的状况。空气温度和二氧化碳之间的关系在那段时间里得到了很好的理解，这主要归功于格陵兰岛和南极洲钻探的古代冰芯中捕获的气泡（可以直接测量其中的二氧化碳浓度；全球平均气温可以根据两种不同氧同位素的相对丰度计算出来，这两种同位素随着温度升高而变化）。
但汉森指出，记录中包含其他线索。“我们也知道在那段时间里海平面是如何变化的，”他说，这来自追踪古代海岸线高度的研究。由于海平面随着大陆冰盖的退缩和前进而上升和下降，您可以衡量地球有多少部分被明亮的白色、反射热量的涂层覆盖。随着冰在变暖的世界中退缩，更多的黑暗表面暴露出来以吸收太阳辐射，这使得世界变得更温暖，融化了更多的冰。相反，随着冰盖前进，一个变冷的世界会更快地变冷。这是查尼敏感度计算中遗漏的关键反馈机制之一，部分原因是它被认为只发生在数百年内，而且，汉森说，部分原因是“古气候记录是气候敏感性的重要信息来源，但这一点还没有真正深入人心”。
例如，汉森使用该记录得出结论，即使人类能够维持今天的大气二氧化碳水平（目前为 385 ppm）——甚至还不到我们正在走向的大气二氧化碳浓度翻倍的一半——由于大陆冰盖的解体，海平面也将上升数米。此外，他认为解体可能发生得比人们天真地预期的要快得多。“在我们拥有重力卫星之前，我们没有关于这方面的令人信服的数据，”他说，他指的是 GRACE，一对可以探测地球引力场微小局部变化的轨道飞行器。“格陵兰岛从 1990 年的稳定质量变成了冰流失增加。另一个巨大的惊喜是南极洲西部，尽管那里实际上几乎没有变暖，但冰架正在融化。”随着这些部分漂浮的冰架融化，陆基冰川可以更快地滑入大海。在格陵兰岛，来自冰川顶部的融水显然正在通过裂缝倾泻而下，润滑冰盖的底部，从而加速它们流入海洋。
汉森说，气温升高不仅增加了冰表面融水的量，还增加了降雨量。“冰盖生长，”他说，“是一个干燥的过程。解体是一个潮湿的过程，所以它发生得更快。”
如果今天的二氧化碳水平会导致海平面上升数米——使许多沿海地区（居住着数亿人）完全淹没在水下——那么让二氧化碳上升到 560 ppm 可能会导致一场难以想象的灾难。根据汉森团队的分析，即使上升到 450 ppm 也可能是灾难性的。大约在 3500 万年前，地球完全没有冰，因此喜热的鳄鱼和茂盛的红杉森林在北极圈上方茁壮成长。研究人员估计，南极洲大规模冰川作用的转变始于二氧化碳降至 425 ppm，正负 75 ppm。因此，如果我们达到那个点，大部分冰应该会再次消失——如果南极洲和格陵兰岛的所有冰川都融化，海平面将上升数十米。施耐德说，保持二氧化碳浓度如此之低的唯一方法是让全世界都采用加州全国最严格的限制碳排放的提案——即使是美国其他州同意这样做也很难想象，更不用说印度和中国等发展中国家了。
这仅仅考虑了来自冰川融化的反馈。“植被、大气和海洋化学以及大气中的气溶胶和尘埃的变化似乎都是温度变化的积极反馈，”施密特说。“如果全球平均气温因任何原因而发生变化，那么其他要素将放大这种变化。”其他积极反馈包括溶解在海洋中的二氧化碳的释放（随着海洋变暖，这种情况将会发生），以及其他温室气体（例如，甲烷，来自北极多年冻土融化时开始腐烂的生物质）的加速释放。
鉴于汉森作为气候科学家的卓越地位，人们可能会期望他的分析会引发普遍恐慌。它确实引发了恐慌——但不是在科学家中。“本月可能是过去二十年对抗全球变暖历史上最重要的一次，”记者兼作家比尔·麦克基本在去年 12 月的《华盛顿邮报》中写道，当时汉森在一次会议上谈到了他的新计算：“[350 ppm 是] 可能定义我们未来的数字。”麦克基本甚至创建了一个名为 350.org 的组织来传播这一信息。其他活动家和博主也做出了类似的惊呼。
大多数气候专家似乎远没有那么激动，即使他们非常认真地对待全球变暖的危险。原因：汉森及其同事将其对气候敏感性和各种临界点（由不同的反馈机制代表）的新估计建立在对古代条件记录的基础上，而这些记录并没有真正被很好地理解。“问题在于，”施密特说，“你追溯得越远，你就越不了解。误差条变得非常大。”他承认，地球的无冰期“非常有趣——它们就像我们认为我们正在走向的时期，原则上它们可以告诉我们很多关于二氧化碳变化对气候敏感性的信息”。
尽管您可以间接地从海洋沉积物酸度的变化中推断出大气二氧化碳水平，例如，施密特指出，这涉及可能错误的假设。“人们普遍认为当时的二氧化碳含量更高，但您无法获得精确的数字或精确的时间序列。吉姆会说，真正的气候敏感度是查尼敏感度的两倍，但也可能是三倍，也可能是一倍。”类似的uncertainties围绕着大陆冰盖的潮起潮落。“很可能，”施密特说，“北美洲的冰盖可能比格陵兰岛的冰盖更敏感，这可以解释为什么格陵兰岛的冰盖持续存在。”
这似乎是一种普遍的共识。“吉姆的分析非常精明，”普林斯顿大学地球科学与国际事务教授迈克尔·奥本海默说。“这是我们所有人都应该思考的事情，但不确定性太大，这是一个弱点。”施耐德也对总体情况表示赞扬，但对具体细节表示谨慎。“吉姆做得很好，”他说，“但我希望他能摆脱绝对数字。这并不是说世界可以接受 1.8 度的升温，但在 2.2 度或某个温度下就会变成南瓜。”
寻求可行的解决方案
事实上，尽管很少有气候科学家准备详细接受汉森的论点，但他们都同意，已经观察到的变化是不祥的。“我对这件事的看法是，”环境捍卫基金总裁弗雷德·克鲁普说，“不是受到吉姆·汉森的启发，而是通过观察珊瑚礁死亡和南极冰盖比我们预期的更早断裂，我们需要将二氧化碳稳定在当前水平或以下。”
在这种普遍谨慎的语气背后，人们感觉到，考虑到世界人口持续增长，以及印度和中国等国家决心在经济上赶上发达国家，减少二氧化碳排放的增长本身就是一个令人生畏的前景。完全阻止这种增长将更加困难，而实际上减少大气中的二氧化碳量似乎在很大程度上是不可思议的。尽管如此，汉森及其合作作者还是提出了一项可能的策略。“我能看到的唯一方法是，”汉森说，“首先，到 2030 年完全切断煤炭排放。”他指出，煤炭是最大的化石燃料碳储库，而且由于它仅在发电厂中燃烧，而不是作为运输燃料燃烧，“它可以仅在少数几个来源而不是数百万个尾气管中捕获。”
为了将煤炭碳排放降至零，他和他的同事建议，世界必须达成一致，从现在开始，除非新建的工厂具有在废气离开烟囱之前捕获二氧化碳的能力，否则将不会建造任何新工厂。与此同时，现有工厂要么必须进行改造以配备捕获技术，要么在 2030 年之前逐步淘汰。
作者说，第二个主要努力将涉及对已被砍伐树木的地区进行大规模的重新造林。“在过去的几百年里，森林砍伐导致了 60 ± 30 ppm 的净排放，”他们写道，“其中约 20 ppm 的二氧化碳今天仍然存在于空气中。”他们认为，重新种植森林可以吸收所有过量的二氧化碳以及更多。最后，他们赞成使用“生物炭”，或由农业废弃物和其他生物质制成的木炭。如果燃烧或让其腐烂，这种生物质会释放二氧化碳。当转化为木炭并耕入土壤时，它会做两件事。首先，它异常稳定，因此它可以将碳封存至少几个世纪。其次，它提高了土壤肥力，因为它吸附养分并使其可用于新作物。“用刀耕火种改为刀耕火炭，”他们写道，“可以在半个世纪内减少约 8 ppm 的二氧化碳。”更具推测性的技术最终也可能能够从大气中吸收二氧化碳并将其锁定在矿物质中，尽管它们的潜在规模和费用仍然是猜测。
但可能性和可行性是两回事。汉森及其同事制定了一份路线图；让所有最大的碳排放国都同意这样做将是艰难的。即使每个国家今天都同意，该计划也需要数十年才能实施。科学家们承认，这项任务“堪称艰巨，但与二战的努力相比，却是可行的”。施耐德虽然和汉森一样担心大气碳增加带来的危险，但他持有一种不太乐观的观点。“这绝对不可能，”他说。“绝对不可能。零。我们能做的最好的事情就是超额完成目标，达到百万分之 450 或 550，然后在后端尽快恢复。”即使这样，考虑到快速有效行动的政治障碍，也将是困难的。
注意：本文最初以“超越临界点”为标题印刷。