在过去的十年里，科学家们认为他们已经找到了保护人类免受气候变化最严重危险的方法。人们认为，将地球升温幅度控制在 2 摄氏度（3.6 华氏度）以下，可以避免灾难性的海平面上升和严重的干旱等危险。要将升温幅度控制在 2 摄氏度以下，就需要将大气中吸热二氧化碳的水平限制在百万分之 450 (ppm)，高于今天的 395 ppm 和工业化前时代的 280 ppm。
现在看来，评估过于乐观了。来自全球的最新数据显示，地球的变化速度超出了预期。北冰洋周围的海冰消失速度超过了预测。阿拉斯加和西伯利亚的永久冻土区域释放的甲烷（一种强效温室气体）比模型预测的要多。西南极洲的冰架崩解速度比之前认为的要快，它们阻挡在邻近陆地上的冰川正更快地滑入大海。极端天气事件，如洪水和 2012 年夏季席卷美国大部分地区的热浪也在增加。“结论是？作为科学家，我们不能说，如果我们保持在 2 度以下的升温幅度，一切都会安好，”德国波茨坦大学海洋物理学教授斯特凡·拉姆斯托夫说。
可能正在推动地球进入快速气候变化时代的 X 因素是长期以来假设的反馈循环，这些循环可能正在开始发挥作用。例如，海冰减少使得太阳可以更多地温暖海水，从而融化更多的海冰。更多的永久冻土融化将更多的二氧化碳2 和甲烷排放到大气中，这反过来又导致进一步的永久冻土融化，以此类推。
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更快速的反馈的可能性使一些科学家变成了直言不讳的卡桑德拉。这些专家表示，即使各国突然认真对待减少温室气体排放，足以将排放量控制在百万分之 450 的限值以下（这似乎越来越不可能），也可能为时已晚。除非世界将二氧化碳2 水平降回百万分之 350，“否则我们将启动一个人类无法控制的过程，”美国国家航空航天局戈达德空间研究所主任詹姆斯·E·汉森警告说。他说，本世纪海平面可能会上升多达五米。这将淹没从迈阿密到曼谷的沿海城市。与此同时，气温升高和干旱可能会带来大规模饥荒。“后果几乎难以想象，”汉森继续说道。我们可能正处于快速、不可逆转地跃入一个更温暖世界的边缘。
危言耸听？一些科学家说是。“我不认为在近期内，灾难性的气候变化迫在眉睫，”美国国家海洋和大气管理局的埃德·德卢戈肯茨基根据他对甲烷水平的评估说。科罗拉多大学博尔德分校的冰川学家 W. Tad Pfeffer 研究了全球范围内的冰层流失，并得出结论，本世纪可能出现的最大海平面上升幅度不到两米，而不是五米。然而，他与汉森一样，也感受到了紧迫感，因为即使是较小的变化也可能威胁到一个除了异常稳定的气候之外一无所知的文明。“公众和政策制定者应该了解，即使是 60 到 70 厘米的海平面上升也会有多么严重，”Pfeffer 警告说。“这些悄然发生的灾难真的可能会摧毁我们。”
尽管科学家们可能对气候变化的步伐意见不一，但对特定反馈循环可能正在放大变化的认识正在引起人们对地球未来的深刻不安。“我们必须开始更多地思考已知的未知数和未知的未知数，”英格兰南安普顿大学海洋与气候变化教授 Eelco Rohling 解释说。“我们可能不确切知道所有可能的反馈是什么，但过去的变化表明它们确实存在。”新西兰惠灵顿维多利亚大学的大气科学家、政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 2007 年报告的关键人物马丁·曼宁担心，当研究人员最终确定未知数时，可能为时已晚：“本世纪的变化速度将如此之快，以至于我们无法等待科学。”
炎热的过去预示着炎热的未来
科学家们越来越关注快速气候变化的一个重要原因是，他们对遥远过去的了解有所提高。在 20 世纪 80 年代，他们震惊地从冰芯中记录的资料中了解到，地球曾多次经历突然而剧烈的温度波动。从那时起，他们拼凑出了过去 80 万年的详细图像。正如汉森在一项新的分析中描述的那样，温度、二氧化碳2 水平和海平面之间存在着非常紧密的联系：它们几乎同步地上升和下降。这些相关性并不能证明温室气体导致了变暖。然而，哈佛大学的杰里米·沙昆及其同事的新研究表明，二氧化碳2 的跳跃发生在上次冰河时代末期的温度跳跃之前。他们在最近的《自然》杂志上发表的一篇论文中得出结论，“二氧化碳2 浓度增加驱动的变暖是温度变化的很大一部分原因。”（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
过去的一些变化非常迅速。Rohling 对红海沉积物的研究表明，在上一个冰河时代之间的温暖时期（大约 125,000 年前），海平面在 100 年内上升和下降了多达两米。“这太荒谬了，”Rohling 说。他的分析表明，海平面似乎比今天高出六米以上——在与我们今天非常相似的气候中。“这并不能告诉你未来会怎样，但天哪，它确实会引起你的注意，”宾夕法尼亚州立大学地球科学教授理查德·艾利说。
同样令人惊讶的是，触发过去波动所需的额外能量或“强迫”是多么少。例如，5500 万年前，北极是一个亚热带天堂，平均气温温和，为 23 摄氏度（73 华氏度），格陵兰岛附近潜伏着鳄鱼。对于大多数生命来说，热带地区可能太热了。这个温暖时期被称为古新世-始新世热最大值 (PETM)，显然是由地球温度先前升高约 2 摄氏度引发的，而当时的温度已经高于今天。这种变暖可能导致甲烷和二氧化碳的快速释放，从而导致更多的变暖和更多的温室气体排放，从而放大进一步的变暖。最终的结果是：数百万年的温室地球[参见李·R·库普的“最后一次大全球变暖”；《大众科学》，2011 年 7 月]。
在过去的 100 年里，人类已经造成了超过 0.8 摄氏度（1.4 华氏度）的变暖突变。我们向大气中排放温室气体的速度是 PETM 发生前速度的 10 倍，这对气候产生了巨大的推动作用。“如果我们在未来 100 年内燃烧碳，我们将发生同样的飞跃，”普渡大学地球与大气科学教授马修·休伯说。
我们对气候的推动也比已知导致各种冰河时代的原因还要强烈。正如塞尔维亚天文学家米卢廷·米兰科维奇´ 在近 100 年前指出的那样，冰河时代的盛衰与地球轨道和倾角的小幅变化有关。在数万年的时间里，由于来自其他行星的不同拉力，地球的轨道形状会发生变化，从近乎圆形变为轻微椭圆形。这些变化使地球表面接收到的太阳能平均改变了每平方米约 0.25 瓦，汉森说。这个量非常小。为了引起观测到的气候波动，这种强迫作用一定被海冰和温室气体排放等反馈放大了。在过去的变暖中，“反馈紧随反馈，紧随反馈，”伦敦大学皇家霍洛威学院地球科学教授尤安·尼斯贝特说。
人类排放温室气体产生的气候强迫作用要高得多——每平方米 3 瓦特并且还在攀升。气候会因此快 12 倍地跳跃吗？不一定。“我们无法将过去的反应与未来联系起来，”Rohling 解释说。“我们了解到的是正在发挥作用的机制，它们是如何被触发的以及它们可能会变得多么糟糕。”
令人不安的反馈
科学家们已经弄清楚，这些反馈机制中最快的一种涉及在全球范围内输送热量的洋流。如果大量淡水被倾倒入北部海域——例如，来自崩塌的冰川或降水增加——暖流可能会减速或停止，从而扰乱驱动全球洋流的引擎。这种变化可能会在十年内使格陵兰岛从寒冷变为温暖。“格陵兰岛冰芯记录显示，即使在 10 年内，转变也可能非常、非常迅速地发生，”美国国家海洋和大气管理局地球系统研究实验室高级科学家 Pieter Tans 说。
当淡水机制在 21 世纪初变得清晰时，“我们中的许多人真的很紧张，”艾利回忆说。然而，更详细的建模表明，尽管“添加淡水是一件可怕的事情，但我们添加淡水的速度还不够快”，无法从根本上改变地球的气候，他说。
一个更令人担忧的反馈是永久冻土，它正开始（字面意义上）冒出来。科学家们曾经认为，冻土带的有机物只延伸到冻土深处一米——而且变暖需要很长时间才能开始融化深处的大量有机物。根据新的研究，这种评估是错误的。“我们记录的几乎所有事情都令人惊讶，”佛罗里达大学的生物学家特德·舒尔说。
第一个惊喜是，有机碳存在于深达三米的地方——所以有机碳的含量更多。此外，西伯利亚点缀着巨大的富含有机物的永久冻土小山，称为耶多马，它是由来自中国和蒙古的沙尘物质形成的。这些碳储存量加起来达数千亿吨——“大约是现在大气中含量的两倍，”舒尔说。或者正如科罗拉多州立大学的甲烷猎手乔·冯·费舍尔所说：“碳是正在滴答作响的定时炸弹之一。”更多的融化使得更多的微生物可以吞食有机碳并将其转化为二氧化碳2 和甲烷，从而升高温度并促使更多的融化。
滴答作响的速度可能正在加快。永久冻土表面的融水经常形成浅湖。阿拉斯加大学费尔班克斯分校的凯蒂·沃尔特·安东尼发现甲烷从湖底冒出来。许多研究人员还发现，永久冻土会裂开成称为热喀斯特的迷你峡谷，这使得更多的表面积暴露在空气中，从而加速融化和温室气体的释放。最近在挪威斯匹次卑尔根群岛和西伯利亚附近的考察中，也探测到甲烷柱从浅水区的海底升起。
如果从这些气体喷发推断到更广泛的区域，那么数字可能会大到足以震动气候。然而，全球甲烷测量结果并不一定显示最近有所增加。阿拉斯加大学费尔班克斯分校的弗拉基米尔·E·罗曼诺夫斯基绘制了永久冻土温度图，他说，原因之一是热点“仍然非常局部”。另一个原因可能是科学家们只是更擅长发现一直存在的热点。这就是德卢戈肯茨基说“我不担心甲烷变化会带来快速气候变化”的原因。
其他人则不太确定，尤其是因为还有另一个潜在的主要甲烷来源——热带湿地。如果热带地区的降雨量增加（随着大气变暖，这很可能发生），湿地将会扩大并变得更具生产力，从而产生更多的厌氧分解，从而产生甲烷。扩大的湿地可能会释放与北极变暖一样多或更多的额外甲烷。我们应该有多担心？“我们不知道，但我们最好继续关注，”尼斯贝特说。
冰效应
最令许多气候科学家感到恐惧的反馈是地球冰层的消失。例如，近几个夏季北冰洋海冰的急剧萎缩并没有被许多气候模型预测到。“这是建模中的重大失败，”尼斯贝特说。格陵兰岛和南极洲沿岸的冰层也在消失。
为了弄清楚正在发生什么，科学家们一直在通过卫星和地面测量绘制格陵兰岛冰川图，并一直在向南极洲冰架下发送探测器，“看到以前从未见过的东西，”美国国家大气研究中心的高级科学家杰里·米尔说。
在格陵兰岛，伍兹霍尔海洋研究所的冰川学家莎拉·达斯观察到，一个融水湖突然通过 900 米厚（3,000 英尺厚）的冰层中的裂缝排出。洪流的力量足以将巨大的冰川从下方的基岩上抬起，并加快了它滑入海洋的速度。在阿拉斯加，Pfeffer 拥有数据显示，巨大的哥伦比亚冰川滑入大海的速度已从每天 1 米加速到每天 15 至 20 米。
在南极洲和格陵兰岛，沿海漂浮在海水上的大型冰架正在崩塌——这是对它们有多不稳定的警示。较暖的海水正在从下方侵蚀冰架，而较暖的空气正在从上方打开裂缝。冰架充当支撑物，阻止陆地上与海洋底部相连的冰和邻近的冰川在重力的无情拉力下溜入大海。尽管漂浮冰的消失不会导致海平面上升，但淹没冰川会。艾利说：“我们现在正在努力 выяснить 海平面上升是否可能比预期的快得多。”
冰层消失之所以令人担忧，不仅是因为海平面上升，还因为它启动了一种强大的反馈机制。冰层将阳光反射回太空。如果冰层消失，颜色更深的陆地和海洋会吸收更多的太阳热量，从而融化更多的冰层。地球表面反照率（反射率）的这种变化可以解释古气候记录中小的强迫作用是如何被放大的，汉森说，“今天也会发生同样的情况。”
到目前为止，只有少数科学家愿意像汉森那样预测到 2100 年海平面可能会上升多达五米。“但我们真的不知道，”艾利说。“我仍然猜测赔率对我有利[在期望较小的上升幅度方面]，但我不想让任何人根据我说的话购买沿海房产。”
见树又见林
地球过去气候的波动清楚地表明，如果我们用力推动，反馈将极大地改变地球。“如果我们燃烧掉我们可以获得的所有碳，我们几乎可以肯定会发生类似 PETM 的变暖，”休伯说。这对北极鳄鱼来说可能很好，但对人类或大多数生态系统来说却不然。
然而，真正让科学家们夜不能寐的是，即使这些特定的反馈不会对人类带来近期威胁，它们也可能驱动其他机制。一个主要的候选者是地球的水或水文循环。每年都有更多的证据表明，气候变化正在导致更多的极端天气事件，如洪水和干旱，同时从根本上改变区域气候。
拉姆斯托夫最近的一项分析表明，像 2010 年袭击俄罗斯的热浪这样的热浪，由于已经发生的变暖，发生的可能性是原来的五倍——“这是一个巨大的因素，”他说。新的研究将 2011-2012 年美国创纪录的暖冬（以及同年欧洲创纪录的寒潮）归咎于北极海冰的流失。一种建议的机制是：随着海冰的减少，更多的北极海水变暖。海洋在秋季释放出大量的热量，改变了大气中的压力梯度，从而在急流中产生更大的弯曲，这些弯曲可能会长时间停留在原地。这些弯曲可能会使美国东北部沐浴在冬季的温暖中，同时将东欧锁定在严寒之中。
使这个故事更加复杂的是生态反馈的可能性。例如，美国西部和加拿大的气温升高助长了山松甲虫的流行。这些昆虫已经杀死了数十万公顷的树木，有可能将森林从碳汇（健康的树木吸收二氧化碳2）变成碳源（枯死的树木分解）。2007 年的热浪为北坡冻土带 7000 年来的首次火灾奠定了基础，加速了该地区的永久冻土融化及其碳排放。西伯利亚的变暖开始将广阔的落叶松林转变为云杉和冷杉林地。落叶松在冬季会掉落针状叶子，从而使太阳的热量从积雪覆盖层反射回太空。弗吉尼亚大学的生态学家汉克·舒加特解释说，云杉和冷杉保留了针叶，在太阳热量到达积雪之前就将其吸收了。他估计，仅植被变化带来的反馈就可能给地球带来 1.5 摄氏度的冲击：“我们在这里玩的是上了膛的枪。”
尼斯贝特自己的“噩梦情景”始于甲烷排放的突然增加和一个非常炎热的夏天，这导致了大规模的火灾，向大气中倾泻碳。烟雾和烟雾笼罩中亚，削弱了季风，导致中国和印度普遍的作物歉收。与此同时，热带太平洋异常温暖海水的厄尔尼诺现象给亚马逊和印度尼西亚带来了干旱。热带森林和泥炭地也着火了，向大气中注入了更多的二氧化碳2，使气候走上了快速变暖的快车道。“这是一个可行的情景，”尼斯贝特观察到。“我们可能比我们想象的要脆弱。”
但是，各种反馈循环到底会变得多么强大？气候模型擅长解释过去和现在，但在预测未来方面却步履蹒跚。“人们可以比模型更好地概念化这些突变，”舒尔说。他补充说，即使地球现在处于临界点，我们也可能无法识别出来。
对气候政策来说，令人不安的结论是，科学没有明确的答案。“我们知道方向，但不知道速度，”曼宁说。然而，科学家们坚称，不确定性并不能证明不作为是合理的。恰恰相反，不确定性加强了立即在全球范围内努力减少温室气体排放的理由，因为它们揭示了快速变化的风险有多大。“我们目前正在进行的实验在地质尺度上堪比过去的重大事件，因此我们预计投入会产生类似于过去那些事件的后果，”尼斯贝特说。
这就是为什么汉森不能看着他的孙子孙女而不成为他们的倡导者。“让这些年轻人面对一个失控的气候系统是不道德的，”他说。