Science"吐槽”Nature子刊论文,起因竟是一片云

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最近,《自然-地球科学》上发表的一项研究令众多媒体争相报道:如果温室气体排放持续增加,云将在一个世纪后完全消失,进而令地球气温再上升 8 摄氏度。但是第二天,《科学》官网就发表了一篇评论文章,对这一观点提出质疑。

撰文 | Fax Caelestis

编辑 | 戚译引

来源 | 科研圈(ID:keyanquan)

云层就像是地球的遮阳伞,它能够反射大量的阳光,减少抵达地球的热量。但是最近,《自然-地球科学》上发表了一篇论文,声称若二氧化碳排放量持续增加,那么再过大约一个世纪,地球上的云将完全消失,进而在温室效应的基础上再将全球气温提升 8 摄氏度。

这篇文章描述的场景简直比所有灾难片都可怕,发表之后引起了多家媒体的关注。然而接下来,《科学》的新闻团队采访了多位相关领域专家,毫不留情地反驳了这篇论文。

悄悄影响气候的云

在针对全球气候的计算机模拟计算中,超级计算机能处理的最小网格单元尺寸是 100 千米 x100 千米,但是云的长宽通常只有几千米,因此无法被纳入模型当中进行精确计算。不过,关于云层对地球气候的影响,古生物学可以给我们一些启发。

1987 年,古海洋学家詹姆斯·肯尼特(James Kennett)在南极洲的威德尔海(Weddell Sea)采集化石样本,发现大约在 5600 万年前,化石中浮游生物的含量从 60 种暴跌至 17 种,其中的碳氧同位素组成也发生了巨大的变化。到 1992 年,古生物学家菲利普-金格里奇(Phil Gingerich )和同事们报告,在一种化石的牙齿中发现了同样的同位素变化,并且这种变化说明当时空气中二氧化碳含量很高。

这种现象后来被命名为古新世-始新世极热事件(PETM)。这个时期温度的上升比任何理论模型所计算出的数值都要高出许多,即便往模型中加入诸如地形学、洋流、植被等多种因素,也无法填补巨大的误差。普渡大学的古气候学家马特·胡贝尔(Matt Huber)认为,其中的关键原因就出在云身上。

云是水蒸气在高空冷却而成的,这是大多数人的印象。然而,构成云的颗粒——云滴受到热、蒸发、湍流、辐射、风、地理和无数其他因素的影响,分为不规则形状的冰滴和球形的水滴,由水滴构成的云比冰滴构成的更厚。尽管云也会吸收热量,但是云对气候的主要影响主要是反射阳光,而水滴构成的云比冰滴反射更多阳光。

左为冰滴,右为水滴。图片来源:Dr. Emma Järvinen and Dr. Martin Schnaiter (KIT and schnaiTEC, Germany)

在先前的一些研究中,气象学家确定层积云主要由水滴组成,体积比冰滴组成的更大,也就是说它反射阳光比例最高,对气候影响最大。同时相关研究也指出,层积云比起冰滴占多数的云更加脆弱。如果层积云完全消失,太阳辐射会被黑暗的深海所吸收,气温将会骤升。还有卫星观测数据显示,温暖的年份中云层覆盖比寒冷的年份中要少。

总而言之,云层已经成为全球变暖研究中最大的不确定因素。自从上世纪 60 年代起,学界就意识到云层将对全球气候造成复杂的影响,但直到今天也没有找到合适的模型计算方法。全球气候模型的精度还不足以对云层进行模拟,现有模型一般假设云层覆盖面积变化不大,但这很可能是不准确的。

当云层消失

加州理工学院的塔皮欧·施内德(Tapio Schneider)和两位同事进行了新的模拟计算,将云层纳入模型中。这是科学家首次研究云如何在一个潜在的反馈循环中对全球温度变化作出反应,以及它对气候产生的影响。

研究团队在瑞士和加州的超级计算机上对一片大约 5 平方公里的层积云进行了 200 万核心小时的模拟。在模拟的天空中,随着二氧化碳浓度逐渐升高,海洋表面温度升高,云的动力学(即湍流)就会发生变化。研究人员发现,在一个临界点,层积云突然消失这主要是两个因素阻碍了它们的形成。

首先,当二氧化碳水平升高,地球表面和天空变得更热,额外的热量会在云层内部产生更强的湍流。湍流混合了云层顶部附近的潮湿空气,将其向上和向外推向层积云的边界,同时层积云从上方吸入干燥的空气。这个过程称为夹卷(entrainment),其结果是将云层驱散。

其次,由于温室效应使上层大气变得更加温暖潮湿,层积云顶部的冷却效率降低。这种冷却过程至关重要,能使云团顶部的冷而潮湿的空气团下沉,同时为那些因为靠近地表热而变热的潮湿空气腾出空间,使其能够进入云团并形成云。当冷却作用减弱时,层积云变薄。

这两个过程最终将会压倒与之相抵的力量。计算机模拟显示,如果不控制排放,在 100 到 150 年内,二氧化碳浓度达到百万分之 1200 时,更多的夹卷和更少的冷却将共同破坏层积云。

在飞机上看到的层积云。图片来源:Mikael Häggström, Wikipedia

接下来,为了观察云层的消失将如何影响全球气温,施内德和同事们采取全新的方式,以高分辨率模拟云层斑块,并将其他环境因素参数化。他们发现在模拟过程中,当层积云消失时,海洋将吸收大量额外热量这增加了海洋的温度和蒸发速度。水蒸气的温室效应与二氧化碳非常相似,所以天空中水蒸气越多,地球表面就会吸收越多的热量。从全球范围来看,低空云层的消失和水汽的上升导致了失控的变暖——气温飙升 8 摄氏度。

一旦这种转变发生,空气中的水蒸气达到饱和,那么即使二氧化碳逐渐减少,云也回不来了。“因为存在滞后性,”施内德说,系统的状态取决于它的历史,“在再次形成层积云之前,你需要将二氧化碳浓度降低到现在的水平,甚至是略低于现在的水平。”

这篇论文题为“温室效应下层积云消散可能引发的气候转变”,在 2 月 25 日登上了《自然-地球科学》。

模型过于简化?

这个模型预测的末日景象实在太恐怖,很快引起了《华盛顿邮报》等媒体的关注。然而就在论文发表的第二天,《科学》发表评论文章,对研究方法提出质疑。

首先,许多研究气候的科学家指出,针对这么一小块云作出的计算不能推广到整个地球上。美国斯克里普斯海洋研究所的云科学家乔尔·诺里斯(Joel Norris)说:“这只是一个简单的模型,仅有一个旋钮,两个档位。但地球上的旋钮很可能比这多得多。”

并且,在模型计算中,把局部模拟结果推广到全球后,云层几乎瞬间消失殆尽,被海洋吸收的热量大幅增加;而德国马克斯·普朗克气象研究所的气候科学家比约恩·史蒂文斯(Bjorn Stevens)指出,将云和海洋的联系想得如此简单,这实在有些牵强。

最后,临界点这个概念也受到质疑华盛顿大学的云科学家克里斯·布雷瑟顿(Chris Bretherton)认为这个恶性循环确实会发生,然而他也指出,二氧化碳浓度不可能在全球任何地方都一样,并且考虑到海洋和大气复杂的相互作用,云层不会突然间同时消失,这一过程将缓慢发生。

“将云和海洋的联系想得如此简单,这实在有些牵强。” | 图片来源:Pixabay

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的大气科学家斯蒂芬·克莱因(Stephen Klein)指出,正是因为模型过于简单,没有考虑噪声影响,所以它必然只能模拟出剧烈的转变。克莱因说:“因为这些简化,我认为该研究工作中关于临界点的内容并不可信。”

布雷瑟顿表示,科学家很快会开发出更多的云层解析模型,“在接下来的几年中,我们将开发出全球气候模型,它们会(比现在这个模型)更加可靠”。他本人就在做这样的项目,并且令他感到惊讶的是,在试运行过程中,云层更多地抑制了全球变暖的反馈过程。

施耐德团队也会继续完善他们的模型。他指出,现有模型还有一处迫切需要修正,那就是假设风流(wind current)的状态保持不变。已经有证据显示,随着气候变化,风流可能会减弱,让云层更加“坚挺”。其他的变量也要考虑进去,包括地域差异。

总之,虽然气候学家们还没想好应该拿云怎么办,但至少已经有人开始尝试了。

参考来源:

https://www.nature.com/articles/d41586-019-00685-x

https://www.sciencemag.org/news/2019/02/world-without-clouds-hardly-clear-climate-scientists-say

https://www.quantamagazine.org/cloud-loss-could-add-8-degrees-to-global-warming-20190225/

本文转载自公众号“科研圈”(ID:keyanquan)

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