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【前沿报道】PNAS:人类世地球的演化路径
2018-08-27 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  2013年,IPCC第五次评估报告(AR5)论定,地球整体全面变暖已勿庸置疑,人为影响(尤其是大气CO2浓度增加)极有可能是造成20世纪中叶以来全球变暖的主要原因。报告还认为,温室气体继续排放会造成进一步变暖,并导致气候系统所有组成部分发生变化。 

  2017年,作为非正式的地质年代名称,“人类世被国际地层委员会接受,表明人类对地球系统的影响已经超出了全新世的自然变化范围。 

  2018年年初,北美大部持续暴雪,欧洲遭遇风暴袭击,我国大范围低温雨雪天气。在刚刚过去的两个月里,欧洲、亚洲、美洲都遭遇了罕见的高温,甚至北极圈内出现了32度以上的异常天气。731日,正当北京人溽热难耐时,Nature Communications刊发论文《North China Plain threatened by deadly heatwaves due to climate change and irrigation(Kang and Eltahir, 2018),直接点名我国华北地区:若温室气体未大幅减排,到2070年至2100年,华北平原气温将达到35的湿球温度阈值,致命热浪将频繁发生。 

  北半球的异常天气似乎在为IPCC的预测提供证据支持。实际上,自1988IPCC成立以来,评估气候变化对人类福祉的影响一直是研究重心之一。古气候学者用“突变”来描述气候从一种稳定状态跳跃式变到另一种稳定状态,“突变”通常局限于某个次大陆尺度,但产生了半球甚至全球性影响。地球系统学者认为,“突变”可能较慢,甚至可逆,而且不一定局限于气候状态,他们倾向于用临界要素(tipping elements)和临界点(tipping point)来描述。临界要素通常要有一个与人类活动有关的控制参数,突破临界点后要素状态发生本质变化,并对人类有重要影响。Lenton et al.(2008)指出,地球气候系统有15个临界要素(1,后增加为17),涉及冰冻圈、生物圈和海洋大气环流等地球系统中最为脆弱的环节。    

1 地球气候系统的临界要素(Lenton et al., 2008)及其控制参数、关键值、转换所需的时间尺度和影响

  这些临界要素的控制参数、临界点的升温幅度、转变速率以及影响各不相同。因此,要评估人类世中地球系统的命运,不仅要深入认识地球系统不同尺度的生物地球物理化学过程,还要借助复杂性科学理论,并与社会与人文科学相融合。 

  201886日,瑞典学者Will Steffen领衔的国际团队受邀PNAS的Perspective栏目发表论文,以古气候动力学、现代观测和复杂性科学为基础,分析了人类世里地球系统的可能演变轨迹。 

  文中认为,第四纪晚期以来的地球系统演化是研究人类世地球系统演化的背景。过去120万年中,受控于地球轨道和倾斜程度的缓慢变化,地球气候在冰期-间冰期之间交替。尽管每个旋回不完全相同,但整体演化路径一致。全新世是一个间冰期,已经持续了10000多年,和过去120万年中的间冰期长度相当,温暖程度相似。但是,在过去半个世纪,受气候系统快速发展以及人类活动影响,人类世的地球系统正快速脱离冰期-间冰期旋回(图1)。当前已经比工业革命前升温1℃,大气CO2浓度超过第四纪所有冰期旋回。有理由相信,地球系统已经通过了潜在演化路径中的三岔路口,任何微小的波动都能使地球跳出下一个冰期旋回。

1  地球系统脱离冰期-间冰期循环后面临的稳定性模型(Steffen et al., 2018)

  对于未来的预测,之前大多假定CO2累计排放与温度上升之间存在准线性关系,关注人类排放温室气体的多寡——这其实限定了未来可能路径的范围。作者分析认为,地球系统内部的生物地球物理反馈过程可能作用更大:强烈非线性的反馈过程,可能成为下个世纪地球系统演化中主导因素。大量研究已经表明,相对工业革命前升温2℃,可以激活许多重要临界要素,导致进一步升温,引发多米诺效应或临界级联,造成地球系统温度失控(图2)。作者建议将2℃升温作为地球系统的行星阈值,一旦越过,地球系统自身固有的生物地球物理反馈将控制系统演化,地球将最终滑入温室地球的深渊。为了区别于太阳能温室(greenhouse),作者特意使用了人工热源温室(hothouse)来描述温度失控后的地球状态。 

 

2 主要临界要素及其潜在的临界级联(Steffen et al., 2018

  不难发现,2升温阈值正是2016年签署的《巴黎气候变化协定》的主要目标:将全球平均气温比工业革命前上升幅度控制在2℃以内。但是,去年发表的研究表明,到2100年,升温低于2℃几乎不可能实现(Raftery et al., 2017)。根据目前的二氧化碳排放情况,到2050年,大气CO2含量将达到5000万年以来的最高水平。如果持续到2250年,大气CO2含量及其产生的辐射强迫和地球系统响应方式都是过去4.2亿年中未曾有过的(Foster et al., 2017) 

  如果人类依然我行我素,那么来日无多。距今4200-3900年前的全新世中期,仅仅1℃左右的温度变化,就造成了欧亚大陆大范围的文化衰落和社会失序。如果突破2℃升温阈值,地球系统沿温室地球路径发展的话,后果将超出社会适应的极限——农业产量降低、物价飞腾、国家贫富分化加剧,以及更严重的生态危机。 

  人类社会必须在温室状态和冰期-间冰期旋回之间找到一种新的企稳地球路径Stablized Earth Trajactory),在比工业革命前升温2℃以内的条件下,竭力维持稳定。理想情形中,这个路径的气温几乎是冰期间-冰期循环里的最高值,却避免触发行星阈值,从而保持地球系统的稳定性。 

  企稳地球已经激活了某些临界要素,某些关键生物群区的非线性过程和快速变化随时可能发生,人类必须付出极大代价才能避免地球系统越过阈值,需要精心筹划以减少对地球的不利影响,有效监测、改变行为来形成反馈循环。人类社会已经采取了大量手段来形成有利于地球系统稳定的负反馈,这些手段可以分成三类:减排温室气体、提高和创造碳汇、调整地球能量平衡,其中以减排温室气体为首选。 

  尽管分析存在某些不确定,作者提醒,这些变革才刚刚起步,地球系统尽管还没有越过温室地球的社会/政治临界点,但是企稳地球的大门可能很快就会关上。只有意识到人类是地球系统的一部分,竭尽全力去维护人类社会与地球系统的关系,才能实现企稳地球路径,避免沦入温室地球。     

  相关参考文献 

  Foster G L, Royer D L, Lunt D J. Future climate forcing potentially without precedent in the last 420 million years[J]. Nature communications, 2017, 8: 14845.原文链接 

  Kang S, Eltahir E A B. North China Plain threatened by deadly heatwaves due to climate change and irrigation[J]. Nature communications, 2018, 9(1): 2894.原文链接 

  Lenton T M, Held H, Kriegler E, et al. Tipping elements in the Earth's climate system[J]. Proceedings of the national Academy of Sciences, 2008, 105(6): 1786-1793.原文链接 

  Raftery A E, Zimmer A, Frierson D M W, et al. Less than 2℃ warming by 2100 unlikely[J]. Nature Climate Change, 2017, 7(9): 637. 原文链接 

  Steffen W, Rockstr?m J, Richardson K, et al. Trajectories of the Earth System in the Anthropocene[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018DOI: 10.1073/pnas.1810141115.原文链接 

(撰稿:唐自华

 
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