全球變暖，圖源：pixabay

導(dǎo)讀：

近年來，全球多地頻遭極端天氣侵襲，"暴曬“和”暴雨“模式漸成常態(tài)，氣候變化問題日益嚴(yán)峻。在此背景下，減碳減排已成為國際社會(huì)關(guān)注的核心議題。然而，人類對(duì)溫室效應(yīng)機(jī)理及全球變暖后果的認(rèn)知，卻經(jīng)歷了一個(gè)漫長而曲折的過程?；厮輾v史，早在工業(yè)革命方興未艾的19世紀(jì)，當(dāng)絕大多數(shù)人尚未意識(shí)到氣候變化的威脅時(shí)，一批科學(xué)先驅(qū)敏銳地洞察到溫室效應(yīng)，并將之記錄下來。

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為什么地球會(huì)這樣暖？

在科學(xué)史上，法國數(shù)學(xué)物理學(xué)家約瑟夫·傅里葉（Joseph Fourier）堪稱是意識(shí)到地球表面大氣層保溫作用的第一人。

傅里葉提出：如果大氣沒有保溫作用，氣溫或?qū)⒌陀诒c(diǎn)（L代表來自太陽的熱量，σT4代表地球散發(fā)的熱量）。圖源：參考文獻(xiàn)3

這位科學(xué)巨匠的人生極具傳奇色彩。他青年時(shí)代曾追隨拿破侖，30歲時(shí)作為科學(xué)顧問隨軍遠(yuǎn)征埃及，后擔(dān)任開羅研究院秘書?；蛟S是受北非酷熱氣候的影響，傅里葉在回到法國后表現(xiàn)出異常的畏寒體質(zhì)，終年裹著厚重的大衣。晚年的他，更是將自己包裹得"如木乃伊般嚴(yán)實(shí)"，其居所的悶熱環(huán)境也常令訪客難以忍受。

也許是這種對(duì)“熱”的獨(dú)特執(zhí)念，最終催生出《熱的解析理論》（Théorie analytique de la chaleur，1822）。在這部劃時(shí)代的著作中，傅里葉不僅系統(tǒng)闡述了熱傳導(dǎo)方程，更開創(chuàng)性地提出了傅里葉變換、量綱分析等革命性概念。這些理論成為數(shù)學(xué)、物理學(xué)和工程學(xué)研究的萬能工具。

《熱分析理論》著作發(fā)表后不久，傅里葉將注意力轉(zhuǎn)向了地球。在1824年和1827年發(fā)表的兩篇開創(chuàng)性論文中，他嘗試以熱傳導(dǎo)的視角分析行星的溫度，首次指出地球在持續(xù)吸收太陽輻射的同時(shí)，還通過釋放"暗熱"（dark heat，即紅外輻射）維持熱平衡。

傅里葉1824年撰寫的論文《地球及其表層空間溫度概述》；"Remarques générales sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires,"Annales de Chimie et de Physique, 27 (1824) 136–67.

盡管在19世紀(jì)20年代觀測數(shù)據(jù)和理論模型都很匱乏，他依然憑借超凡的物理直覺和數(shù)學(xué)天賦計(jì)算出：和地球一樣大小并距離太陽同等位置上的物體，如果僅受到太陽輻射的影響，表面溫度應(yīng)低于冰點(diǎn)，這與人類實(shí)際觀測的地表平均溫度（約15℃）存在著顯著差異。

這一矛盾引發(fā)了傅里葉更深層的思考。他曾懷疑地球還吸收了宇宙中來自太陽之外的其他熱量，但他也指出了另一種可能，那就是地球表面的大氣層具有保溫的作用，部分阻擋了地球向外輻射的熱量。換句話說，如果沒有能夠吸熱的大氣層，地球從溫度上就不會(huì)是一顆宜居的星球。傅里葉的洞察，為后來溫室效應(yīng)理論的誕生奠定了基礎(chǔ)。

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什么氣體在吸熱？

傅里葉提出了大氣層可能吸收地表熱輻射的假說，但在復(fù)雜的大氣成分中，究竟哪些氣體真正具有保溫作用？這個(gè)問題數(shù)十年懸而未決，直到1859年才由愛爾蘭物理化學(xué)家約翰·丁達(dá)爾（John Tyndall）揭曉答案。

丁達(dá)爾發(fā)現(xiàn)：大氣中水蒸氣(H2O)和二氧化碳（CO2）等氣體能夠吸收紅外輻射。圖源：參考文獻(xiàn)4

丁達(dá)爾通過精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)各類氣體的紅外吸收特性進(jìn)行了上百次測量。他的研究揭示：水蒸氣(H2O)是大氣中最強(qiáng)的熱輻射吸收體，二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）和甲烷（CH4）等微量氣體同樣具備吸收紅外輻射的能力，對(duì)溫度的影響也不可忽視。相比之下，占大氣主體的氮?dú)猓∟2）和氧氣（O2）對(duì)紅外線則幾乎是"透明"的，毫無影響。

值得一提的是，如今廣為人知的“丁達(dá)爾效應(yīng)”正是源于他對(duì)氣體紅外吸收特性的研究。當(dāng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)氣體樣本的純凈度是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)——懸浮的塵?；蛭⒘?huì)嚴(yán)重干擾測量結(jié)果。為解決這一問題，丁達(dá)爾用強(qiáng)光照射裝有氣體樣本的玻璃管，當(dāng)光線穿過含塵氣體時(shí)，原本不可見的微粒能使光束清晰顯現(xiàn)，形成一條明亮的通路。這一發(fā)現(xiàn)不僅為氣體純度檢測提供了方法，更為膠體化學(xué)和光學(xué)研究開辟了新領(lǐng)域。

丁達(dá)爾測量各類氣體紅外吸收的實(shí)驗(yàn)裝置。圖源：參考文獻(xiàn)4

丁達(dá)爾建立了氣體分子與紅外吸收之間的關(guān)聯(lián)，提供了關(guān)于"大氣吸收熱輻射"的確鑿證據(jù)，使人類對(duì)溫室效應(yīng)的認(rèn)知邁出關(guān)鍵一步。正因如此，科學(xué)界長期尊稱他為"氣候科學(xué)之父"。然而， 2010年新發(fā)現(xiàn)的史料揭示出，還有一位先驅(qū)者的貢獻(xiàn)長期被忽視。

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被遺忘百年的“業(yè)余科學(xué)家”

尤妮斯·牛頓·富特（EuniceNewtonFoote）是一位在19世紀(jì)就熱愛科學(xué)的傳奇女性。

她1819年出生于美國東北康涅狄格州的一個(gè)農(nóng)夫之家。牛頓（Newton）這一姓氏透露出不凡的血統(tǒng)，她的父親被認(rèn)為是科學(xué)偉人牛頓（Isaac Newton）的遠(yuǎn)房親戚。尤妮斯幸運(yùn)地在1836-1838年間進(jìn)入當(dāng)時(shí)極少數(shù)能接收女性的特洛伊女子學(xué)院（Troy Female Seminary）學(xué)習(xí)。在這所被譽(yù)為"女性教育圣地"的學(xué)府，她不僅掌握了一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，更習(xí)得嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲兴季S方法。

尤妮斯·富特研究了不同氣體的升溫效果。作者未能找到她本人留下的公開相片資料（網(wǎng)上流傳的一些她的照片實(shí)際上是美國作家Mary Foote Henderson）。從她護(hù)照上的文字記載可知，她身材嬌小，擁有鵝蛋臉、深棕色頭發(fā)和灰藍(lán)色眼睛。圖源：尤妮斯·富特的紀(jì)錄片（參考文獻(xiàn)7）

1841年，尤妮斯與發(fā)明家伊萊沙·富特（Elisha Foote）結(jié)婚。一位生活在19世紀(jì)女性，婚后要花很多精力來相夫教子，但她仍不失為一位“業(yè)余科學(xué)家”。借助一個(gè)空氣泵、四支水銀溫度計(jì)和兩個(gè)直徑約10cm、長約76cm的玻璃圓筒，尤妮斯·富特搭建了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)裝置。她將不同氣體分別密封在兩個(gè)玻璃圓筒中，置于陽光下觀察溫度變化。富特發(fā)現(xiàn)，潮濕的空氣比干燥的空氣能吸收更多的太陽熱輻射。同時(shí)她還發(fā)現(xiàn)，充滿二氧化碳的圓筒比充滿氫氣或氧氣的圓筒要熱得多。

1856年，她的論文《影響太陽光線熱量的環(huán)境條件》（Circumstances Affecting the Heat of the Sun's Rays）發(fā)表在《美國科學(xué)與藝術(shù)雜志》。之后，這篇僅有兩頁、言簡意賅的論文被收錄到1857年《科學(xué)發(fā)現(xiàn)年鑒》（Annual of Scientific Discovery）。

富特1856年發(fā)表在《美國科學(xué)與藝術(shù)雜志》上的論文。圖源：參考文獻(xiàn)6

遺憾的是，在19世紀(jì)科學(xué)界普遍的性別偏見氛圍下，這篇科學(xué)史上首次由女性獨(dú)立完成的自然科學(xué)論文并未引起應(yīng)有的學(xué)術(shù)關(guān)注，尤妮斯·富特的發(fā)現(xiàn)逐漸被遺忘。

所幸她畢竟發(fā)表了論文，使后人的追溯與發(fā)掘成為可能。2010年，退休石油地質(zhì)學(xué)家雷蒙德·索倫森（Raymond P. Sorenson）在研究科學(xué)史料時(shí)，偶然在泛黃的《科學(xué)發(fā)現(xiàn)年鑒》中發(fā)現(xiàn)了這段被遺忘的科學(xué)傳奇。經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)考證，科學(xué)界確認(rèn)富特早在1856年就揭示了二氧化碳與溫室效應(yīng)的關(guān)聯(lián)，這比丁達(dá)爾的研究還整整早了三年。這一遲來的正名，不僅改寫了氣候科學(xué)的發(fā)展史，更讓這位被遺忘的女性科學(xué)先驅(qū)重新獲得應(yīng)有的歷史地位。

當(dāng)然，以現(xiàn)代科學(xué)視角審視，富特當(dāng)時(shí)所使用的實(shí)驗(yàn)裝置堪稱簡陋，其論文結(jié)論也存在理論缺陷。她誤認(rèn)為二氧化碳和水汽直接吸收太陽輻射，而實(shí)際上這些氣體吸收的是地表受熱后釋放的長波紅外輻射。這一關(guān)鍵機(jī)理在三年后丁達(dá)爾更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)研究中得到了準(zhǔn)確闡釋。然而，后人也在懷疑丁達(dá)爾是否受到過富特研究的啟發(fā)。這一懷疑并非空穴來風(fēng)，除了兩者實(shí)驗(yàn)思路的高度相似，1856年出版的《美國科學(xué)與藝術(shù)雜志》更是同時(shí)刊登了富特的那篇?dú)怏w吸收光熱的論文以及丁達(dá)爾的一篇關(guān)于色盲研究的論文。如此巧合不禁令人生疑，丁達(dá)爾在自己論文發(fā)表后，會(huì)對(duì)同期刊上的其他重要研究視若無睹嗎？

究竟是受限于19世紀(jì)歐美科學(xué)界的信息壁壘，還是丁達(dá)爾有意的“知而不引”? 這其中是否又暗含了對(duì)女性的偏見？人們對(duì)此至今沒有定論，使之成為科學(xué)史上的一樁懸案。

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二氧化碳、氣溫、全球變暖

19世紀(jì)是近代科學(xué)蓬勃發(fā)展的時(shí)代。就在丁達(dá)爾和富特探究不同氣體保溫效果的時(shí)候，地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域也接連取得新的發(fā)現(xiàn)。人們意識(shí)到在遙遠(yuǎn)的過去，地球曾不止一次被凍成“冰球”，整個(gè)歐洲大陸都被厚厚的冰層覆蓋。科學(xué)家擔(dān)心人類的璀璨文明會(huì)再次被冰封，但對(duì)于地球溫度為何會(huì)經(jīng)歷如此劇烈波動(dòng)，卻莫衷一是。直到19世紀(jì)末，一位瑞典化學(xué)家系統(tǒng)地總結(jié)了前人的發(fā)現(xiàn)，提出冰河時(shí)代是由大氣中二氧化碳含量的波動(dòng)引起的，使人們對(duì)溫室效應(yīng)的認(rèn)識(shí)有了一次巨大的飛躍。

阿倫尼烏斯計(jì)算出空氣中二氧化碳含量與全球氣溫之間的關(guān)系。圖源：參考文獻(xiàn)8

斯萬特·阿倫尼烏斯（Svante Arrhenius）常被稱為化學(xué)家，主要是由于他提出了電離理論，并因此獲得了1903年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。然而，這僅僅是他卓越科學(xué)生涯中的一小部分成就。

作為一位百科全書式的學(xué)者，阿倫尼烏斯的研究橫跨多個(gè)學(xué)科：他創(chuàng)立的阿倫尼烏斯公式揭示了溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律；他撰寫的《免疫化學(xué)》（Immunochemistry）一書，是免疫化學(xué)領(lǐng)域的奠基之作；他對(duì)生命起源也有獨(dú)到的見解，他認(rèn)為地球上的生命體來最初是以孢子（Spore）或其他某種具有頑強(qiáng)生命力形式的微生物從外星球帶來的，這一離經(jīng)叛道的觀點(diǎn)至今仍是很多科幻作品的靈感來源?；蛟S還應(yīng)該提到，阿倫尼烏斯因?yàn)殚T捷列夫曾質(zhì)疑過電離理論而耿耿于懷，極力反對(duì)門捷列夫獲得1907年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，最終使元素周期表這樣劃時(shí)代發(fā)現(xiàn)與諾獎(jiǎng)失之交臂，此事也成為諾貝爾獎(jiǎng)史上的重大遺憾。

言歸正題，阿倫尼烏斯對(duì)地球冰河世紀(jì)的爭論非常感興趣。他敏銳地意識(shí)到，要解開地球氣候變遷之謎，必須建立精確的量化模型。基于傅立葉、丁達(dá)爾等人提出的觀點(diǎn)（遺憾的是，他也完全忽視了富特的杰出貢獻(xiàn)），他構(gòu)建了一個(gè)理論模型，首次定量地計(jì)算出空氣中二氧化碳含量與全球氣溫之間的關(guān)系。

阿倫尼烏斯提出的計(jì)算方法主要建立在雙組分能量平衡模型之上：大氣層向太空輻射的熱量等于其接收的熱量，相應(yīng)的，地表向大氣層及太空傳遞的熱量也等于其接收的熱量。為了不使計(jì)算過于復(fù)雜，阿倫尼烏斯進(jìn)行了一些簡化。例如，忽略來自地球中心的熱傳導(dǎo)，大氣層內(nèi)部的對(duì)流熱交換保持恒定，以及地球上各處云層的覆蓋率保持不變等。即便如此，在電子計(jì)算機(jī)尚未問世的年代，只靠手工演算這仍是一項(xiàng)令人望而生畏的艱巨任務(wù)。

不過，阿倫尼烏斯有著深厚的數(shù)學(xué)功底。而且，當(dāng)時(shí)他剛結(jié)束第一段婚姻，或許正是這段情感低谷促使他將全部精力投入到科研工作中。在近一年的時(shí)間里，他每天堅(jiān)持工作14小時(shí)，最終于1896年完成了具有里程碑意義的論文《空氣中的碳酸對(duì)地表溫度的影響》。文中所稱的“碳酸”(Carbonic Acid)即為我們今天熟知的二氧化碳。

阿倫尼烏斯《空氣中的碳酸對(duì)地表溫度的影響》的論文，以及計(jì)算溫度的主要公式。圖源：參考文獻(xiàn)9

在這篇開創(chuàng)性論文中，阿倫尼烏斯明確指出大氣中所含氣體的保溫作用，若大氣中不含二氧化碳，地表溫度將下降約21攝氏度；而溫度降低后大氣中的水蒸氣含量也會(huì)減少，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致溫度再降低約10攝氏度。阿倫尼烏斯還繪制了詳盡的表格，計(jì)算了5種不同二氧化碳濃度在全球各緯度帶（每10度為一個(gè)區(qū)間）產(chǎn)生的溫升效應(yīng)。結(jié)果顯示，當(dāng)二氧化碳濃度翻倍時(shí)，全球平均溫度將上升5-6攝氏度，越靠近兩極，溫度變化越顯著。

阿倫尼烏斯計(jì)算，當(dāng)二氧化碳濃度從300ppm上升到600pm后對(duì)地球各緯度氣溫的影響。圖源：參考文獻(xiàn)10

令人嘆服的是，盡管阿倫尼烏斯的模型簡化了許多復(fù)雜變量，但這些被忽略的因素之間恰好在某種程度上相互抵消，使得他在一個(gè)多世紀(jì)前得出的結(jié)論，竟與現(xiàn)代氣候模型保持著驚人的一致性。

"阿倫尼烏斯得出的結(jié)論，即便在后來的一個(gè)世紀(jì)里投入數(shù)百萬美元進(jìn)行深入研究，也幾乎無需任何修正。" —— Isabel Hilton，BBC資深記者

值得一提的是，雖然傅里葉、富特、丁達(dá)爾以及阿倫尼烏斯等科學(xué)先驅(qū)早在19世紀(jì)就已經(jīng)開始關(guān)注溫室效應(yīng)問題，但“溫室效應(yīng)”（greenhouse effect）這個(gè)名詞是由阿倫尼烏斯的摯友、瑞典氣象學(xué)家尼爾斯·埃克霍爾姆 （Nils Ekholm）在1901年最先提出的，而彼時(shí)人類已經(jīng)悄然邁進(jìn)了20世紀(jì)了。

到了1904年，阿倫尼烏斯和埃克霍爾姆都已敏銳地注意到人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響，預(yù)見"工業(yè)發(fā)展可能在幾個(gè)世紀(jì)內(nèi)顯著改變大氣中微量碳酸（二氧化碳）的比例"，從而引發(fā)全球變暖。只不過，他們認(rèn)為這種變化將會(huì)非常緩慢地發(fā)生。

根據(jù)阿倫尼烏斯的推測，大氣中的二氧化碳濃度上升50%，需要3千年的時(shí)間，即整整30個(gè)世紀(jì)。作為生活在寒冷北歐的科學(xué)家，他對(duì)氣候變暖持樂觀的態(tài)度，認(rèn)為溫和的氣候能使高緯度地區(qū)更適宜居住，提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)量以應(yīng)對(duì)人口增長，甚至可能阻止下一次冰河期的到來。

“By the influence of the increasing percentage of carbonic acid in the atmosphere, we may hope to enjoy ages with more equable and better climates, especially as regards the colder regions of the earth, ages when the earth will bring forth much more abundant crops than at present, for the benefit of rapidly propagating mankind.”

——Svante Arrhenius 《Worlds in the Making》

1751-2024年二氧化碳的排放（黑）與大氣濃度（藍(lán)）。圖源：參考文獻(xiàn)13

阿倫尼烏斯的這一預(yù)測被證實(shí)過于樂觀。此后，人類活動(dòng)排放的二氧化碳及其他溫室氣體呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，僅過了一個(gè)世紀(jì)，大氣中二氧化碳濃度就已經(jīng)上升約30%，全球變暖的速度和程度遠(yuǎn)非早年的科學(xué)家所能預(yù)見。如今，我們正面臨著比"溫和變暖"嚴(yán)峻得多的氣候危機(jī)，極端天氣事件頻發(fā)、生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)退化、海平面加速上升等現(xiàn)實(shí)不斷威脅著人類生存，這與百年前科學(xué)家的美好預(yù)期形成了鮮明對(duì)比。

百年前，這些科學(xué)先驅(qū)敏銳地關(guān)注到氣候變遷，值得我們當(dāng)代人致敬。與此同時(shí)，我們也需要清醒認(rèn)識(shí)其時(shí)代局限性。預(yù)測未來總是艱難的，但已有的證據(jù)告訴我們，減緩氣候變暖刻不容緩，現(xiàn)在行動(dòng)就是最好的解決方案，不要將未來交給僥幸。

參考文獻(xiàn)：

1.History: Who’s Who in Pioneering Climate Change Science Understanding：https://greenswrm.com/history-whos-who-in-pioneering-climate-change-science-understanding/

2.Joseph Fourier: https://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Fourier

3.Global Warming: An Inconvenient History: https://www.youtube.com/watch?v=GGtAilkWTtI&t=630s

4.John Tyndall：https://en.wikipedia.org/wiki/John_Tyndall

5.Eunice Newton Foote: https://en.wikipedia.org/wiki/Eunice_Newton_Foote

6.Eunice Foote, Circumstances Affecting the Heat of the Sun's Rays, The American Journal of Science and Arts 22, no. 66 (November 1856): 382–383.

7.Eunice (2018) - Short film：https://www.youtube.com/watch?v=WxgAOKzOcBU

8.Climate Change Today - How We Know It's Us: https://cbs6albany.com/weather/weather-extra/climate-change-today-how-we-know-its-us

9.Svante Arrhenius, On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground, Philosophical Magazine and Journal of Science, Series 5, Volume 41, April 1896, pages 237-276.

10.Arrhenius 1896: First Calculation of Global Warming: https://protonsforbreakfast.wordpress.com/2024/09/06/arrhenius-1896-first-calculation-of-global-warming/

11.Oct. 15, 1902: Chemist Warns Burning Coal May Lead to Boiling Earth: https://www.zinnedproject.org/news/tdih/article-warns-of-burning-coal/

12.Ekholm, Nils (1901). "On the Variations of the Climate of the Geological and Historical Past and their Causes" (PDF). Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society.XXVII(117): 1–61. doi:10.1002/qj.49702711702

13.Climate change: atmospheric carbon dioxide：https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide

來源：賽先生

原標(biāo)題：洞察溫室效應(yīng)，這幾篇開創(chuàng)性的論文值得銘記

編輯：瀟瀟雨歇

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