碳循环、气候变化和人工干预气候 | 工作坊回顾
为实现温控目标、减缓气候变化，可以从哪些方面入手？ 图源：pexels.com
在《知识分子》主办的“气候学家面对面——科学传播公益工作坊”上，ipcc第六次科学评估报告作者、浙江大学地球科学学院教授曹龙指出，二氧化碳是全球气候变暖的 “活跃分子”，减缓全球变暖，要对全球二氧化碳的循环及其气候效应形成更清醒的科学认知。
整理 | 仲英杰 任明源
责编 | 冯灏
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二氧化碳（co2）等温室气体的大量排放正在深刻地影响全球的气候格局。11月16日结束的中美领导人视频会晤提到，气候变化可以成为中美新的合作亮点。
11月18日，《知识分子》主办“气候学家面对面——科学传播公益工作坊”，在论坛上，ipcc第六次科学评估报告作者、浙江大学地球科学学院教授曹龙分享了关于大气二氧化碳循环及对气候变化影响的最新认识，并介绍了减缓气候变化的可能路径。
大气最主要的组成成分是氮气和氧气，二氧化碳和其他温室气体仅仅占很小的部分，但就是这些少量的温室气体却对全球气候起着重要作用。根据大气二氧化碳浓度最新的观测及预测结果，2021年co2浓度已经达到了415 ppm（parts per million，干空气中每百万个气体分子所含的该种气体分子数）。这意味着，每百万个分子中就有415个co2分子，工业革命之前，这一数值大概是280 ppm，也就是说，现在的大气co2浓度实际上比工业革命之前增加了约50%。
图1 过去（80万年前）-现在（1850年至今）-将来（不同排放情境下对未来几百年的预测）的大气co2浓度 | 图源[1]
据全球碳计划组织（global carbon project，gcp）的数据，煤、石油和天然气三大化石能源的燃烧所排放的co2分别占到了co2排放总量的40%、32%和21%。总体而言，化石燃料燃烧贡献co2排放的约90%。
从1990年至今全球化石燃料燃烧排放的二氧化碳量的结果来看，2020年co2排放348亿吨（34.8 gt），比1990年高出一半以上，预计2021年这一数值高达364亿吨（36.4 gt）。
图2 全球化石源co2排放量，红点为2021年co2排放量预测值 | 图源[2]
从全球主要国家和地区排放的co2来看，2021年中国排放的co2总量（11.1 gt，111亿吨）约占全球co2排放总量（36.4 gt，364亿吨）的1/3，美国排放的co2总量约为中国的一半。从人均co2排放量来看，2020年中国人均排放7.4吨co2，仅为同年美国人均co2排放量的一半，但仍高于世界水平（人均4.5吨co2排放量）。
图3 不同国家/地区每年排放的化石源co2量及人均排放水平，图源[2]
那么，这些排入大气中的co2最终去了哪里？都留存在大气中了吗？
从近10年全球人为排放co2的归趋来看，每年排放的co2只有近一半存留在大气层，其他被陆地和海洋吸收。当大气二氧化碳的源（排放）超过了大气二氧化碳的汇（海洋和陆地吸收）的时候，大气二氧化碳浓度将会增加。由此可以认识到碳循环和气候变化的基本链条：人为活动（主要是化石燃料燃烧）向大气中排放co2，这些co2一部分被陆地和海洋吸收，未被吸收的部分滞留在大气中，造成大气co2浓度增长，进而通过影响大气的辐射平衡（温室效应）造成全球变暖。反过来，相关研究表明，全球变暖将会从总体上减缓海洋和陆地对co2的吸收，从而使得大气co2浓度加速增长。
图4 碳循环与全球变暖的基本关系链条 | 图源：曹龙教授ppt
二氧化碳的排放除了造成全球变暖之外，还有许多其他方面的气候效应。比如对于海洋生态系统来说，会引起海洋酸化（ocean acidification）。co2被海洋吸收后会产生碳酸，降低海水的ph值、增加海水的酸性并减少海水中碳酸根离子的浓度。海洋酸化会对海洋生态系统产生深远影响，尤其不利于海洋贝类生物的生长和珊瑚礁的形成。随着海洋酸化的加剧，海洋生物受到的影响会越来越严重。
海洋通过吸收大气中的co2减缓大气co2增加，因此，对大气来说，是一件 “好事”；但是，海洋对于大气co2的吸收造成海洋酸化，对于海洋来说是一件 “坏事”。
全球变暖的本质是大气辐射过程，海洋酸化的本质是化学过程，但它们的罪魁祸首都是化石燃料燃烧产生的co2排放。
据第六次ipcc评估报告的结果，自第一次工业革命以来，全球地表温度与co2累积排放量呈准线性关系，每1万亿吨（1000 gt）co2的排放约引起0.45℃的温升。
图5 全球地表温度与co2累积排放量呈准线性关系 | 图源[1]
那么，为了实现1.5℃或2℃的温控目标，还能向大气中排放多少co2？
据全球碳计划组织（global carbon project，gcp）的最新估算结果，从工业革命前的1750年至今，人类已经向地球排放了约2.5万亿吨（2475 gt）co2，若保持现在的排放速度不变，要实现1.5℃或2℃的温控目标分别还约能排放11年和32年。
很显然，若不对co2的排放加以控制，温控目标将无法实现。ipcc ar6的评估报告中指出，温控1.5℃和2°c需要在本世纪中叶和2070年后实现净负co2排放，即人为从大气中清除的co2量要大于人为向大气排放的co2量。
相应地，为了实现温控目标、减缓气候变化，可以从三个方面入手：
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第一是减少co2等温室气体的直接排放，从源头大幅减排。
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第二是通过co2移除方法（carbon dioxide removal），即通过人为方法增加海洋或陆地碳汇，或者直接从大气中捕捉co2并封存。co2移除方法的除碳潜力估算有很大的不确定性，并且会对生物化学循环和气候环境（例如，水资源、生物多样性、粮食供应等）产生深远影响，ar6第二和第三工作组将会有对不同二氧化碳移除方法的除碳潜力和正负作用更加详尽的评估。
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第三是进行太阳辐射干预（solar radiation modification），也称为地球工程（或气候工程），即通过人为方法减少到达地-气系统的太阳辐射，或增加逃逸到太空的长波辐射，通过改变气候地球系统的辐射平衡给地球降温。这类技术包括向平流层注入硫酸盐等具有散射性质的气溶胶、增加海洋上空低云反照率、高层卷云变薄等。地球工程有潜力作为大幅度减排的补充措施和应对气候变化的备用手段，但是不能作为减缓减排的理由。目前，对于地球工程的研究还停留在理论模拟研究阶段。
每1度（每0.5度、每0.1度）温升都会增加气候变化带来的风险；每1吨的co2和其他温室气体排放都会加剧温升和海洋酸化；现在排放的温室气体越多，未来应对气候变化的难度越大。为了我们的子孙后代，为了地球的明天，大幅度减排刻不容缓。
参考文献：
1. ipcc, 2021: summary for policymakers. in: climate change 2021: the physical science basis. contribution of working group i to the sixth assessment report of the intergovernmental panel on climate change [masson-delmotte, v., p. zhai, a. pirani, s. l. connors, c.péan, s. berger, n. caud, y. chen, l. goldfarb, m. i. gomis, m. huang, k.leitzell, e. lonnoy, j.b.r. matthews, t. k. maycock, t. waterfield, o. yelekçi,r. yu and b. zhou (eds.)]. cambridge university press
2.global carbon project开放数据：https://www.globalcarbonproject.org/carbonbudget/index.htm
制版编辑 | 卢卡斯
