全球變暖，圖源：pixabay

導讀：

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峻。在此背景下，減碳減排已成為國際社會關注的核心議題。然而，人類對溫室效應機理及全球變暖后果的認知，卻經(jīng)歷了一個漫長而曲折的過程?；厮輾v史，早在工業(yè)革命方興未艾的19世紀，當絕大多數(shù)人尚未意識到氣候變化的威脅時，一批科學先驅敏銳地洞察到溫室效應，并將之記錄下來。

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為什么地球會這樣暖？

在科學史上，法國數(shù)學物理學家約瑟夫·傅里葉（Joseph Fourier）堪稱是意識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，氣溫或將低于冰點（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3

這位科學巨匠的人生極具傳奇色彩。他青年時代曾追隨拿破侖，30歲時作為科學顧問隨軍遠征埃及，后擔任開羅研究院秘書?；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，終年裹著厚重的大衣。晚年的他，更是將自己包裹得"如木乃伊般嚴實"，其居所的悶熱環(huán)境也常令訪客難以忍受。

也許是這種對“熱”的獨特執(zhí)念，最終催生出《熱的解析理論》（Théorie analytique de la chaleur，1822）。在這部劃時代的著作中，傅里葉不僅系統(tǒng)闡述了熱傳導方程，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、物理學和工程學研究的萬能工具。

《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，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)學天賦計算出：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，表面溫度應低于冰點，這與人類實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是一顆宜居的星球。傅里葉的洞察，為后來溫室效應理論的誕生奠定了基礎。

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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，但在復雜的大氣成分中，究竟哪些氣體真正具有保溫作用？這個問題數(shù)十年懸而未決，直到1859年才由愛爾蘭物理化學家約翰·丁達爾（John Tyndall）揭曉答案。

丁達爾發(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4

丁達爾通過精心設計的實驗裝置，對各類氣體的紅外吸收特性進行了上百次測量。他的研究揭示：水蒸氣(H2O)是大氣中最強的熱輻射吸收體，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，對溫度的影響也不可忽視。相比之下，占大氣主體的氮氣（N2）和氧氣（O2）對紅外線則幾乎是"透明"的，毫無影響。

值得一提的是，如今廣為人知的“丁達爾效應”正是源于他對氣體紅外吸收特性的研究。當時，實驗氣體樣本的純凈度是一個關鍵挑戰(zhàn)——懸浮的塵?；蛭⒘乐馗蓴_測量結果。為解決這一問題，丁達爾用強光照射裝有氣體樣本的玻璃管，當光線穿過含塵氣體時，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，更為膠體化學和光學研究開辟了新領域。

丁達爾測量各類氣體紅外吸收的實驗裝置。圖源：參考文獻4

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

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被遺忘百年的“業(yè)余科學家”

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

她1819年出生于美國東北康涅狄格州的一個農(nóng)夫之家。牛頓（Newton）這一姓氏透露出不凡的血統(tǒng)，她的父親被認為是科學偉人牛頓（Isaac Newton）的遠房親戚。尤妮斯幸運地在1836-1838年間進入當時極少數(shù)能接收女性的特洛伊女子學院（Troy Female Seminary）學習。在這所被譽為"女性教育圣地"的學府，她不僅掌握了一些化學實驗技能，更習得嚴謹?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際上是美國作家Mary Foote Henderson）。從她護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)和灰藍色眼睛。圖源：尤妮斯·富特的紀錄片（參考文獻7）

1841年，尤妮斯與發(fā)明家伊萊沙·富特（Elisha Foote）結婚。一位生活在19世紀女性，婚后要花很多精力來相夫教子，但她仍不失為一位“業(yè)余科學家”。借助一個空氣泵、四支水銀溫度計和兩個直徑約10cm、長約76cm的玻璃圓筒，尤妮斯·富特搭建了一個巧妙的實驗裝置。她將不同氣體分別密封在兩個玻璃圓筒中，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《美國科學與藝術雜志》。之后，這篇僅有兩頁、言簡意賅的論文被收錄到1857年《科學發(fā)現(xiàn)年鑒》（Annual of Scientific Discovery）。

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

遺憾的是，在19世紀科學界普遍的性別偏見氛圍下，這篇科學史上首次由女性獨立完成的自然科學論文并未引起應有的學術關注，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，退休石油地質學家雷蒙德·索倫森（Raymond P. Sorenson）在研究科學史料時，偶然在泛黃的《科學發(fā)現(xiàn)年鑒》中發(fā)現(xiàn)了這段被遺忘的科學傳奇。經(jīng)過嚴謹考證，科學界確認富特早在1856年就揭示了二氧化碳與溫室效應的關聯(lián)，這比丁達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的發(fā)展史，更讓這位被遺忘的女性科學先驅重新獲得應有的歷史地位。

當然，以現(xiàn)代科學視角審視，富特當時所使用的實驗裝置堪稱簡陋，其論文結論也存在理論缺陷。她誤認為二氧化碳和水汽直接吸收太陽輻射，而實際上這些氣體吸收的是地表受熱后釋放的長波紅外輻射。這一關鍵機理在三年后丁達爾更為嚴謹?shù)膶嶒炑芯恐械玫搅藴蚀_闡釋。然而，后人也在懷疑丁達爾是否受到過富特研究的啟發(fā)。這一懷疑并非空穴來風，除了兩者實驗思路的高度相似，1856年出版的《美國科學與藝術雜志》更是同時刊登了富特的那篇氣體吸收光熱的論文以及丁達爾的一篇關于色盲研究的論文。如此巧合不禁令人生疑，丁達爾在自己論文發(fā)表后，會對同期刊上的其他重要研究視若無睹嗎？

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

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二氧化碳、氣溫、全球變暖

19世紀是近代科學蓬勃發(fā)展的時代。就在丁達爾和富特探究不同氣體保溫效果的時候，地質學領域也接連取得新的發(fā)現(xiàn)。人們意識到在遙遠的過去，地球曾不止一次被凍成“冰球”，整個歐洲大陸都被厚厚的冰層覆蓋。科學家擔心人類的璀璨文明會再次被冰封，但對于地球溫度為何會經(jīng)歷如此劇烈波動，卻莫衷一是。直到19世紀末，一位瑞典化學家系統(tǒng)地總結了前人的發(fā)現(xiàn)，提出冰河時代是由大氣中二氧化碳含量的波動引起的，使人們對溫室效應的認識有了一次巨大的飛躍。

阿倫尼烏斯計算出空氣中二氧化碳含量與全球氣溫之間的關系。圖源：參考文獻8

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

作為一位百科全書式的學者，阿倫尼烏斯的研究橫跨多個學科：他創(chuàng)立的阿倫尼烏斯公式揭示了溫度對化學反應速率的影響規(guī)律；他撰寫的《免疫化學》（Immunochemistry）一書，是免疫化學領域的奠基之作；他對生命起源也有獨到的見解，他認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)叛道的觀點至今仍是很多科幻作品的靈感來源?；蛟S還應該提到，阿倫尼烏斯因為門捷列夫曾質疑過電離理論而耿耿于懷，極力反對門捷列夫獲得1907年的諾貝爾化學獎，最終使元素周期表這樣劃時代發(fā)現(xiàn)與諾獎失之交臂，此事也成為諾貝爾獎史上的重大遺憾。

言歸正題，阿倫尼烏斯對地球冰河世紀的爭論非常感興趣。他敏銳地意識到，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、丁達爾等人提出的觀點（遺憾的是，他也完全忽視了富特的杰出貢獻），他構建了一個理論模型，首次定量地計算出空氣中二氧化碳含量與全球氣溫之間的關系。

阿倫尼烏斯提出的計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。為了不使計算過于復雜，阿倫尼烏斯進行了一些簡化。例如，忽略來自地球中心的熱傳導，大氣層內(nèi)部的對流熱交換保持恒定，以及地球上各處云層的覆蓋率保持不變等。即便如此，在電子計算機尚未問世的年代，只靠手工演算這仍是一項令人望而生畏的艱巨任務。

不過，阿倫尼烏斯有著深厚的數(shù)學功底。而且，當時他剛結束第一段婚姻，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。在近一年的時間里，他每天堅持工作14小時，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《空氣中的碳酸對地表溫度的影響》的論文，以及計算溫度的主要公式。圖源：參考文獻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減少，會進一步導致溫度再降低約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度為一個區(qū)間）產(chǎn)生的溫升效應。結果顯示，當二氧化碳濃度翻倍時，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。

阿倫尼烏斯計算，當二氧化碳濃度從300ppm上升到600pm后對地球各緯度氣溫的影響。圖源：參考文獻10

令人嘆服的是，盡管阿倫尼烏斯的模型簡化了許多復雜變量，但這些被忽略的因素之間恰好在某種程度上相互抵消，使得他在一個多世紀前得出的結論，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論，即便在后來的一個世紀里投入數(shù)百萬美元進行深入研究，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、丁達爾以及阿倫尼烏斯等科學先驅早在19世紀就已經(jīng)開始關注溫室效應問題，但“溫室效應”（greenhouse effect）這個名詞是由阿倫尼烏斯的摯友、瑞典氣象學家尼爾斯·?？嘶魻柲?（Nils Ekholm）在1901年最先提出的，而彼時人類已經(jīng)悄然邁進了20世紀了。

到了1904年，阿倫尼烏斯和?？嘶魻柲范家衙翡J地注意到人類活動對氣候的影響，預見"工業(yè)發(fā)展可能在幾個世紀內(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，他們認為這種變化將會非常緩慢地發(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3千年的時間，即整整30個世紀。作為生活在寒冷北歐的科學家，他對氣候變暖持樂觀的態(tài)度，認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)量以應對人口增長，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）。圖源：參考文獻13

阿倫尼烏斯的這一預測被證實過于樂觀。此后，人類活動排放的二氧化碳及其他溫室氣體呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，僅過了一個世紀，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非早年的科學家所能預見。如今，我們正面臨著比"溫和變暖"嚴峻得多的氣候危機，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)實不斷威脅著人類生存，這與百年前科學家的美好預期形成了鮮明對比。

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

參考文獻：

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

原標題：洞察溫室效應，這幾篇開創(chuàng)性的論文值得銘記

編輯：瀟瀟雨歇

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不代表中科院物理所立場

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