防走失，電梯直達(dá)安全島

來源：環(huán)球科學(xué)

作者：不 周

圖片來源：Bill Anders, Public domain, via Wikimedia Commons

從外太空望去，我們生活的家園是一顆泛著柔和微光的藍(lán)色星球。這抹亮色，既不奪目，也不暗淡，這多虧了母星太陽的饋贈。也幸好，地球的大氣、云層、海面、陸地、冰雪等自然系統(tǒng)巧妙“合作”，接收并反射了部分太陽送來的光。

在太陽核心的極端高溫和高壓下，氫原子不斷被強(qiáng)行擠壓，聚變成氦原子。聚變過程釋放的巨大能量，以電磁輻射的形式穿越太陽內(nèi)部，抵達(dá)表面，再向外輻射至宇宙空間。經(jīng)過8分多鐘的旅行，太陽輻射抵達(dá)了地球。

對于地球而言，太陽傳遞的能量是維持生命的源泉，也是需要“小心處理”的對象。當(dāng)接收到太陽輻射后，大氣層會吸收一部分輻射，同時將一部分輻射反射回太空，還有一部分輻射會穿過大氣，抵達(dá)地表，而后再被吸收或反射回太空。

在大氣層頂部——來自太陽的入射能量與來自地球的出射能量達(dá)到平衡。

圖片來源：National Oceanic and Atmospheric Administration

基于能量守恒的原理，理論上，入射地球的輻射，應(yīng)當(dāng)與出射輻射（包括反射的太陽輻射，與地球系統(tǒng)自身發(fā)射的輻射）相平衡——這被稱為地球輻射收支平衡——這樣才能保證地球溫度長期保持穩(wěn)定。若收大于支，地球會變暖；若支大于收，則會變冷�？上攵O(jiān)測地球能量收支的變化對理解地球，特別是氣候系統(tǒng)至關(guān)重要。

明亮的對稱謎題

為了理解氣候變化，我們還必須確定地球輻射收支變化背后的驅(qū)動因素。為此，科學(xué)家需要借助衛(wèi)星，測量地球向太空輻射的紅外輻射量。而此前長期的衛(wèi)星觀測顯示，平均來看，南北半球吸收和反射的太陽輻射基本相同。這意味著，從外太空看，我們腳下的星球亮得很均勻，而不是“坑坑洼洼 ” ，北面亮一點(diǎn)，南邊暗一點(diǎn)。

但南北半球差異如此之大，這種“勻稱的明亮 ”就顯得格外不可思議。首先，南北半球的陸地海洋分布并不相同，北半球擁有地球上近70%的陸地面積，而南半球約80%的面積都被海洋覆蓋。陸地和海洋對陽光的反照率也不盡相同，海洋往往會吸收大部分陽光，而陸地會反射更多。而自20世紀(jì)工業(yè)革命以后，人類燃燒化石燃料產(chǎn)生了大量工業(yè)污染，這些顆粒以氣溶膠的形式懸浮在空氣中，像一個個微小的鏡子一樣，將陽光反射回太空。

19世紀(jì)描繪南北半球的地圖。

圖片來源：Thomas Gamaliel Bradford/Wikipedia

無論是從陸地分布，還是大氣污染來看，北半球其實(shí)都匯集了更多反光的元素。因此在上世紀(jì)中葉，科學(xué)家普遍認(rèn)為，北半球肯定比南半球更亮。然而，當(dāng)人類在20世紀(jì)70年代發(fā)射了第一批能夠精確測量地球輻射收支的衛(wèi)星后，科學(xué)家震驚地發(fā)現(xiàn)，盡管南北半球在物理上如此不同，但各自反射回太空的太陽輻射總量，卻幾乎完全相同。

一定有某種“補(bǔ)償者”在隱秘地抵消南北半球的差異。很快，科學(xué)家就鎖定了勤勤懇懇運(yùn)動著、環(huán)繞地球無數(shù)圈的云。天空中輕盈漂浮著的云，主要由水蒸氣和氣溶膠組成。當(dāng)它位于大氣層不同高度時，它可以反射或吸收太陽光。對于南半球而言，廣闊的海洋雖然會吸收陽光，但同時也會蒸發(fā)巨量的水分，在大洋上空形成比北半球更多、更持久、也更明亮的海洋層積云。

圖片來源：Unsplash

極暗的海洋與明亮的云層相結(jié)合，南半球剛好與北半球中等亮度的陸地完美平衡。這種近乎完美的補(bǔ)償機(jī)制其實(shí)一直令科學(xué)家倍感困惑，也因此涌現(xiàn)了一些分歧。部分人認(rèn)為，南北半球太陽輻射的對稱分布只是一種巧合；更多人則支持這樣一個觀點(diǎn)：我們的氣候系統(tǒng)擁有相當(dāng)精妙的自調(diào)節(jié)機(jī)制，它會通過洋流和大氣環(huán)流在全球范圍內(nèi)重新分配熱量。關(guān)鍵在于后者：大氣環(huán)流的變化，會直接改變云的分布，影響不同半球的反照率，從而糾正原本的不對稱。

被打破的平衡

最近，一項(xiàng)發(fā)表于《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）的研究，分析了美國航空航天局（NASA）云和地球輻射能量系統(tǒng)（CERES）24年的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地球整體都在變暗，而這種對稱性正在被打破，北半球正比南半球更快地變暗。

CERES擁有一系列高精度的輻射計儀器，分別搭載在不同的NASA地球觀測衛(wèi)星上。這個項(xiàng)目一直持續(xù)、精確地測量地球的輻射收支，通過計算地球接收到的太陽輻射，與地球向外發(fā)射的熱紅外長波輻射之間的微小差值，來理解全球氣候的變化，也能幫助完善氣候模型。

在2001-2024年間，CERES衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示，北半球與南半球在吸收太陽輻射的差異，正以每十年約0.34W/m2的速度增加，向外發(fā)射長波輻射的差異則以每十年約0.21W/m2的速度增長。盡管這些差值的絕對值看上去很小，但在全球尺度下，這種趨勢累積起來，卻不容忽視。

為什么是北半球？

但為什么北半球暗得更快呢？其中一項(xiàng)主要原因，竟然來自人類在環(huán)保上的努力。過去二十年間，北半球的工業(yè)國家大力治理空氣污染，這本是一件好事。但環(huán)保帶來的副作用是，空氣中那些漂浮的污染物——反光氣溶膠大幅減少了。空氣干凈了，許多懸浮的“小鏡子”也消失了，這導(dǎo)致更多陽光可以穿透大氣層，被地表吸收。

與此同時，全球變暖也令北半球的冰雪，包括北極海冰和高山積雪迅速融化。當(dāng)大片冰雪反光鏡消失，轉(zhuǎn)變?yōu)樯钌年懙鼗蚝Ｑ螅凑章室搽S之下降。令人意想不到的是，野火、火山噴發(fā)等自然災(zāi)害也驅(qū)動著南北半球的亮度變化。

圖片來源：Unsplash

這一切似乎都在說明，云層、大氣、洋流等跨赤道輸送熱量的機(jī)制，可能并不能完全抵消南北半球日益增長的不對稱性。而人們過去認(rèn)為會在地球系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)機(jī)制發(fā)揮關(guān)鍵作用的云層，可能也沒有那么有效。

回到上世紀(jì)發(fā)現(xiàn)南北半球反照率的對稱，或許這并不是氣候系統(tǒng)的基本屬性，而只是一個特定時期的巧合。如今，這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)正在提醒我們，地球輻射正在進(jìn)入一個全新的不對稱狀態(tài)，我們的家園也不再是亮度均勻的星球。這將如何影響全球的環(huán)流模式？氣候系統(tǒng)又是否會、以及如何調(diào)整以適應(yīng)這種不平衡？與我們切身相關(guān)的天氣又將如何變化？仍有待進(jìn)一步研究。

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2511595122

https://www.smithsonianmag.com/smart-news/earth-is-getting-dimmer-and-the-northern-hemisphere-is-losing-brightness-faster-than-scientists-expected-180987578/

https://www.scientificamerican.com/article/earths-falling-reflectivity-means-the-planet-is-getting-darker-and-hotter/

https://earthobservatory.nasa.gov/features/EnergyBalance

https://mynasadata.larc.nasa.gov/basic-page/earths-energy-budget

https://ceres.larc.nasa.gov/