为什么“CO₂滞后温度”是伪命题？南极冰芯可以给出答案

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2007年3月8日，英国第四频道（Channel 4）播出了一部名为《The Great Global Warming Swindle》（《全球变暖大骗局》）的纪录片，引发了一场轩然大波。

这部纪录片由马丁·杜金（Martin Durkin）执导，它以一种极具争议性的姿态挑战了关于人类活动导致全球变暖的科学共识。纪录片主张气候变化主要由自然因素驱动，尤其是太阳辐射的变化，而非人类活动产生的二氧化碳排放，并且声称围绕人为全球变暖的共识是一个由资金和政治议程驱动的骗局。

纪录片中引用了多位科学家、经济学家和政治家的采访，他们对人为全球变暖提出了质疑，还借助图表和数据来支撑其观点。影片中，一些学者声称过去的 300 年全球变暖是小冰河时期后的自然恢复，二氧化碳在气候中的作用被夸大了，还暗示科学共识背后存在着阴谋。例如，片中提到冰芯数据，声称二氧化碳浓度上升是在温度上升之后，试图证明二氧化碳并非导致变暖的主要原因。

这部纪录片在全球引起了广泛的关注和激烈的争论。一方面，它得到了一些气候怀疑论者的支持，他们将其视为对主流气候科学的有力反驳；另一方面，它也遭到了科学界的强烈批评和驳斥。许多科学家指出，纪录片中存在大量的错误和误导性信息。例如，片中展示的一张据称来自美国宇航局（NASA）的全球温度图表，后来被证实是伪造的，导演杜金承认为了简化线条而篡改了图表。此外，片中对一些科学家的采访内容也被指出被断章取义，歪曲了他们的观点。

事实证明，这是反气候变化群体的又一次攻击行动，纪录片里出现了多位活跃的反气候人士，例如，弗雷德·辛格（Fred Singer）、帕特里克·迈克尔斯（Patrick Michaels）、理查德·林德森（Richard Lindzen）、蒂莫西·弗朗西斯·鲍尔（Timothy Francis Ball），然而其中的反气候变化科学的观点却广为流传，很多直接被不加区别地引入国内。例如经济学家郎咸平就跨界到气候变化领域，介绍全球变暖是西方的阴谋，引用的观点之一就是“气温的变化先于二氧化碳浓度的变化，而不是二氧化碳浓度的变化导致气温上升”。

那么实际情况到底是什么呢？

认为“全球温度上升先于CO₂浓度增加，因此CO₂并非导致全球变暖的主要原因”的观点确实具有迷惑性，需要仔细分析。这一观点主要来自于对南极冰芯数据的解读，一些观点认为，从南极冰芯数据可以看出，在过去冰期转换过程中，温度变化大约领先于CO₂浓度变化约600到1000 年。例如在以上纪录片里，就认为二氧化碳变化滞后于全球温度约800年，所以二氧化碳增加不是全球变暖的原因，而是全球变暖的结果，从而否定CO₂在当代全球变暖中的关键作用。

事实上，温度和CO₂之间存在着复杂的双向因果关系。一方面，当全球温度上升时，会导致海洋释放更多的CO₂。这是因为CO₂在水中的溶解度与温度呈反比关系，就像暖啤酒比冷啤酒更容易失去气泡一样。随着地球变暖，海洋温度升高，其储存CO₂的能力下降，从而向大气中释放CO₂。另一方面，大气中CO₂浓度的增加又会加剧温室效应，进一步升高全球温度。这种相互作用形成了一个正反馈机制，使得温度和CO₂浓度在长时间尺度上呈现出相互关联的变化趋势。

在南极冰芯揭示的过去几十万年的历史气候变化中，冰期结束时，地球轨道的变化（如米兰科维奇循环）引发北半球高纬度地区接收的太阳辐射增加，导致冰盖和周围海洋温度上升（Hays et al., 1976）。升温的海洋开始释放更多CO₂到大气中，随着CO₂浓度的增加，其温室效应使得全球温度进一步升高，进而又促使更多的CO₂从海洋和陆地生态系统中释放出来。这个过程持续进行，最终使得地球从冰期过渡到间冰期。在这期间，CO₂和温度之间存在正反馈作用，放大了轨道参数变化引起的最初变化，当然了，还有其他正反馈作用，例如冰雪-辐射反馈机制等，即当温度升高时候，冰雪融化，使得更多太阳辐射可以进入陆地和海洋，从而进一步导致升温，升温之后冰雪融化更多，从而形成正反馈机制。

这个结论在全球变暖研究之父詹姆斯·汉森（James Hansen）等人1990年发表在Nature上的综述文章（Lorius et al., 1990）中就已经提过了，当时说“然而，从全球平均的角度来看，轨道强迫相对较弱”（The orbital forcing is, however, relatively weak when considered on an annual globally averaged basis）“二氧化碳和甲烷含量的变化在冰期-间冰期气候变化中发挥了重要作用，与北半球冰盖的扩张和消融共同放大了相对较弱的轨道强迫”（changes in the CO2 and CH4 content have played a significant part in the glacial-interglacial climate changes by amplifying, together with the growth and decay of the Northern Hemisphere ice sheets, the relatively weak orbital forcing）。

根据南极冰芯的资料研究气候变化的时候，由于CO₂和CH₄是全球充分混合的气体，所以南极的温室气体浓度变化可以反映全球的变化特征，但是南极冰芯记录的温度变化仅代表南极地区的局部温度变化，全球温度的变化则需要综合考虑全球范围内的各种数据记录，不能简单地将南极温度的变化等同于全球温度的变化。

当我们查看由地球上其他记录组合重建的全球温度变化记录时，我们看到了一个不同的故事。研究表明，在冰期结束时，南极温度开始上升后，CO₂浓度的上升随之上升，而大约过了数百年，全球温度才开始显著上升（Caillon et al., 2003）。全球温度在整个冰消期期间滞后于南极温度数百年到一千年不等（Shakun et al., 2012）。这表明，虽然南极温度的变化可能先于CO₂浓度的变化，但从全球范围来看，CO₂浓度的上升对全球温度的上升起到了关键的推动作用。例如，当南极温度上升导致海洋释放CO₂后，这些增加的CO₂通过大气环流迅速扩散到全球，使得北半球的温度也随之上升，从而引发了全球范围内的气候变暖。

一些支持 “CO₂滞后温度” 的观点基于较早的冰芯数据和分析方法。然而，随着科学技术的进步，新的冰芯记录和更精确的分析技术为我们提供了更清晰的视角（Shakun et al., 2012; Brook and Buizert, 2018）。由于CO₂和CH₄是全球充分混合的气体，因此可以将南极冰芯里的CO2和CH4与格陵兰岛冰芯进行比较，由于格陵兰的定年更精确，比较之后，研究人员发现南极冰芯的 CO₂ 年龄在部分冰消期期间可能比实际年轻一到两个世纪，经过订正之后，发现CO₂领先于全球温度变化，并几乎与南极温度变化相同步。因此在冰消期，温室气体的增加是全球变暖的主要驱动力。

综上所述，“全球变暖超前CO₂增加” 这一观点是对过去气候变化复杂过程的片面解读。通过深入分析温度与CO₂之间的双向因果关系、当代气候变化与过去气候变化的差异，我们可以明确地看到，CO₂在气候变化中扮演着至关重要的角色。尽管在过去某些情况下温度变化可能先于CO₂浓度变化，但是温度增加之后，导致海洋向大气释放更多的CO2，进而导致温室效应增强，引起更强的增暖。这种过程在历史气候变化中存在，在现在的气候变化中依然存在。在过去80万年的冰期间冰期变化过程中，地球轨道变化的天文因子是导致气候变化的触发因子，但是如果没有后期温室效应和冰雪反馈等正反馈过程，也不能形成巨大的气候波动。在现在的全球变暖里，天文因子并未形成最初的触发因子，由人类活动大量排放的温室气体成为导致温度升高的最重要原因，并通过正反馈过程，将变暖进一步放大，形成我们目前的全球变暖过程。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：魏科 中国科学院大气物理研究所 研究员
审核：戴云伟 中国气象局 高级工程师
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司