Science"吐槽」Nature子刊論文，起因竟是一片雲

最近，《自然-地球科學》上發表的一項研究令眾多媒體爭相報道：如果溫室氣體排放持續增加，雲將在一個世紀後完全消失，進而令地球氣溫再上升 8 攝氏度。但是第二天，《科學》官網就發表了一篇評論文章，對這一觀點提出質疑。

圖片來源：Pixabay

撰文 Fax Caelestis

編輯 戚譯引

雲層就像是地球的遮陽傘，它能夠反射大量的陽光，減少抵達地球的熱量。但是最近，《自然-地球科學》（Nature Geoscience）上發表了一篇論文，聲稱若二氧化碳排放量持續增加，那麼再過大約一個世紀，地球上的雲將完全消失，進而在溫室效應的基礎上再將全球氣溫提升 8 攝氏度。

這篇文章描述的場景簡直比所有災難片都可怕，發表之後引起了多家媒體的關注。然而接下來，《科學》（Science）的新聞團隊採訪了多位相關領域專家，毫不留情地反駁了這篇論文。

悄悄影響氣候的雲

在針對全球氣候的計算機模擬計算中，超級計算機能處理的最小網格單元（grid cell）尺寸是 100 千米 x100 千米，但是雲的長寬通常只有幾千米，因此無法被納入模型當中進行精確計算。不過，關於雲層對地球氣候的影響，古生物學可以給我們一些啟發。

1987 年，古海洋學家詹姆斯·肯尼特（James Kennett）在南極洲的威德爾海（Weddell Sea）採集化石樣本，發現大約在 5600 萬年前，化石中浮游生物的含量從 60 種暴跌至 17 種，其中的碳氧同位素組成也發生了巨大的變化。到 1992 年，古生物學家菲利普-金格里奇（Phil Gingerich ）和同事們報告，在一種化石的牙齒中發現了同樣的同位素變化，並且這種變化說明當時空氣中二氧化碳含量很高。

這種現象後來被命名為古新世-始新世極熱事件（PETM）。這個時期溫度的上升比任何理論模型所計算出的數值都要高出許多，即便往模型中加入諸如地形學、洋流、植被等多種因素，也無法填補巨大的誤差。普渡大學的古氣候學家馬特·胡貝爾（Matt Huber）認為，其中的關鍵原因就出在雲身上。

雲是水蒸氣在高空冷卻而成的，這是大多數人的印象。然而，構成雲的顆粒——雲滴（cloud droplets）受到熱、蒸發、湍流、輻射、風、地理和無數其他因素的影響，分為不規則形狀的冰滴（ice droplets）和球形的水滴（water droplets），由水滴構成的雲比冰滴構成的更厚。儘管雲也會吸收熱量，但是雲對氣候的主要影響主要是反射陽光，而水滴構成的雲比冰滴反射更多陽光。

左為冰滴，右為水滴。圖片來源：Dr. Emma J?rvinen and Dr. Martin Schnaiter (KIT and schnaiTEC, Germany)

在先前的一些研究中，氣象學家確定層積雲（stratocumulus cloud）主要由水滴組成，體積比冰滴組成的更大，也就是說它反射陽光比例最高，對氣候影響最大。同時相關研究也指出，層積雲比起冰滴占多數的雲更加脆弱。如果層積雲完全消失，太陽輻射會被黑暗的深海所吸收，氣溫將會驟升。還有衛星觀測數據顯示，溫暖的年份中雲層覆蓋比寒冷的年份中要少。

總而言之，雲層已經成為全球變暖研究中最大的不確定因素。自從上世紀 60 年代起，學界就意識到雲層將對全球氣候造成複雜的影響，但直到今天也沒有找到合適的模型計算方法。全球氣候模型的精度還不足以對雲層進行模擬，現有模型一般假設雲層覆蓋面積變化不大，但這很可能是不準確的。

當雲層消失

加州理工學院（California Institute of Technology）的塔皮歐·施內德（Tapio Schneider）和兩位同事進行了新的模擬計算，將雲層納入模型中。這是科學家首次研究雲如何在一個潛在的反饋循環中對全球溫度變化作出反應，以及它對氣候產生的影響。

研究團隊在瑞士和加州的超級計算機上對一片大約 5 平方公里的層積雲進行了 200 萬核心小時（core-hours）的模擬。在模擬的天空中，隨著二氧化碳濃度逐漸升高，海洋表面溫度升高，雲的動力學（即湍流）就會發生變化。研究人員發現，在一個臨界點，層積雲突然消失，這主要是兩個因素阻礙了它們的形成。

首先，當二氧化碳水平升高，地球表面和天空變得更熱，額外的熱量會在雲層內部產生更強的湍流。湍流混合了雲層頂部附近的潮濕空氣，將其向上和向外推向層積雲的邊界，同時層積雲從上方吸入乾燥的空氣。這個過程稱為夾卷（entrainment），其結果是將雲層驅散。

其次，由於溫室效應使上層大氣變得更加溫暖潮濕，層積雲頂部的冷卻效率降低。這種冷卻過程至關重要，能使雲團頂部的冷而潮濕的空氣團下沉，同時為那些因為靠近地表熱而變熱的潮濕空氣騰出空間，使其能夠進入雲團並形成雲。當冷卻作用減弱時，層積雲變薄。

這兩個過程最終將會壓倒與之相抵的力量。計算機模擬顯示，如果不控制排放，在 100 到 150 年內，二氧化碳濃度達到百萬分之 1200 時，更多的夾卷和更少的冷卻將共同破壞層積雲。

在飛機上看到的層積雲。圖片來源：Mikael H?ggstr?m, Wikipedia

接下來，為了觀察雲層的消失將如何影響全球氣溫，施內德和同事們採取全新的方式，以高解析度模擬雲層斑塊，並將其他環境因素參數化。他們發現在模擬過程中，當層積雲消失時，海洋將吸收大量額外熱量，這增加了海洋的溫度和蒸發速度。水蒸氣的溫室效應與二氧化碳非常相似，所以天空中水蒸氣越多，地球表面就會吸收越多的熱量。從全球範圍來看，低空雲層的消失和水汽的上升導致了失控的變暖——氣溫飆升 8 攝氏度。

一旦這種轉變發生，空氣中的水蒸氣達到飽和，那麼即使二氧化碳逐漸減少，雲也回不來了。「因為存在滯後性，」施內德說，系統的狀態取決於它的歷史，「在再次形成層積雲之前，你需要將二氧化碳濃度降低到現在的水平，甚至是略低於現在的水平。」

這篇論文題為「溫室效應下層積雲消散可能引發的氣候轉變」（Possible climate transitions from breakup of stratocumulus decks under greenhouse warming），在 2 月 25 日登上了《自然-地球科學》。

模型過於簡化？

這個模型預測的末日景象實在太恐怖，很快引起了《華盛頓郵報》等媒體的關注。然而就在論文發表的第二天，《科學》發表評論文章，對研究方法提出質疑。

首先，許多研究氣候的科學家指出，針對這麼一小塊雲作出的計算不能推廣到整個地球上。美國斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）的雲科學家喬爾·諾里斯（Joel Norris）說：「這只是一個簡單的模型，僅有一個旋鈕，兩個檔位。但地球上的旋鈕很可能比這多得多。」

並且，在模型計算中，把局部模擬結果推廣到全球後，雲層幾乎瞬間消失殆盡，被海洋吸收的熱量大幅增加；而德國馬克斯·普朗克氣象研究所（Max Planck Institute for Meteorology）的氣候科學家比約恩·史蒂文斯（Bjorn Stevens））指出，將雲和海洋的聯繫想得如此簡單，這實在有些牽強。

最後，臨界點這個概念也受到質疑。華盛頓大學（University of Washington）的雲科學家克里斯·布雷瑟頓（Chris Bretherton）認為這個惡性循環確實會發生，然而他也指出，二氧化碳濃度不可能在全球任何地方都一樣，並且考慮到海洋和大氣複雜的相互作用，雲層不會突然間同時消失，這一過程將緩慢發生。

「將雲和海洋的聯繫想得如此簡單，這實在有些牽強。」 | 圖片來源：Pixabay

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的大氣科學家斯蒂芬·克萊因（Stephen Klein）指出，正是因為模型過於簡單，沒有考慮雜訊影響，所以它必然只能模擬齣劇烈的轉變。克萊因說：「因為這些簡化，我認為該研究工作中關於臨界點的內容並不可信。」

布雷瑟頓表示，科學家很快會開發出更多的雲層解析模型，「在接下來的幾年中，我們將開發出全球氣候模型，它們會（比現在這個模型）更加可靠」。他本人就在做這樣的項目，並且令他感到驚訝的是，在試運行過程中，雲層更多地抑制了全球變暖的反饋過程。

施耐德團隊也會繼續完善他們的模型。他指出，現有模型還有一處迫切需要修正，那就是假設風流（wind current）的狀態保持不變。已經有證據顯示，隨著氣候變化，風流可能會減弱，讓雲層更加「堅挺」。其他的變數也要考慮進去，包括地域差異。

總之，雖然氣候學家們還沒想好應該拿雲怎麼辦，但至少已經有人開始嘗試了。

參考來源：

https://www.sciencemag.org/news/2019/02/world-without-clouds-hardly-clear-climate-scientists-say

https://www.quantamagazine.org/cloud-loss-could-add-8-degrees-to-global-warming-20190225/

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