新研究揭示了气候难题的缺失部分

CERES仪器在2011年3月18日附近的NASA Aqua卫星上发出的长波辐射于2011年3月18日发出。由NASA提供

麻省理工学院的研究人员在一项新发表的研究中表明，对全球变暖的典型看法仅能说明其中一半，并揭示了气候难题的缺失部分。

在教室和日常对话中，对全球变暖的解释取决于温室气体的影响。简而言之，气候取决于两种不同辐射之间的平衡：地球从太阳吸收入射的可见光，称为“短波辐射”，并向空间发射红外光或“长波辐射”。

能源平衡令人不安的是温室气体，例如二氧化碳（CO2）的水平上升，这种温室气体越来越多地吸收一些长波辐射，并将其捕获到大气中。能量在气候系统中积聚，并发生变暖。但是，在本周《美国国家科学院院刊》上发表的一篇论文中，麻省理工学院的研究人员表明，这种对全球变暖的典型看法只是故事的一半。

在对二氧化碳浓度升高的情况下的地球气候进行计算机建模时，温室气体的确确实导致了全球变暖。然而有些令人费解的事情发生了：人们可能希望逃逸到太空的长波辐射会随着CO2的增加而减少，但实际上它的数量开始增加。同时，大气层吸收了越来越多的太阳辐射。正是这种增强的短波吸收最终导致了全球变暖。

第一作者亚伦·多诺霍（Aaron Donohoe）是前麻省理工学院的博士后，现在是华盛顿大学应用物理实验室的研究员，他说：“发现是出于好奇，与对全球变暖的基本理解相矛盾。”“这使我们认为，在添加二氧化碳之后的几年中，模型中肯定会有一些不可思议的事情。我们想解决以下矛盾：气候模型通过增强短波辐射而不是减少长波辐射来显示变暖。”

多诺霍（Donohoe）与麻省理工学院的博士后凯尔·阿默（Kyle Armor）以及华盛顿的其他人一起度过了一个深夜，他们猜测气候模型为什么会产生这种不合逻辑的发现，然后才意识到这是完全有道理的。文学。

他们通过利用计算机模拟和简单的能量平衡模型找到了答案。随着长波辐射被二氧化碳捕获，地球开始变暖，影响了气候系统的各个部分。海冰和雪盖融化，将明亮的白色阳光反射器变成暗点。大气变得湿润，因为更温暖的空气可以容纳更多的水蒸气，从而吸收更多的短波辐射。这两种反馈都会减少反弹回太空的短波辐射量，并且行星会在地表迅速变暖。

同时，就像任何经历变暖的身体一样，地球更有效地释放长波辐射，从而抵消了CO2的长波捕获效应。但是，现在更暗的地球会吸收更多的阳光，使鳞片成为短波辐射导致的净变暖。

麻省理工学院地球系博士后Armour说：“因此，有两种辐射对气候很重要，其中一种受到CO2的影响，而另一种则直接导致了全球变暖。这是令人惊讶的事情。” ，大气和行星科学。

在现实世界中，空气污染中的气溶胶会反射大量的阳光，因此地球没有经历过短波太阳辐射引起的变暖。但是作者计算出，到本世纪中叶将发生足够的变暖，从而将全球变暖的主要驱动力转向增加太阳辐射吸收。

这篇论文并没有挑战气候模型的物理原理。它的价值在于帮助社区解释其产出。“尽管这项研究并没有改变我们对全球变暖基本原理的理解，但拥有更简单的模型总是有帮助的，这些模型可以帮助我们理解为什么我们更全面的气候模型有时会表现出与直觉相反的方式，”没有参与这项研究的NOAA地球物理流体动力学实验室。

这项研究可能有用的一种方式是，在研究人员追踪未来几十年的人为气候变化时，指导研究人员在卫星观察地球辐射预算时寻找什么。多诺霍说：“我认为默认的假设是随着温室气体的增加，向外发出的长波辐射会减少，但这可能不会发生。”“我们实际上会看到短波辐射的吸收增加。在未来的观测中，我们是否真的会看到CO2的长波捕获效应？我认为答案可能是否定的。”

这项研究解决了另一个棘手的气候建模问题，即在短波辐射取代全球变暖的重担时，不同模型之间存在实质性分歧。作者证明，差异的根源在于模型代表全球变暖引起的云量变化的方式，这是地球如何很好地反射短波太阳能的另一个重要因素。

这项工作得到了美国国家海洋与大气管理局，詹姆斯·麦克唐纳基金会和国家科学基金会的支持。

出版物：Aaron Donohoe等人，“在二氧化碳增加的情况下短波和长波辐射对全球变暖的贡献”，PNAS，2014年；土井：10.1073 / pnas.1412190111

图像：美国宇航局