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消失的热量去了哪里?

地球关注|2017-5-31 07:23

来源:中国天气网|2262人参与|0评论

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消失的热量去了哪里?

  普通公众大多只能体会到全球变暖的局部影响。尽管人们可以从海冰融化的新闻,或是越来越多的极端天气来感知,还可以从冬天不冷、夏天更热来判断,但这并不是全球变暖的本质,只是它所引起的一系列“症状”之一。如果我们换一个角度,将地球当作一个整体看待,所谓“全球变暖”,实际上是地球系统能量(以热量为主)的增加,原因则是二氧化碳等温室气体增加导致的温室效应。无论大气、海洋还是陆地的变暖,都包含在其中。

  由于时刻生活在其中,人类最易察觉到近地面大气的变暖。但在全球变暖中,大气蕴含的热量占比其实很小,仅占地球系统整体增暖的1%-2%;与人类关系密切的陆地,变暖热量也仅占3%;而93%的热量都储存在了海洋之中。

  那么,如果人们想知道地球究竟变暖了多少,就要对地球系统能量的变化进行监测。人类用两种方法监测地球如何变热。第一种是依靠卫星。这种方法的依据很直接,即监测进入地球的辐射有多少,离开地球的辐射又有多少,出入之间的差距就是地球增加的热量。这个数值并非一直是正的,但近20年来基本都维持在正数,说明地球整体正在变暖。

  而另一种方法则试图通过局部推论整体。科学家监测海洋变暖速率,并由海洋93%的热量占比反推地球变暖的情况。因为海洋吸收了绝大部分的热量,因此这种方法也会比较方便。按照科学家的设想,将这个数据与卫星观测到的数据对照,如同上了一个双保险,应该能够准确获知地球到底变暖了多少。

  但问题就出在这里,卫星观测的数据和海洋监测数据始终对不上。卫星告诉我们,自2000年以来,根据大气层顶的净辐射收支,进入地球的能量约为0.5瓦/平方米-1.5瓦/平方米,但是海洋监测又告诉我们,海洋的热量增加为0.2瓦/平方米-0.5瓦/平方米,不到前者的一半。这个巨大的差距,被学界称为“消失的热量”(MissingHeat)。

  那么,这些消失的热量去了哪里呢?学界对此屡有论文发表,观点大致如下:

  第一种观点认为卫星观测有问题,误差太大。这种推测不无道理,因为大气层顶部无论是短波或长波辐射,量级都在100瓦/平方米,而变暖的数字小得多,为0.5瓦/平方米-1.5瓦/平方米,测不准也是有可能的。第二种观点认为海洋观测存在误差。也有人认为,两者都存在不小的误差,把这些误差都考虑上的话,应该能够“扯平”,实际上不存在什么“消失的热量”。还有一种观点比较独特:认为能量进入了深海,而人类对深海的观测很有限。直到2005年,人类才建立起了名为Argo网的深海观测网,可观测700米至2000米深度的海洋,此前深海观测几乎是空白。因此,深海观测存在遗漏也说不定。

  而大气所的观点认为,问题主要是由于热含量估计不准确引起的。也就是说,热量其实消失在数据的偏差中。

  简单说,海洋太辽阔,观测十分有限,大量海域没有直接观测数据。但人们在研究海洋变暖时,不可能留下这么多空白,因此,就使用了插值方法,利用有限的观测数据去推论无观测海域的温度。它的理论依据是,海洋不同地点的变化并不是孤立的,而是彼此影响,受统一的规律制约。这样一来,科学家就可以通过各个点的温度来推测整体的温度变化。但是海洋中的观测点实在是太少了。以美国海洋和大气管理局(NOAA)为例,某些观测点甚至用于估测半径800公里内的温度变化。而这样的海区还不是最差的,东南太平洋有些区域没有任何观测点,一片空白。这些地区的海洋温度变化只好被假设为0。显然,这里就存在不少低估的部分。另一方面,通过某个点推测周边的海温也是不准确的,这种方法假设各个方向的相关性都是一致的,但在真实的海洋中,东西、南北向变化差异很大:东西相似度高,而南北则变化迅速。

  基于这种研究上的困境,大气所另辟蹊径,尝试利用气候模型定义各个海区之间的相关性。由于气候模型也有偏差,他们把很多气候模型集合起来进行推测。

  经过改善后的方法有两个优点,一是对海区温度变化的估计更为准确,二是从单点可以推测的范围更广。这样一来,海洋中的“空白”地区就被大大压缩了。

  利用这个技术,大气环境所重构了1940年至今海洋0米至2000米深度的海温,得到了一个更准确的海洋热含量变化估计。新的数据证明,海洋在持续且加速变暖,特别是在20世纪90年代之后。更令人惊喜的是,新数据和卫星观测到的大气层顶能量收支基本匹配。

  热量当然不可能消失,新的研究结论表明,它们确实大部分进入了海洋。而之所以此前认为它消失了,一是因为海洋热含量的估计有问题,二是深海加速变暖。

  这一结论或许还可以解决更多以往有争议的问题,例如海平面上升速率为何比各贡献因子累加之和更强?这可能是因为海洋加速变暖,导致了更大的热膨胀。又如深海能量变化会如何影响气候变化、气候变暖是否停滞。随着数据不断得到更新与修正,人类对于这些问题的回答将更加准确。

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